引言
紫外线（UV）辐照是一种成熟的饮用水和废水处理工艺，利用UVC光进行微生物灭活和高级氧化过程。传统UV技术虽然应用广泛，但依赖汞灯，存在处置挑战、操作危害、水质风险（如灯管破裂时汞泄漏）以及未来潜在的灯管供应/监管挑战。UV-LED（紫外线发光二极管）是一种替代技术，它利用发光二极管（LED）在可选的UVC波长（例如255、265和280纳米）发射光线。UV-LED已被证明是一种有效的工艺，克服了许多传统UV的挑战，但关于其全规模应用的文献有限。
南内华达州水务局（SNWA）和拉斯维加斯谷水务局（LVVWD）比较了传统低压UV和UV-LED280 作为地下水井中对抗嗜肺军团菌的额外屏障。SNWA无需也未寻求“处理信用”，因此，向监管机构证明有效的嗜肺军团菌控制和适当的协议足以批准在LVVWD水井中使用任一种UV技术。虽然低压UV技术已被广泛接受且对嗜肺军团菌灭活有效，但它需要额外的防护设备、更复杂的场地设计以及额外的运行与维护考虑。作为一种较新的技术，SNWA/LVVWD为其余水井选择了UV-LED280 ，因为其在嗜肺军团菌消毒方面同样有效，并且风险更低、设备/设计更简单、操作更便捷。
制造商通过建模评估了这款第一代全规模UV-LED280 反应器的UV剂量传递，但未进行生物剂量测定测试。尽管SNWA/LVVWD不需要经过验证的反应器，但验证提供了定义操作阈值、全面评估剂量传递和监测以及确保未来若需要时可寻求信用的机会。此外，缺乏UV-LED验证指导和示范可能会限制UV-LED更广泛的应用，尤其是对于注重合规性的应用。本文讨论了SNWA/LVVWD的流程、关键发现以及对美洲首个全规模UV-LED280 反应器（1000 GPM）进行验证的意义。
美国环保署的“最终长期2强化地表水处理规则紫外线消毒指导手册”（UVDGM）是关于验证的主要联邦指南，将其描述为确认UV反应器在不同条件下传递的UV剂量的综合过程。UVDGM被制造商和从业者用于设计和验证UV反应器及处理系统，也被州监管机构用于评估处理系统和授予处理信用。美国环保署还制定了“饮用水系统UV消毒反应器验证的创新方法”（IA），提出了替代验证方法，并将指导重点放在生成剂量监测方程上。UV反应器验证涉及生物剂量测定测试，通过在全规模和台架规模下灭活指示微生物（MS2、T1UV、Qß、枯草芽孢杆菌、T7等，其UV敏感性与目标病原体相似）来量化UV剂量。UVDGM规定了两种可接受的验证方法：紫外线强度（UVI）设定点法和计算剂量法。验证测试由UVI、紫外线透射率（UVT）、流量以及期望获得验证剂量的相关操作范围定义。紫外线强度设定点法验证一个最低操作UVI阈值，在此阈值之上可达到目标剂量。该方法不验证剂量监测方程，但所需资源最少（仅需两次测试），且不需要在线UVT监测。计算剂量法需要≥27次测试和UVT监测，但能生成一个验证化的剂量监测方程。本研究将采用两种验证方法，并讨论各自的优点和挑战。
UVDGM和IA涉及并定义了传统UV反应器的验证方法。UV-LED被指出是一种可接受的替代UV技术，但在将UVDGM应用于UV-LED反应器方面存在显著问题。IA并未专门解决UV-LED验证问题，但它提出了一种替代的剂量监测方程确定方法，该方法可能更适用于UV-LED，例如使用UV敏感因子作为UVDGM中定义的偏差因子的替代方案，这些偏差因子源自传统反应器的剂量分布。
虽然目前尚无同行评议的研究展示全规模UV-LED反应器验证，但文献中有小规模和全规模UV-LED反应器的示范及相关剂量估算。Hull等人展示了使用组合变量方法成功验证一个小规模（3 gpm）UV-LED285 反应器，其中MS2的对数灭活直接建模在RED上。Jarvis等人在英国某市政当局安装了六个约1100 gpm的UV-LED275 反应器，取得了不同程度的成功。Autin和Bolton对Jarvis研究中的一个UV-LED275 反应器进行的验证发表在《UV Solutions》杂志上（非同行评议），定义了一个验证化的剂量监测方程，但他们使用了修改后的RED确定方法，并指出了影响偏差因子和验证不确定性的实验问题。MacIsaac等人也成功地估算了一个用于废水消毒的全规模（100 gpm）UV-LED280 反应器的剂量传递，通过表征大肠杆菌灭活，但未展示反应器的完整验证。
本研究的总体目标是遵循UVDGM和IA指南，验证一个全规模（1000 gpm）的UV-LED280 反应器。具体目标包括：（1）评估MS2和T1UV在地下水中的UV-LED280 剂量-反应关系；（2）确定在不同UVI设定点、UVT280 值、功率输出和LED280 组操作条件下的全规模MS2和T1UV减量等效剂量（REDs）；（3）开发一个针对嗜肺军团菌的验证化剂量监测方程，该方程将定义UVI设定点并用于在常规操作期间监测验证化的RED。
材料与方法
UV-LED280 平行光束测试
MS2和T1UV噬菌体原液来自GAP EnviroMicrobial Services, Ltd.，用于台架和全规模生物剂量测定测试。分别制备MS2和T1UV样品以避免相互作用和/或屏蔽。将MS2和T1UV原液用地下水稀释至浓度为1×106 PFU/mL。将稀释的指示微生物原液分成100 mL等份，使用UV-LED280 平行光束进行处理。重复未处理的样品作为阳性对照。使用未添加指示微生物的原地下水作为阴性对照。使用Hach DR6000分光光度计和1 cm比色皿测量样品在280 nm处的吸光度，以确定用于剂量校正的百分比UVT280 。
使用配备与全规模反应器相同光谱280 nm LED的Aquisense Technologies UV-LED PearlLab Beam进行台架测试。商业设置经过改装，使用黑色PVC管延长准直管。在样品暴露前后立即使用校准的International Light Technologies SED270传感器和ILT1700仪表测量样品表面中心的UVI。280 nm的灵敏度系数输入ILT1700仪表以获得校正后的UVI数据。每个100 mL样品置于搅拌板上，中心位于准直管正下方，UV-LED280 光源与水面之间的距离根据目标剂量，打开280 nm LED的百叶窗，搅拌样品暴露38至868秒，然后关闭百叶窗。
UV剂量计算为平均UVI、暴露时间和平行光束校正因子的乘积。校正因子使用Bolton和Linden描述的方法计算。为每个指示微生物选择了五个UV-LED280 剂量。对每个指示微生物进行重复暴露，总共每个指示微生物有20个UV-LED280 暴露样品。
还进行了嗜肺军团菌的平行光束测试，以量化其UV敏感性并用于验证化嗜肺军团菌RED计算。从LVVWD地下水中分离出一株本地嗜肺军团菌菌株，并在BCYE上培养。将嗜肺军团菌接种于BCYE，然后转移到BYE肉汤中培养，洗涤细胞，用地下水重悬至约1×106 CFU/mL。重复的嗜肺军团菌样品使用平行光束处理，以达到5–30 mJ/cm2 的UV-LED280 剂量。
全规模地下水处理系统
全规模实验在一口历史上在未处理水中检测到嗜肺军团菌的水井进行。地下水被泵送至地面，流经静态混合器/注射器，然后进入UV-LED280 反应器。指示微生物和UVT280 改性化学物质通过侧流引入，注入到静态混合器/注射器的主水流中。通过注入SuperHume并比较两个下游取样口的测量UVT280 来评估均匀性。所有UVT280 样品均使用Hach DR6000分光光度计和1 cm比色皿测量。UV-LED280 反应器是Aquisense Technologies的PAT-XR2-550-A08S型号，配备两个LED组，发射280 nm光，旨在为地下水基质中的嗜肺军团菌提供>3个对数的灭活，最小设计剂量为40 mJ/cm2 ，满足SNWA/LVVWD处理目标所需的最小剂量为22 mJ/cm2 。该反应器为在线安装，配备入口涡流发生器用于水流调节。处理后的地下水通过位于LED背面的冷板进行冷却。一个经过校准的sglux 900 W/m2 UV–ÖNORM认证的杀菌传感器固定在反应器底部中心的观察口，用于监测UVI。该传感器为宽带且裸露（移除了杀菌滤光片），以更准确地匹配LED光谱。使用刮水器系统来防止和清洁石英上的污垢，并保持一致的UV传递。
全规模UV-LED280 反应器（生物剂量测定法）验证测试
选择了31个具有可变UVT280 、功率输出和组操作的条件，以覆盖广泛的剂量范围和潜在的操作范围。尽管建议改变流量以覆盖预期条件范围，但LVVWD水井在恒定流量和压力下运行，因此在测试期间未改变流量。然而，观察到了轻微的流量波动。
T1UV原液直接使用，而MS2原液用脱氯自来水稀释5倍。T1UV和MS2实验始终分开进行。将适当的工作指示微生物原液泵入位于UV-LED280 反应器上游静态混合器/注射器上的侧流注入歧管，以达到UV反应器进水中的浓度。
SuperHume是一种海藻浓缩物，稀释4倍以改变地下水的紫外线透射率。将SuperHume工作原液以可变速率泵入侧流歧管，以达到目标UVT280 。系统在MS2/T1UV和/或SuperHume投加开始并调整后稳定2分钟。对于每次测试，收集三次重复样品，每次重复间隔一分钟。分析进水样品的MS2或T1UV浓度。分析出水样品的280 nm紫外线吸光度和MS2或T1UV浓度。流量、UVI和操作参数通过SCADA在线记录。总的来说，这些测试为剂量监测方程生成了92个灭活数据点。此外，根据UVDGM/IA要求，收集了26个对照样品，包括反应器空白、反应器对照、运输对照、指示微生物稳定性样品和方法空白，每个样品均对MS2和T1UV进行三次分析。
分析方法
GAP EnviroMicrobial Services, Ltd. 使用双层琼脂覆盖技术对所有台架和全规模样品中的MS2和T1UV斑块进行计数。对每个样品进行三次分析，并取三个平板浓度的平均值。使用Hach DR 6000对每个出水样品的UVT280 进行三次分析并取平均用于数据处理。通过液滴平板法和膜过滤法分析嗜肺军团菌浓度。在30 mJ/cm2 处理的样品中，T1UV低于检测限，因此未包含在进一步分析中。
数据分析
根据未处理样品和处理样品中的生物浓度计算MS2/T1UV/嗜肺军团菌的对数灭活。根据台架尺度的对数灭活与剂量数据生成剂量-反应曲线。对于具有线性剂量反应的生物，DL 是恒定的；而对于具有拖尾/多项式类型剂量反应的生物，DL 随RED的变化而变化。因此，为每个条件/RED进行插值计算。
然后将全规模测试的MS2和T1UV对数灭活作为x输入相应的模型，以计算y，即测量的RED（REDM ）。每个全规模条件由REDM 、280 nm紫外线吸光度、UVI、DL 和流速定义。对REDM 数据集进行Grubbs分析，识别出一个异常值并移除。将全规模测试的数据分为训练集和测试集。使用R Studio对训练集进行非线性平方回归分析。回归分析求解系数，以生成预测RED的剂量监测方程。为了评估经验方程的准确性，将测试集的测量数据输入方程得到预测RED，并与测量RED进行比较。
要获得验证化的RED，必须考虑不确定性。计算不确定性的过程在支持信息中有详细说明。简而言之，由于UVI传感器和剂量-反应曲线的不确定性较低，验证的总体不确定性等于插值的不确定性。为了计算验证化的RED，将预测RED除以验证因子。
结果与讨论
地下水中的MS2和T1UV的UV-LED280 灭活
指示微生物的平行光束测试结果。平行光束剂量-反应曲线用于确定全规模UV-LED280 反应器的测量RED值。由于MS2的非线性动力学，使用多项式回归拟合其剂量-反应曲线。T1UV的剂量-反应曲线用线性回归拟合。两种指示微生物的确定系数均≥99.7%，验证了回归模型能很好地预测经验数据。图中给出了MS2和T1UV的1至4个对数灭活目标对应的UV-LED280 剂量需求。与先前文献一致，T1UV比MS2对UV-LED280 更敏感，这意味着T1UV需要更低的UV剂量来实现相同的灭活。
T1UV和MS2的剂量-反应结果与先前的研究结果一致。本研究中观察到的MS2灭活与其他研究类似。
全规模UV-LED280 REDs
使用台架尺度平行光束剂量-反应曲线，根据全规模对数灭活计算测量RED值。全规模UV-LED280 处理导致T1UV的灭活水平高于MS2，这与台架测试和文献一致。相应的测量RED分别为16–61（MS2）和5.2至≥28 mJ/cm2 。T1UV可证明的最大测量RED为28 mJ/cm2 ，超过此剂量T1UV样品无法检出。尽管在验证测试集中未见到，在初步测试中，MS2证明的最大测量RED为91 mJ/cm2 。
值得注意的是，在全功率和环境UVT280 下，UV-LED280 反应器传递的测量RED为61 mJ/cm2 ，是最小设计剂量的1.5倍，是22 mJ/cm2 要求的>2.5倍。大多数MS2测试条件达到了所需的测量RED。UV-LED280 反应器在变化和极端条件下实现所需剂量的能力得到了证明。
验证化的UV-LED280 剂量监测方程
UVDGM为完成计算剂量法以生成剂量监测方程提供了明确的指导。然而，美国环保署最近的IA文件提供了关于改进的计算剂量法的指导，该方法可能更准确地适应UV-LED验证。将UVDGM方法用于确定UV-LED反应器剂量监测方程的一个主要缺点是包含了偏差因子。偏差因子包含在验证计算中，以补偿测试中使用的指示微生物与寻求信用的目标病原体之间微生物敏感性的差异。使用不太敏感的微生物（如MS2）将产生比更敏感微生物更高的测量RED和验证化RED。
UVDGM中定义的偏差因子是基于不同设计的传统反应器的理论剂量分布推导出来的。由于灭活机制、剂量-反应曲线和UV敏感性随波长变化，以及替代UV光源反应器在剂量分布/传递方面的潜在差异，尚不清楚这些UVDGM偏差因子是否适用于UV-LED系统。IA文件提出了一种改进的剂量监测方程方法，在验证化的RED剂量监测方程中包含了UV敏感因子；通过这样做，最终可以使用目标病原体的UV敏感因子，从而使验证化的RED剂量监测方程能够针对公用事业目标病原体和特定波长进行定制，而不是依赖于偏差因子，以确保准确的剂量监测。
使用全规模生物剂量测定结果和MS2与T1UV的UV敏感性，发现预测RED的剂量监测方程。在方程中，系数B和E被确定为不显著，因此被视为0并从剂量监测方程中移除。
UVDGM规定，如果预测RED与测量RED的拟合线性回归斜率=1.00±0.02且R²>0.95，则剂量监测方程是可接受的。数据显示，当使用测试集数据和完整数据集时，比较结果符合UVDGM标准。尽管训练集中有更多的MS2数据，且MS2的RED范围大于T1UV，并且T1UV测试的条件比MS2测试的条件更极端，T1UV的预测RED与MS2的预测RED具有相同的预测准确性，显示了剂量监测方程的稳健性。
验证化的RED是使用测试参数数据从RED预测公式获得的RED值，除以验证过程和计算中的最大不确定性。因此，验证化RED值只是预测RED值乘以一个安全系数以保持保守。对于测试的条件，验证因子范围为1.05–1.61，较低的预测RED对应较高的验证因子。验证因子的使用导致预测RED减少了5–47%。
验证化的嗜肺军团菌特异性剂量监测方程
验证化的UV剂量监测方程包含生物特异性UV敏感因子，因此可应用于寻找UV敏感性介于MS2和T1UV之间的目标生物的验证化RED。地下水中的环境嗜肺军团菌菌株暴露于几个剂量的UV-LED280 ，并测量了其灭活。根据这些数据，计算了每个样品的嗜肺军团菌DL 。观察到了拖尾现象，导致DL 随剂量增加而增加。文献中关于LED对嗜肺军团菌灭活的数据因菌株、水基质和测试变异性而异。
全规模UV-LED280 反应器将始终在>22 mJ/cm2 的条件下运行，此时嗜肺军团菌的UV敏感因子大于5 mJ/cm2 /log I。较高的DL 导致较高的验证化RED；因此，在验证化剂量公式中使用较低的DL 会更加保守。为确保考虑具有不同UV敏感性的亚群范围并保持保守，使用所有嗜肺军团菌样品DL 的平均值来计算嗜肺军团菌的验证化RED。
每个验证测试条件下的嗜肺军团菌验证化RED在3.8–47 mJ/cm2 范围内。图5显示了在相关操作条件下嗜肺军团菌验证化RED的一个子集。当LED280 功率降低至30%以及使用单个UV-LED280 组操作时，嗜肺军团菌验证化RED仍高于所需的22 mJ/cm2 剂量。这些结果表明，如果需要节能，UV-LED280 反应器可以在可变功率下运行，并且在大多数情况下可能以<50%的功率运行，从而显著降低功耗。这一结果也意味着水井可以在部分故障情况下或LED280 输出大幅降低的情况下继续运行，同时仍能达到处理目标。
意义
对SNWA/LVVWD的意义
基于本验证研究的结果，SNWA/LVVWD为警报和操作停机设定了UVI和验证化RED阈值，以保守地确保达到处理目标。虽然验证化的剂量监测方程已纳入SCADA并用于实时嗜肺军团菌验证化RED监测，但UVT280 无法在线测量，因此SNWA/LVVWD也需要UVI阈值。由于目前无法在线测量UVT280 ，验证化剂量方程中的UVT280 被硬编码为一个保守值。每周对UV-LED280 处理水进行嗜肺军团菌分析时，会同时分析UVT280 。虽然预计不会发生，但如果每周样品中观察到UVT280 低于硬编码值，该值将被调整为更低的值以保持保守的验证化RED估计。
该水井和经过验证的UV-LED280 反应器已获得州监管机构的批准，可连续运行并排入LVVWD配水系统。还有多达33口水井需要额外的处理来满足嗜肺军团菌处理目标。由于首次应用UV-LED280 反应器的经验和成功，SNWA/LVVWD已采购了五台额外的UV-LED280 反应器，将安装在具有更高流量和更大管径的水井上，并计划未来装备更多水井。
更广泛的意义
理论上，该验证和验证化的剂量监测方程可以应用于相同型号的其他UV-LED280 反应器。然而，由于测试条件的范围限制，该验证的适用范围受到限制。UVDGM关于水力学特性的指南建议在反应器上游有五个管径的直管，以便应用异地验证。然而，本研究使用了静态混合器，且上游距离少于要求的五个管径。制造商进行的CFD建模可以确认其他安装该反应器模型的场地具有相似的入口/出口水力学特性以及本验证的适用性。在具有不同水基质和水力学特性的场地进行的未来工作将为本验证的更广泛适用性提供信息。
本研究是首个经过同行评议的UV-LED280 验证，为不同验证方法的挑战和益处、UVDGM/IA指南在UV-LED验证中的应用以及未来工作和指导需求提供了更广泛的见解。本研究展示了将UVI设定点法和计算剂量法应用于UV-LED280 系统的有效性。本研究遵循了传统的UVDGM UVI设定点法但未成功；这不一定是因为UV-LED特有的因素，而是由于在有限的测试次数和单一/固定的UVI监测位置下难以获得可接受的UVI设定点。本研究也遵循了UVDGM中详述的计算剂量法，但未使用偏差因子。IA指南提出了一种替代方法，通过在验证化剂量监测方程中包含UV敏感因子来补偿不同微生物之间UV敏感性的差异。UV敏感因子允许将验证化剂量监测方程专门定制到公用事业目标病原体及其在相关基质中对UV-LED280 的敏感性。
在全规模UV-LED监测方面，存在与UVI和UVT监测相关的问题或挑战。UV剂量传递的分布在不同的模型或反应器设计之间可能存在显著差异。UVDGM规定UVI监测应使用杀菌传感器，并且至少在一个位置进行，但对于传感器位置是否应有进一步的指导，以及UV-LED反应器的传感器数量是否应不同，存在争议。本研究表明，使用单个UVI监测点可以对验证化RED进行准确和精确的预测。无法在线测量UVT280 是本全规模应用中最重大的限制，导致使用硬编码的保守UVA280 值，并且只能在线监测保守的验证化RED估计值。或者，如果进行了场地特定的水基质研究以关联UVT254 和UVT280 ，则可以使用具有254 nm传感器的在线UVT分析仪；然而，这种方法并未评估，因为它无法解决空气夹带的干扰问题。最终，能够测量适合UV-LED或替代UV光源的不同波长或可变波长的商业化、NSF认证的在线分析仪将是最理想的。
对于验证所需的台架尺度工作，关于平行光束测试应使用LED进行还是使用低压UV灯进行，存在争议且缺乏明确的指导。此外，关于使用完全不同的UV发射源产生的平行光束结果应如何应用于全规模测试结果，以及这种转换是否存在问题，也存在疑问。本研究采用了UV-LED280 剂量基准方法进行微生物灭活，因为参照254 nm的剂量基准方法存在多个缺点。全规模反应器中使用的特定LED波长/光源可能产生的结果对于该LED波长、水基质和指示微生物的组合是特异性的。这些趋势可能无法通过使用低压灯的台架尺度工作来捕捉、证实或支持，从而可能限制对UV-LED及其应用特定实施的更深入理解。然而，参照254 nm确实规避了上述UVT监测的挑战。此外，监管机构更熟悉现有技术，并且有基于传统UV的信用授予结构，这可能允许更直接地分配和批准病原体信用。
目前，没有专门针对UV-LED反应器应用和验证的指南。尽管UV-LED消毒和高级氧化的概念与传统UV相同，但一些细微差别使得当前验证指南的应用细节尚不明确。为了推广这种克服传统UV许多挑战的有前景的新技术，进一步的研究和指导将为打算实施UV-LED并可能寻求处理信用的公用事业公司提供清晰度和保证。本研究不仅展示了一种可应用于其他UV-LED验证的验证方法，也是首批展示全规模UV-LED280 反应器卓越性能的示范之一。
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