La disinfezione con i raggi ultravioletti

Le lampade che emettono energia luminosa ultravioletta, invisibile per l’occhio umano, trovano spazio ideale nella costruzione di impianti per il trattamento dell’aria, dell’acqua e delle superfici, perché svolgono un’azione di abbattimento dei germi patogeni realizzando una bonifica ambientale inarrivabile con altre tecnologie di disinfezione. Tutto questo senza sviluppare sottoprodotti nocivi per l’uomo e l’ambiente. 

Il primo impianto pubblico, per la disinfezione dell’acqua potabile con ultravioletti, fu realizzato a Marsiglia, in Francia, nel 1910. Oggi i sistemi UV sono largamente usati nel trattamento dell’acqua potabile e dei reflui depurati, contribuendo, in quest’ultimo caso, alla costituzione di risorse alternative di acqua da impiegarsi nell’irrigazione e nelle reti idriche industriali. La gamma delle applicazioni è divenuta molto estesa e non ci sono limiti di trattamento per quantità di larga scala.

Le basi fotobiologiche della tecnica UV

 L’effetto dei raggi UV sui microrganismi si può definire come un intervento di demolizione fotochimica del DNA, che  impedisce alla cellula di riprodursi. Ciò avviene in corrispondenza dell’esposizione della cellula a radiazioni nella gamma UV-C, tra 200 e 310 nanometri. 

Il dosaggio dei raggi ultravioletti

La capacità di disinfezione della radiazione ultravioletti, si esprime in termini di percentuale di sopravvivenza, di una determinata popolazione di microrganismi, evidenziando quanti di questi, in percentuale, sono in grado di riprodursi, dopo l’esposizione agli ultravioletti.

Il danno sul microrganismo è il risultato dell’energia UV che lo colpisce per il tempo che ne è sottoposto. 

La “funzione” risultante è definita Dose UV ed è indicata, prevalentemente, in mJ/cm².

La sensibilità ai raggi ultravioletti, tra le varie specie di microrganismi, è diversa anche in modo notevole e dipende da vari fattori quali la frequenza delle “sequenze di basi”, nel DNA, sensibili agli UV, la disponibilità e la forza dei meccanismi cellulari, per riparare i danni prodotti dagli UV, la permeabilità, agli UV, delle membrane cellulari esterne.

Per la riduzione del 90% delle “colonie” di Escherichia Coli, batterio “guida” per l’inquinamento dell’acqua, è necessaria una Dose UV di 5,4 mJ/cm2. Questo fattore di riduzione viene convenzionalmente indicato come D10,

Per ottenere riduzioni superiori al 90%, si applicano dosi multiple in funzione del risultato desiderato. Per ogni microrganismo conosciuto e catalogato, c’è un D10 diverso. Per la disinfezione dell’acqua potabile è di recente emersa la pratica di applicare la Reduction Equivalent Dose, RED, che basa l’efficacia del trattamento UV su valutazioni biodosimetriche. 

Questa scelta conservativa, in linea con la maggior tutela della salute pubblica, prevede energia UV anche doppia rispetto all’impiego della dose UV di 40 mJ/cm², considerata adeguata fino a qualche tempo fa. 

Per determinare la corretta dose UV debbono considerarsi altri fattori quali l’assorbimento che il “mezzo” da disinfettare offre nei confronti dei raggi UV, il tipo di microrganismo e le esigenze di riduzione batterica richieste dallo specifico trattamento. La disinfezione di acqua potabile con UV si propone oggi con particolare attenzione per l’eliminazione del Cryptosporidium, pericoloso microrganismo insensibile al cloro, contenuto nel guano degli uccelli.

Sorgenti tecniche dei raggi UV

Le radiazioni ultraviolette, contenute nella luce solare e bloccate dall’atmosfera, sono riprodotte artificialmente da speciali “lampade” sature di gas di mercurio, in cui s’innesca una scarica elettrica.

La pressione di questo gas, all’interno della lampada, determina la quantità di energia ed il relativo spettro di emissione.

Tipologia dei dispositivi di emissione UV

Tra quelle in uso sono rilevabili due tipologie di lampade prevalenti:

• Bassa pressione (Low Pressure)

• Media pressione (Medium Pressure)

Le lampade del primo tipo hanno una pressione interna del gas di mercurio minore di 10 mbar che attiva un’emissione UV germicida con picco a 253,7 nanometri. Un’altra emissione, a circa 185 nanometri, è utilizzata per fenomeni di fotolisi che possono ridurre inquinanti organici. Inserendo all’interno di queste lampade l’Ittrio o altri elementi, in “amalgama” al mercurio, si ottiene una maggiore energia, a parità d’ingombro, e un maggior livello di temperatura di funzionamento.

Lampade ad arco, ARC tube, sono definite quelle che hanno una pressione del gas di mercurio da 100 mbar a 1 bar. Hanno energia UV-C di circa 10-15 volte maggiore a quella delle lampade a bassa pressione, con dimensioni di circa due terzi inferiori. Queste lampade sono definita policromatiche perché la curva di emissione ha una “campana” ampia, con diversi picchi per il processo di disinfezione ed altre applicazioni fotolitiche. Queste lampade dispongono del picco di massimo livello a 265 nanometri, che è quello di maggiore efficacia per il processo di demolizione del DNA dei microrganismi.

Le lampade a media pressione hanno un’elevata quantità di energia intorno a 190 e 350 nanometri. Impiegandole in associazione con altre sostanze ossidanti come il perossido d’idrogeno, consentono la demolizione fotochimica di molecole complesse di natura organica. Con valori di emissione pressocché costanti, sono impiegabili con basse temperature dell’acqua e fino ad oltre 70 °C.