Klassifizierung und Funktionen von Ultraviolett-Sterilisatoren in recirkulierenden Aquakultursystemen

Recirculating Aquaculture Desinfektionssystem

In recirculating aquakultur Systemen darf die Gefahr von Bakterien und Viren nicht unterschätzt werden. Bakterien verbrauchen einen großen Teil des gelösten Sauerstoffs im Wasser, was zu einem Sauerstoffmangel in gezüchteten Organismen führt, langsames Wachstum und sogar Tod. Pfadogene Bakterien wie  Flavobacterium columnare und Aeromonas hydrophila können Erkrankungen wie Kiemenfäule und Septicämie bei gezüchteten Organismen verursachen, was zu massenhaften Todesfällen und erheblichen wirtschaftlichen Verlusten für Aquakulturbetreiber führt. Vireninfektionen zeichnen sich durch eine schnelle Übertragung und eine schwierige Kontrolle aus, die in kurzer Zeit eine große Anzahl an gezüchteten Individuen infizieren, ihre physiologischen Funktionen stören und die Effizienz der Aquakultur schwerwiegend beeinträchtigen.

Ultraviolett (UV) und Ozon sind äußerst effektiv bei der Vernichtung von Bakterien und Viren. UV-Strahlung dringt durch starke Strahlungswellen durch die Zellmembran von Mikroorganismen, erreicht den Zellkern und zerstört die DNS-Doppelhelixstruktur, was die Fortpflanzung von Bakterien verhindert und zu deren Tod führt. Sie ist besonders effektiv gegen in Wasser suspendierte bakterielle Mikroorganismen. Ozon, aufgrund seiner starken oxidierenden Eigenschaften, reagiert schnell mit Bakterien und Viren, zerstört ihre Organe, DNS und RNA und verändert die Zellpermeabilität, was zu Zelllyse und Tod führt. Es kann eine Vielzahl von Mikroorganismen töten, einschließlich bakterieller Vegetationszellen, Sporen, Viren und Pilze. Aufgrund seiner guten Diffusionsfähigkeit kann Ozon das gesamte Aquakulturwasser ohne tote Winkel desinfizieren.

UV-Desinfektion

1. Einteilung nach Installationsmethode

UV-Sterilisationslampen können je nach Installationsmethode in zwei Arten unterteilt werden: rohrmontiert und kanalmontiert:

• Leitungsgemontierte UV-Sterilisierlampen werden normalerweise innerhalb der Wasserleitungsröhren von recirculierenden Aquakultursystemen installiert. Das Wasser fließt direkt durch den Röhrenabschnitt mit der Sterilisierlampe, was eine vollständige Kontaktaufnahme zwischen Wasser und UV-Licht gewährleistet und somit das fließende Wasser effizient sterilisiert. Ihre Vorteile umfassen eine kompakte Struktur, die sich gut in das Rohrsystem integrieren lässt, wodurch sie für die Wasseraufbereitung in Szenarien mit relativ niedrigen Durchflussraten geeignet sind.

• Kanal-gemontierte UV-Sterilisierlampen werden im Allgemeinen über oder an den Seiten offener Wasserkanäle mit einer bestimmten Breite und Tiefe installiert, um das fließende Wasser zu bestrahlen und zu sterilisieren. Sie können eine große Wasseroberfläche abdecken und eignen sich daher zur Behandlung großer Durchflussmengen und offener Gewässer, um sicherzustellen, dass ein großes Wasservolumen wirksam durch UV-Licht bestrahlt wird, um die Sterilisierungseffizienz zu gewährleisten.

2. Einteilung nach Spannungsstärke

UV-Desinfektionslampen werden aufgrund der Spannungseinheit in zwei Typen unterteilt: Niederdruck und Mitteldruck:

Niederdruck-(LP) UV-Desinfektionslampen arbeiten bei relativ niedrigen Spannungen und erzeugen normalerweise einwellige UV-Strahlung, meistens um 254 Nanometer . Diese Wellenlänge hat eine erhebliche keimtötende Wirkung, verbraucht wenig Energie und ist gut stabil. Ihre Leistung ist jedoch relativ begrenzt, wodurch sie für kleinere Anwendungen oder Orte geeignet sind, wo keine extrem hohe Desinfektionsintensität erforderlich ist.

Mittelspannungs-(MP) UV-Sterilisationslampen arbeiten bei höheren Spannungen und erzeugen dabei mehrwelliges UV-Licht mit einer größeren Reichweite und stärkerer keimtötenden Wirkung. Sie verfügen über höhere Leistung, was eine schnelle Behandlung von Wasser mit großem Durchfluss und stark verschmutztem Wasser ermöglicht. Allerdings verbrauchen sie mehr Energie und haben höhere Anschaffungskosten, weshalb sie häufig in großen recirculating Aquakultur-Systemen eingesetzt werden, die hohe Anforderungen an die Sterilisationseffizienz und die Behandlungskapazität stellen.

3. Prinzipien und Einflussfaktoren der UV-Desinfektion

UV-Licht ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, die in mehrere Wellenlängenbereiche unterteilt ist. Der für die Sterilisierung hauptsächlich verwendete Band ist der UVC-Band (200-280 Nanometer), wobei etwa 254 Nanometer die effektivste Wellenlänge für germizide Zwecke ist. Wenn recirkulierendes Wasser mit Mikroorganismen wie Bakterien durch den Bestrahlungsraum einer UV-Sterilisationslampe fließt, wird die Energie der UV-Photonen von der genetischen Materie (wie DNA oder RNA) innerhalb der mikrobiellen Zellen absorbiert. Die chemischen Bindungen in diesen genetischen Materialien brechen nach dem Absorbieren ausreichender UV-Energie – zum Beispiel werden Wasserstoffbrücken in der Doppelhelixstruktur der DNA zerstört – und stören damit genetische Informationsprozesse wie Replikation und Transkription. Dadurch können Mikroorganismen wie Bakterien nicht mehr sich vermehren, was zu ihrem Tod führt und so das recirkulierende Wasser sterilisiert und reinigt, wodurch die Wassersicherheit gewährleistet und ein gesundes Wachstums milieu für gezüchtete Organismen geschaffen wird.

Die Hauptfaktoren, die die Wirksamkeit der UV-Sterilisation in recirculating Aquakultur beeinflussen, sind folgende:

1.UV-Dosis

Die UV-Dosis, die durch die UV-Intensität und die Bestrahlungszeit bestimmt wird, ist entscheidend für die Sterilisationseffizienz. Eine unzureichende Dosis kann die DNA- oder RNA-Struktur von Mikroorganismen wie Bakterien und Viren nicht zerstören, was zu einer ineffektiven Sterilisation führt. Nur wenn die spezifische Dosis erreicht wird, die von den Zielmikroorganismen benötigt wird, kann eine gute Sterilisationsrate gewährleistet werden.

2.Wassermülligkeit

Schwebstoffe und organische Partikel im Wasser erhöhen die Mülligkeit. Diese Unreinheiten streuen und absorbieren UV-Licht, wodurch es verhindert wird, dass das Licht ins Wasser eindringt, und die tatsächliche UV-Bestrahlung der Mikroorganismen verringert wird, was die Sterilisationseffizienz senkt. Je höher die Mülligkeit ist, desto mehr wird das UV-Licht abgeschwächt, und desto schlechter ist die Sterilisationsleistung.

• Wasserflussrate

Eine zu hohe Wasserflussrate verkürzt die Aufenthaltszeit von Mikroorganismen im UV-Bestrahlungsgebiet, wodurch sie nicht ausreichend UV-Dosis erhalten und eine unvollständige Sterilisierung erfolgt. Eine zu niedrige Flussrate, die zwar die Bestrahlungszeit sichert, kann die Gesamteffizienz des Kreiswassersystems beeinträchtigen.

• Mikrobenarten

Verschiedene Mikroorganismen weisen unterschiedliche Toleranzen gegenüber UV-Licht auf. Zum Beispiel sind bakterielle Sporen aufgrund ihrer speziellen Struktur widerstandsfähiger gegenüber UV-Bestrahlung als normale bakterielle Zellen. Viren, die keine zelluläre Struktur aufweisen, unterscheiden sich ebenfalls in ihrer UV-Sensitivität von Bakterien. Daher beeinflussen die vorhandenen Mikrobenarten die Sterilisierungseffizienz.

• Lampenalterungsgrad

Mit zunehmender Nutzungsdauer nimmt die Lichtausbeute von UV-Lampen allmählich ab, was die Ausgangs-UV-Intensität und die effektive Sterilisierungsdosis verringert. Dies führt zu einer Verschlechterung der Sterilisierungswirkung im Vergleich zu dem Zustand, als die Lampen neu installiert wurden.