紫外线消毒器设计

出自：《枫林学苑—同济大学博士生论文集》 (ISBN 7-5439-1531-6/T.597) ， Vol IV ， pp367-371 ，上海科学技术文献出版社
发表时间：2000-6

高乃云 彭海清 范瑾初
（同济大学环境科学与工程学院）

　　摘要 近年来，紫外线消毒在给永工程中得到较多的应用．本文针对紫外线淮毒的特点，就紫外线；苣毒原理和优缺点加以阐述．对消毒器的设计，从构造形式， Uv 剂量，原水水质和设计要点等方面予以介绍，以期提高消毒效果。
　　关键词 紫外线 消毒器 UV 剂量 低压汞灯 辐射紫外线 (UV) 消毒的特点是所需时间很短，可以在以秒计的时间内有效地杀灭水中的细菌和病毒，与其它方法相比，既经济又安全，因此经常用在供氯不方便、小型给水以及特种工业用水，如制药和化妆品工业的循环蒸馏水、啤酒生产用水和瓶装饮用水的消毒。

一、外线消毒原理

　　紫外线是一种电磁波，波谱可以分成四区：真空 UV 、 UV-A 、 UV-B 和 UV-C 。 UV-A又称长波 UV ，波长介于 325 和 390nm 之间，很少有杀菌价值。 UV-B 又称中波 UV ，波长介于 295 和 325nm 之间，如荧光灯发出的波。太阳光中也有中波，如果充分曝晒，也有杀菌作用。 UV-C 或称短波 UV ，能有效杀菌，最佳的 UV 杀菌作用是在波长 265nm 处。地球表面上天然 LW-C 的是极少的，所以须采用其它方法产生 UV 光。这就是紫外线杀菌灯，它的杀菌波长是 253 ． 7nm ，非常接近于 265nm 时的最佳杀菌效果。饮用水消毒中的微生物有细菌、病毒、真菌、原生动物和藻类等。微生物是由细胞壁、细胞质膜和细胞基因物质、核酸等组成。 UV 对基因物质或 DNA( 脱氧核糖核酸 ) 产生影响。当 UV 光透射过细胞壁和细胞质膜时，可将微生物 DNA 的分子重新排歹：．于是微生物不能繁殖。如果细胞不能繁殖，微生物就趋于死亡。

二、紫外线消毒的优缺点

　　紫外线消毒的优点是 〔 1 〕 ：对环境无害，无需运输和贮存危险药剂，水中不投加化学药剂，无消毒副产物，水的嗅味、 pH 或导电性等不起变化，易于自动化操作，维护简便，只需定期清洗和更换灯管，初期投资低，运行费用低于臭氧和氯消毒时。与氯和臭氧消毒时的比较见表 1 。
　　紫外线消毒的缺点是：所处理水中不能含有可掩护微生物免受紫外线辐射的颗粒物质，处理后水缺乏剩余消毒能力。紫外线辐射只能消灭不可见的微生物，也就是说，不能使肉眼可见的微生物死亡。

三、紫外线消毒器

　　国内外已有多种型号的紫外线消毒器产品，构造各有特色，适用的流量范围很广。消毒器的主要组成部分是光源和反应室，光源用以产生辐射消毒所需的能量，反应室提供辐射消毒所需的水流接触时间。
1．光源
　　作为紫外线杀菌的辐射光源，应在其杀菌光谱范围内有较高的辐射功率，并且耗电省。目前采用两种光源，即杀菌效率 ( 所放出的杀菌能量与灯管、镇流器等所耗总电能之比 )在 90 ％以上的低压汞灯以及效率在 6 ～ 12 ％的中高压汞灯。

表1 UV、Cl₂和O₃的比较

　　低压汞灯的构造和操作方式，与荧光灯相类似，唯一的差别是汞灯用石英或其它透过紫外线的玻璃做成灯管，而荧光灯用普通玻璃灯管，且管壁内有荧光涂层，将紫外光转变为可见光。紫外线的杀菌效果在波长介于 250 ～ 265nm 时为最大，但在波长 290 — 300nm 时突然下降，而低压汞灯在波长为 253 ． 7nm 时输出最大的辐射能量，所以是理想的杀菌光源。在科学研究和水处理工程中应用最广。高压汞灯的辐射功率衰减较快，比低压汞灯约快 10 倍以上，影响了高压汞灯的运行时间，中压和高压汞灯虽然有很大的辐射功率，但是它的老化速度比低压汞灯为快。各种汞灯都应配以合适的镇流器，低压汞灯应有合适的启动器。镇流器的主要作用是限制汞灯的操作电流在额定值范围内。镇流器应工作有效，保证汞灯的较长使用寿命，保证在输入电压波动 i10 ％时还能稳定运行。

2．反应室 [2]

　　水处理用的紫外线消毒器可以连续运行或间歇运行。它由紫外光源 ( 一个或多个紫外灯管 ) 和反应室组成。在光源辐射下在反应室中完成光化学反应，可使水中的微生物死亡。反应室可以做成水面式或淹没式，根据水流条件又可分成重力式和压力式。常用的是在压力下运行的淹没式。淹没式可将紫外灯管直接放在水中，如小型紫外线饮用水消毒器。但低压汞灯在温度为 40~C 左右时，使用效果较好。如直接浸在水中，因水温过低辐射功率会大大衰减，影响杀菌效果。所以比较合适的做法是将低压汞灯放在能透过紫外光的石英套管内，以免与水直接接触。水面式消毒器一般在反应室上方，设置圆形或抛物线形反射罩和低压汞灯，汞灯在水面：不和水接触，消毒器在重力下运行。铝是反射罩的最合适材料，优点是易于成型、轻巧、反射能力强，如铝的质地纯净还可防腐蚀。反应室设计时，流量是决定性的因素，不能估计过大：因为反应室中的水流停留时间很短，不希望流量频繁变动而影响消毒效果。实用上应尽量保持稳定的流量，至少不应超过最大流量。此外，由于光照强度随着与汞灯距离的平方而衰减，所以反应室的大小应考虑室内各点的水流能获得足够的辐射能量。

3． UV 剂量

　　为保证紫外线有效杀菌必须有充分的辐射强度 I 和足够的光照时间 t ，两者的乘积称为 UV 剂量，它是紫外线消毒器的主要设计因素〔3〕：

　　D=It

　　式中：Ｄ－UV剂量，mW·S/cm2；
　　　　　I——单位面积的辐射能量，或辐射功率除以汞灯管表面积，mW/cm2；
　　　　　t-时间，s。

　　所处理的水质相同时，采用高辐射强度的光源作用较短时间，与低辐射强度的光源作用较长时间相比，只要 UV 剂量相同，杀菌效果是相接近的：UV 剂量和微生物残存比的关系见表 2 ，可见 UV 剂量越大，剩余的微生物比例越小。

四、进水水质要求

根据光化学作用的原理，杀灭微生物的能量等于被微生物吸收的能量，如果有足够的紫外线辐射能量与微生物接触，就可将水消毒到任何所需的程度。因此，所处理水中不应有可掩护微生物的颗粒物质，以免降低辐射能量和消毒效果。为了保证紫外线的有效杀菌作用，必须将原水预处理，如混凝、沉淀、过滤等，以去除悬浮物、胶体和金属离子后再用紫外线消毒。如果水质已达到要求，例如过滤后水或城市自来水，即可进入紫外线消毒器进行消毒。水中的铁锰可使灯管和石英套管产生锈斑，需要适当预处理以消除锈斑问题。钙和镁硬度也会使灯管和石英套管的表面结垢，根据水质情况可适当加以处理。紫外灯管的最佳操作温度约在 40 ℃ 左右，当水温过高或过低时紫外光的辐射能量会有波动。石英套管可将灯管和水分隔开宋，不致直接接触，还可以减轻水温波动时对消毒效果的影响。

五、设计要点 [5]

1. 紫外辐射的波长宜为 253 ． 7nm ，消毒器中任何点的最小 UV 剂量为 16.0 mW.s ／ cm 2 。
2. 无论是水面式或淹没式消毒器，从灯管表面到消毒器壁的最大水深不宜超过 7.5cm 。

表2 UV剂量和微生物残存比关系

3 ．淹没式消毒器中的紫外灯管必须外加石英套管或同样光学性质的高硅玻璃套管，以保持灯管的合适操作温度在 40 ℃ 左右。
4 ．在进水消毒以前，灯管须有 5min 的预热时间，处理后水才可供饮用。
5 ．消毒器的设计应考虑不拆开就可清洗套管和水的接触面上所积污物。
6 ．消毒器应安装自动流量控制阀，以免进水流量超过最大设计流量时，造成水流停留时间太短，影响消毒效果。

参考文献：

[1] 严煦世,范瑾初.给水工程.中国建筑工业出版社，1995
[2] All Maorsi ETAL.Ulfraviolot offers reliable disinfection,NewWorld Water.1997.57-64
[3] Kavabata T.ET AL. The Disinfecting of Water by the Germicidal Lamp.J.Illumination Soc.36,89,1989
[4]Kreft ET AL,Hydraulic Studies and Cleaning Evalucation of UV Disinfecting Units,J.WPCF,58,12,1129-1137
[5]Cgo.Clifford White.The Handbook of Chlorination and Alternative Disinfectante.Van NOstrand Reinhold,1992