二次供水系统中UV消毒装置的开发

王启山1，任福燕2
(1.南开大学环境科学与工程学院，天津300071；2.天津市市政工程设计研究院，天津300051)

　　摘　要：介绍了对二次供水系统水箱(水池)中污染水质采用紫外线(UV)杀菌消毒的机理。在静态试验和动态试验的基础上，设计出适合高层建筑二次供水系统的实用型UV杀菌消毒装置，其运行效果良好，并实现了水力自动控制。
　　关键词：供水；二次污染；UV杀菌消毒；自动控制
　　中图分类号：TU991.25
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)09-0075-02

　　二次供水系统虽然有效地解决了高层建筑供水在水量和水压上的需求，但出水水质下降，普遍存在的问题是细菌学指标超标，余氯量也基本为零［1］。
　　改善二次供水系统的水质问题，除加强管理、改进水箱材质和构造外，其根本的措施是进行二次消毒处理。目前对水进行消毒处理的方法主要有物理法和化学法，而化学法中常用的消毒剂均为有毒气体，考虑到在居民楼内二次供水系统的安全性以及避免形成消毒副产物，各种化学消毒法均不宜采用。物理法中加热法、超声波法、紫外线照射法、磁场、高压静电场、高频场均可杀菌消毒，考虑到安全性和技术条件的成熟程度，试验选中了紫外线照射工艺。近年来，国外对紫外线消毒效果予以充分重视，特别是发现自来水中存在隐孢子虫属后，把紫外线消毒工艺作为自来水消毒的最后一道把关的工序，并即将正式列入美国供水法规［2］。
　　紫外线杀菌消毒原理是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构，造成生长性细胞死亡和(或)再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。经试验，紫外线杀菌的最有效波长范围为254～257 nm，试验采用的ZX型高压汞灯可满足其要求。

1　试验装置

1.1　静态装置
　　静态试验的目的是测试水在静止状态下灭菌率与紫外线辐射半径、辐照时间的关系。装置由不锈钢镜面板制成，镜面板的作用是把穿透水体的紫外线重新反射回水体。紫外线灯管浸没在水中，以灯管为中心，调整灯管周围可调挡板，达到调整辐射半径和水体容积的目的。在各种辐射半径和辐照时间下，测定辐照前后水中细菌学指标的变化，并算出灭菌率，从而确定灭菌规律。
1.2　动态装置
　　动态装置是根据静态试验获得的参数，用不锈钢镜面板制作。按居住楼设计秒流量计算法计算出调节水箱最大供水流量，以此流量和停留时间(辐照时间)确定动态装置的净容积。为保证杀菌效果，将装置分为三格，每格内设一支紫外线灯管，让水顺序流过三格，延长其受辐射时间。

2　试验结果

2.1　静态试验结果
　　以国产500WZX型紫外线灯管分别对辐射半径为0.05、0.075、0.10、0.125、0.15、0.175、0.20、0.225 m的静止水体进行杀菌试验，分别测得开始时刻及各辐照历时后的细菌个数，并计算出其杀菌率(%)，结果见表1。试验中细菌学指标检测方法用平皿计数法测量细菌总数，用多试管发酵法和膜滤法测量总大肠杆菌数，并用两种方法互相校核。

表1　静态试验的辐射半径、辐照历时与杀菌率 辐射半径(cm) 辐照历时(s) 0 3 5 8 10 12 15 18 20 25 30 40 杀菌率(%) 5 0 60 89 98 100 100 　 　 　 　 　 　 7.5 0 53 80 87 98 100 　 　 　 　 　 　 10 0 45 77 84 95 98 　 　 　 　 　 　 12.5 0 42 75 80 91 　 　 　 　 　 　 　 15 0 40 74 79 89 　 　 　 　 　 　 　 17.5 0 40 72 77 87 　 　 　 　 　 　 　 20 0 36 68 73 84 　 　 　 　 　 　 　 22.5 0 35 61 65 78 　 　 　 　 　 　 　

2.2　动态试验结果
　　动态试验在某高层建筑14楼顶水箱内进行，水箱水经本装置处理后进入管网，在13层水龙头处分别取不同出水流量下的水样进行化验，最大流量要大于供10层楼居民用水的设计秒流量(设定下部4层为市政管网直接供水，不经过调节水箱)，细菌学指标监测方法与静态试验相同。结果如表2所示。

表2　　不同流量时的灭菌率 用水量(L/s) 原水细菌(个/mL) 出水细菌数(个/mL) 灭菌率(%) 原水大肠菌(个/L) 出水大肠菌(个/L) 灭菌率(%) 0.21 62 0 100 52 1 98.1 0.41 62 0 100 52 1 98.1 0.90 62 0 100 52 1 98.1 0.54 120 3 97.5 92 2 97.8 1.24 120 5 95.8 92 2 97.8 5.4 120 8 93.3 92 2 97.8 2.4 210 12 94.3 140 1 99.3 3.8 210 20 90.5 140 2 98.6 7.04 210 24 88.6 140 2 98.6

3　分析与讨论

3.1　静态试验结果分析
　　静态试验结果表明，在静止水体中的紫外线杀菌率与辐射半径、辐照历时有关。在不同的辐射半径中，当辐照历时相同时，灭菌率随辐射半径增大而降低。而要达到100%的灭菌率，需要的辐照历时随辐射半径的增加而增加，而且随着辐射半径的增大，所需辐照历时增加趋势加速，所以紫外线辐照灭菌应设计在合理的辐射半径范围内。当辐射半径一定时，灭菌率则随辐照历时延长而明显增高。
　　上述分析表明要提高杀菌率必须减小辐射半径而延长辐照历时。在实际运行中，水流经灭菌箱体时的流速v、箱体的断面积A(决定辐射半径)与用水量Q之间的关系为Q=vA；灭菌箱体长度L与水流速度v、辐照历时t之间的关系为L=vt。在水量一定时，增大断面积A，可减小流速v。降低流速v意味着流过L长度所需时间延长，水在灭菌箱中的辐照历时延长，有利于灭菌率，但同时因断面积A增大，使辐射半径增大，又不利于提高灭菌率。
　　因此，应该在按设计秒流量计算出的流量条件下，依据静态试验结果，选择最佳的辐射半径和辐照历时设计动态装置。
3.2　动态试验结果分析
　　动态装置的杀菌率随流量的增大而降低，但只要流量在设计秒流量范围内，出水的细菌学指标都能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)。装置的设计秒流量为5.14 L/s，其尺寸足以保证水流经灭菌箱时的停留时间。另外，当原水中细菌总数为210 个/mL、大肠菌数为140个/L、出水量为7.04 L/s(超过设计秒流量)时，出水细菌总数为24 个/mL、大肠菌数为2 个/L，仍能满足细菌学指标要求，说明该装置具有相当的抗冲击负荷能力。

4　结论

　　根据静态试验的参数及建筑给水设计秒流量计算设计出的动态装置，能够满足高层建筑用户用水时对调节水箱出水的二次消毒要求，其水质细菌学指标达到国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)。由于紫外线消毒不产生二次污染，保证了用水的安全性和消毒场所的安全性，尤其是该装置采用了自动水力开关系统，可根据用户用水与否、用水量大小自动启闭装置内的紫外线灯管电路，实现了自动运行，并节省电耗。该装置进、出水口的合理布置使调节水箱不再形成死水区，改善了水箱水质。装置的特定接头和浸没式安装，不需改动原调节水箱的管道，方便于在原调节水箱(水池)内安装。

参考文献：

　　［1］傅金祥，金成清，赵玉华.居民区生活饮用水二次污染及防治对策研究［J］.给水排水，1998，24(7)：55-59.
　　［2］Jennifer L Clancy.UV rises to the cryptosporidium challenge［J］.Water 21,2000,(10)：14-16.

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　　收稿日期：2001-06-05