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紫外線消毒器消毒原理                                                   

石家莊凌卓 

1.1 什么是紫外光？

    紫外線（UV）是波長(zhǎng)在100－400納米（nm）之間的電磁波。殺菌消毒波長(zhǎng)在200－300nm的光譜區(qū)域。低壓汞燈放射可以輸出波長(zhǎng)為253.7nm的單頻射線。中壓汞燈可以輸出能夠消毒的不同波長(zhǎng)的多頻射線。

1.2殺菌與消毒

 消毒是將病原體（引起疾病的微生物）減少到無(wú)傳染的水平，而殺毒是殺死所有的活細(xì)胞和病毒菌素。

1.3 紫外光是怎樣消毒的

微生物在紫外光的照射下發(fā)生光化反應(yīng)破壞微生物的核酸使其失去活性。

細(xì)胞的DNA和RNA吸收短波UV發(fā)射的高能量。吸收波長(zhǎng)大部分在240－280nm的范圍內(nèi)的UV能量，這將導(dǎo)致在臨近的核苷之間形成新的結(jié)合物，在核酸內(nèi)創(chuàng)造了雙結(jié)構(gòu)或二聚物。

DNA中的胸腺嘧啶經(jīng)過(guò)光化學(xué)的破壞，相臨的嘧啶產(chǎn)生二聚作用。細(xì)菌和病毒菌素的DNA中多數(shù)胸腺嘧啶二聚物的形成阻止了復(fù)制和zui終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。

    細(xì)胞的破壞程度取決于微生物對(duì)UV能量的吸收（劑量）和對(duì)UV的抵抗力。通常，細(xì)菌比病毒菌素更容易感光，原生寄生蟲如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲對(duì)UV的敏感度比細(xì)菌更高。陰性桿菌比陽(yáng)性球菌和細(xì)菌更具有感光性。

1.4 影響紫外消毒的原因

UV消毒受下列因素影響：

Ÿ 污水水質(zhì)

Ÿ 微生物失活動(dòng)力學(xué)

Ÿ 消毒器/燈結(jié)構(gòu)

Ÿ 燈管壽命和套管結(jié)垢

溫度和PH不會(huì)影響UV消毒。

污水的水質(zhì)

通常影響UV強(qiáng)度的污水參數(shù)是：

UV 穿透率（％T），由于水中存在著吸收UV光的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物。

總懸浮物（TSS）或更確切地說(shuō)是構(gòu)成TSS的顆粒的特性，例如：

1 粒子尺寸的分布

2 每個(gè)尺寸內(nèi)顆粒數(shù)目，

3 顆粒的光學(xué)性質(zhì)。

紫外穿透率

UV 穿透率（UVT或％T）是污水傳輸U(kuò)V光的能力的一個(gè)度量。它既是污水的一個(gè)水質(zhì)參數(shù)又是UV設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的決定因素。具有高UVT的污水，需要較少的UV能量就可消毒。

排放污水UV穿透率的降低會(huì)導(dǎo)致通過(guò)污水的UV強(qiáng)度的降低。由于UV劑量＝強(qiáng)度x曝光時(shí)間，因此水對(duì)UV的吸收而減少的強(qiáng)度可以通過(guò)增加曝光時(shí)間、增加消毒器內(nèi)燈的數(shù)量或增加燈的光強(qiáng)（通過(guò)增加燈的輸入功率或使用輸出功率更高的燈管）來(lái)補(bǔ)償。

 UV穿透率是在254nm波長(zhǎng)下用一個(gè)UV分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量的。在一厘米厚石英試管中的樣品的穿透率的讀數(shù)與純水中穿透率（設(shè)置為100％）的百分比。一個(gè)60％UVT意味著進(jìn)入套管的強(qiáng)度，通過(guò)一厘米厚的試管樣品污水后，數(shù)值已經(jīng)降到60％。

當(dāng)存在吸收UV的物質(zhì)和/或吸收或散射UV光的顆粒時(shí)，穿透率會(huì)降低。這會(huì)導(dǎo)致可以用來(lái)消毒的紫外能量的降低。

污水紫外穿透率也取決于工業(yè)廢水在總的處理流量的中相對(duì)含量。對(duì)UV穿透率有影響的工業(yè)廢水包括紡織、印刷、紙漿和紙、食品加工、雞禽肉類加工、照片和化工制造等。這些工業(yè)廢水中存在吸收UV的粒子、可溶解的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，這樣將減少穿透率

處理工藝中使用的化學(xué)品也可能影響UVT。污水處理工藝可能會(huì)用金屬鹽來(lái)強(qiáng)化固體的清除、磷酸鹽的減少和氣味的控制?？扇芙獾匿X鹽不會(huì)影響UV穿透率，含鋁的絮凝固體相對(duì)于不含鋁的類似的粒子并沒顯示對(duì)UV消毒抗性的增加。

水中的鐵直接吸收UV，在套管表面結(jié)垢、并可附著在懸浮粒子和細(xì)菌群落上形成一個(gè)防護(hù)罩。當(dāng)與固體顆粒相關(guān)的鐵增加時(shí)，會(huì)增加對(duì)輸入的UV能量的要求。

污水穿透率還取決于上游處理工藝。通常，懸浮式增長(zhǎng)工藝處理的污水穿透率范圍在60%－65%左右。固定膜處理工藝的紫外穿透率范圍在50%－55%左右，而爆氣工藝處理的穿透率只有35%－45%左右。

總懸浮物 （TSS）

總懸浮物是由不同數(shù)目和大小的負(fù)載細(xì)菌的顆粒組成。顆粒保護(hù)了其內(nèi)部的細(xì)菌，所以在TSS高的情況下，使得UV消毒和化學(xué)消毒較為困難。TSS含量高的污水中一般也會(huì)有比較大的顆粒，這將使其消毒更加困難。另外，固體中鐵的含量的增加會(huì)導(dǎo)致隊(duì)細(xì)菌的屏蔽保護(hù)。粒子的保護(hù)直接與顆粒的數(shù)目、大小分布、細(xì)菌濃度和顆粒中化學(xué)成分有關(guān)。顆粒還通過(guò)在污水中吸收和散射UV光而減少UV強(qiáng)度。這些因素導(dǎo)致污水中UV需求的增加。

污水中顆粒尺寸分布的測(cè)量被用于指示過(guò)濾和澄清處理的性能。通常，顆粒大小與上游污水處理工藝有關(guān)。沉淀和過(guò)慮導(dǎo)致固體顆粒數(shù)目和平均大小的減少。較小的顆粒是很容易被消毒的，除非它們負(fù)載鐵或具有較高的光學(xué)密度。

微生物失活動(dòng)力學(xué)－UV劑量作用曲線

    如下圖所示，低的UV劑量通?？梢詫?dǎo)致細(xì)菌數(shù)的迅速降低。細(xì)菌存活數(shù)的對(duì)數(shù)和紫外劑量間的線性關(guān)系體現(xiàn)了典型的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

高劑量時(shí)的非線性或尾巴的存在是由于顆粒里細(xì)菌被顆粒提供的屏蔽層保護(hù)起來(lái)，因此需要較高的UV劑量穿透和滅活顆粒中的細(xì)菌。

當(dāng)顆粒濃度較高時(shí)，消毒存在某一限值，超過(guò)此限值的滅活不能經(jīng)濟(jì)的獲得。這是因?yàn)橛行╊w粒太大，或?qū)V不透光使得有效的UV劑量不能被傳輸?shù)竭@些顆粒的zui內(nèi)部的細(xì)菌使其失活。當(dāng)進(jìn)行微生物計(jì)數(shù)時(shí)，在粒子中生存的細(xì)菌導(dǎo)致那個(gè)粒子的一個(gè)細(xì)菌計(jì)數(shù)。對(duì)這些顆粒核心中的微生物進(jìn)行滅活時(shí)使用額外的紫外劑量的效果很小。

在上述情況下，改善上游的處理提高污水質(zhì)量將有極大的好處，可以大大減少達(dá)到某一消毒指標(biāo)時(shí)需要的紫外劑量和投資。

沉淀和過(guò)慮可以降低TSS水平（顆粒尺寸和數(shù)目）。下圖表明過(guò)濾可以減少達(dá)到要求的消毒目標(biāo)時(shí)所需要的紫外劑量。

UV設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    UV消毒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得在設(shè)計(jì)處理流量、水質(zhì)和達(dá)到一定目標(biāo)劑量時(shí)所需UV燈的數(shù)目zui小。系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)紫外能的有效利用率并降低水頭損失。

燈管布置用來(lái)控制石英套管周圍的水層，對(duì)于被處理污水在水頭損失限制內(nèi)提供*的紫外輻射強(qiáng)度分布。

燈管壽命和套管結(jié)垢

由于燈管老化和套管結(jié)垢，UV光強(qiáng)隨著時(shí)間和使用逐漸衰減。這一因素已在設(shè)計(jì)中予以考慮，因此保證系統(tǒng)在UV燈運(yùn)行壽命內(nèi)維持需要的UV劑量。

為保證系統(tǒng)性能，燈管應(yīng)在燈管達(dá)到保證壽命后進(jìn)行更換。

燈管實(shí)際使用壽命取決于消毒期間劑量同步控制時(shí)燈管開關(guān)（ON/OFF）的頻率。系統(tǒng)中均衡的強(qiáng)度可以通過(guò)一個(gè)階段性更換燈管的安排來(lái)實(shí)施。

石英套管表面無(wú)機(jī)和有機(jī)物顆粒的積累降低了進(jìn)入周圍水體中的UV光的強(qiáng)度。結(jié)垢快慢取決于污水處理工藝和污水成分，在鐵、鈣和鎂離子的濃度較高時(shí)一般結(jié)垢速率高。

紫外線消毒系統(tǒng)可帶有套管手動(dòng)清洗或自動(dòng)清洗裝置，從而大大地提高了燈管透光殺菌率并降低了使用者的維護(hù)時(shí)間和勞動(dòng)力。