出自：《楓林學(xué)苑—同濟(jì)大學(xué)博士生論文集》 (ISBN 7-5439-1531-6/T.597) ， Vol IV ， pp367-371 ，上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社
發(fā)表時(shí)間：2000-6

高乃云 彭海清 范瑾初
（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

　　摘要 近年來(lái)，紫外線消毒在給永工程中得到較多的應(yīng)用．本文針對(duì)紫外線淮毒的特點(diǎn)，就紫外線；苣毒原理和優(yōu)缺點(diǎn)加以闡述．對(duì)消毒器的設(shè)計(jì)，從構(gòu)造形式， Uv 劑量，原水水質(zhì)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面予以介紹，以期提高消毒效果。
　　關(guān)鍵詞 紫外線 消毒器 UV 劑量 低壓汞燈 輻射紫外線 (UV) 消毒的特點(diǎn)是所需時(shí)間很短，可以在以秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)有效地殺滅水中的細(xì)菌和病毒，與其它方法相比，既經(jīng)濟(jì)又安全，因此經(jīng)常用在供氯不方便、小型給水以及特種工業(yè)用水，如制藥和化妝品工業(yè)的循環(huán)蒸餾水、啤酒生產(chǎn)用水和瓶裝飲用水的消毒。

一、外線消毒原理

　　紫外線是一種電磁波，波譜可以分成四區(qū)：真空 UV 、 UV-A 、 UV-B 和 UV-C 。 UV-A又稱(chēng)長(zhǎng)波 UV ，波長(zhǎng)介于 325 和 390nm 之間，很少有殺菌價(jià)值。 UV-B 又稱(chēng)中波 UV ，波長(zhǎng)介于 295 和 325nm 之間，如熒光燈發(fā)出的波。太陽(yáng)光中也有中波，如果充分曝曬，也有殺菌作用。 UV-C 或稱(chēng)短波 UV ，能有效殺菌，最佳的 UV 殺菌作用是在波長(zhǎng) 265nm 處。地球表面上天然 LW-C 的是極少的，所以須采用其它方法產(chǎn)生 UV 光。這就是紫外線殺菌燈，它的殺菌波長(zhǎng)是 253 ． 7nm ，非常接近于 265nm 時(shí)的最佳殺菌效果。飲用水消毒中的微生物有細(xì)菌、病毒、真菌、原生動(dòng)物和藻類(lèi)等。微生物是由細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞基因物質(zhì)、核酸等組成。 UV 對(duì)基因物質(zhì)或 DNA( 脫氧核糖核酸 ) 產(chǎn)生影響。當(dāng) UV 光透射過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜時(shí)，可將微生物 DNA 的分子重新排歹：．于是微生物不能繁殖。如果細(xì)胞不能繁殖，微生物就趨于死亡。

二、紫外線消毒的優(yōu)缺點(diǎn)

　　紫外線消毒的優(yōu)點(diǎn)是 〔 1 〕 ：對(duì)環(huán)境無(wú)害，無(wú)需運(yùn)輸和貯存危險(xiǎn)藥劑，水中不投加化學(xué)藥劑，無(wú)消毒副產(chǎn)物，水的嗅味、 pH 或?qū)щ娦缘炔黄鹱兓子谧詣?dòng)化操作，維護(hù)簡(jiǎn)便，只需定期清洗和更換燈管，初期投資低，運(yùn)行費(fèi)用低于臭氧和氯消毒時(shí)。與氯和臭氧消毒時(shí)的比較見(jiàn)表 1 。
　　紫外線消毒的缺點(diǎn)是：所處理水中不能含有可掩護(hù)微生物免受紫外線輻射的顆粒物質(zhì)，處理后水缺乏剩余消毒能力。紫外線輻射只能消滅不可見(jiàn)的微生物，也就是說(shuō)，不能使肉眼可見(jiàn)的微生物死亡。

三、紫外線消毒器

　　國(guó)內(nèi)外已有多種型號(hào)的紫外線消毒器產(chǎn)品，構(gòu)造各有特色，適用的流量范圍很廣。消毒器的主要組成部分是光源和反應(yīng)室，光源用以產(chǎn)生輻射消毒所需的能量，反應(yīng)室提供輻射消毒所需的水流接觸時(shí)間。
1．光源
　　作為紫外線殺菌的輻射光源，應(yīng)在其殺菌光譜范圍內(nèi)有較高的輻射功率，并且耗電省。目前采用兩種光源，即殺菌效率 ( 所放出的殺菌能量與燈管、鎮(zhèn)流器等所耗總電能之比 )在 90 ％以上的低壓汞燈以及效率在 6 ～ 12 ％的中高壓汞燈。

表1 UV、Cl₂和O₃的比較

　　低壓汞燈的構(gòu)造和操作方式，與熒光燈相類(lèi)似，唯一的差別是汞燈用石英或其它透過(guò)紫外線的玻璃做成燈管，而熒光燈用普通玻璃燈管，且管壁內(nèi)有熒光涂層，將紫外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光。紫外線的殺菌效果在波長(zhǎng)介于 250 ～ 265nm 時(shí)為最大，但在波長(zhǎng) 290 — 300nm 時(shí)突然下降，而低壓汞燈在波長(zhǎng)為 253 ． 7nm 時(shí)輸出最大的輻射能量，所以是理想的殺菌光源。在科學(xué)研究和水處理工程中應(yīng)用最廣。高壓汞燈的輻射功率衰減較快，比低壓汞燈約快 10 倍以上，影響了高壓汞燈的運(yùn)行時(shí)間，中壓和高壓汞燈雖然有很大的輻射功率，但是它的老化速度比低壓汞燈為快。各種汞燈都應(yīng)配以合適的鎮(zhèn)流器，低壓汞燈應(yīng)有合適的啟動(dòng)器。鎮(zhèn)流器的主要作用是限制汞燈的操作電流在額定值范圍內(nèi)。鎮(zhèn)流器應(yīng)工作有效，保證汞燈的較長(zhǎng)使用壽命，保證在輸入電壓波動(dòng) i10 ％時(shí)還能穩(wěn)定運(yùn)行。

2．反應(yīng)室 [2]

　　水處理用的紫外線消毒器可以連續(xù)運(yùn)行或間歇運(yùn)行。它由紫外光源 ( 一個(gè)或多個(gè)紫外燈管 ) 和反應(yīng)室組成。在光源輻射下在反應(yīng)室中完成光化學(xué)反應(yīng)，可使水中的微生物死亡。反應(yīng)室可以做成水面式或淹沒(méi)式，根據(jù)水流條件又可分成重力式和壓力式。常用的是在壓力下運(yùn)行的淹沒(méi)式。淹沒(méi)式可將紫外燈管直接放在水中，如小型紫外線飲用水消毒器。但低壓汞燈在溫度為 40~C 左右時(shí)，使用效果較好。如直接浸在水中，因水溫過(guò)低輻射功率會(huì)大大衰減，影響殺菌效果。所以比較合適的做法是將低壓汞燈放在能透過(guò)紫外光的石英套管內(nèi)，以免與水直接接觸。水面式消毒器一般在反應(yīng)室上方，設(shè)置圓形或拋物線形反射罩和低壓汞燈，汞燈在水面：不和水接觸，消毒器在重力下運(yùn)行。鋁是反射罩的最合適材料，優(yōu)點(diǎn)是易于成型、輕巧、反射能力強(qiáng)，如鋁的質(zhì)地純凈還可防腐蝕。反應(yīng)室設(shè)計(jì)時(shí)，流量是決定性的因素，不能估計(jì)過(guò)大：因?yàn)榉磻?yīng)室中的水流停留時(shí)間很短，不希望流量頻繁變動(dòng)而影響消毒效果。實(shí)用上應(yīng)盡量保持穩(wěn)定的流量，至少不應(yīng)超過(guò)最大流量。此外，由于光照強(qiáng)度隨著與汞燈距離的平方而衰減，所以反應(yīng)室的大小應(yīng)考慮室內(nèi)各點(diǎn)的水流能獲得足夠的輻射能量。

3． UV 劑量

　　為保證紫外線有效殺菌必須有充分的輻射強(qiáng)度 I 和足夠的光照時(shí)間 t ，兩者的乘積稱(chēng)為 UV 劑量，它是紫外線消毒器的主要設(shè)計(jì)因素〔3〕：

　　D=It

　　式中：Ｄ－UV劑量，mW·S/cm2；
　　　　　I——單位面積的輻射能量，或輻射功率除以汞燈管表面積，mW/cm2；
　　　　　t-時(shí)間，s。

　　所處理的水質(zhì)相同時(shí)，采用高輻射強(qiáng)度的光源作用較短時(shí)間，與低輻射強(qiáng)度的光源作用較長(zhǎng)時(shí)間相比，只要 UV 劑量相同，殺菌效果是相接近的：UV 劑量和微生物殘存比的關(guān)系見(jiàn)表 2 ，可見(jiàn) UV 劑量越大，剩余的微生物比例越小。

四、進(jìn)水水質(zhì)要求

根據(jù)光化學(xué)作用的原理，殺滅微生物的能量等于被微生物吸收的能量，如果有足夠的紫外線輻射能量與微生物接觸，就可將水消毒到任何所需的程度。因此，所處理水中不應(yīng)有可掩護(hù)微生物的顆粒物質(zhì)，以免降低輻射能量和消毒效果。為了保證紫外線的有效殺菌作用，必須將原水預(yù)處理，如混凝、沉淀、過(guò)濾等，以去除懸浮物、膠體和金屬離子后再用紫外線消毒。如果水質(zhì)已達(dá)到要求，例如過(guò)濾后水或城市自來(lái)水，即可進(jìn)入紫外線消毒器進(jìn)行消毒。水中的鐵錳可使燈管和石英套管產(chǎn)生銹斑，需要適當(dāng)預(yù)處理以消除銹斑問(wèn)題。鈣和鎂硬度也會(huì)使燈管和石英套管的表面結(jié)垢，根據(jù)水質(zhì)情況可適當(dāng)加以處理。紫外燈管的最佳操作溫度約在 40 ℃ 左右，當(dāng)水溫過(guò)高或過(guò)低時(shí)紫外光的輻射能量會(huì)有波動(dòng)。石英套管可將燈管和水分隔開(kāi)宋，不致直接接觸，還可以減輕水溫波動(dòng)時(shí)對(duì)消毒效果的影響。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn) [5]

1. 紫外輻射的波長(zhǎng)宜為 253 ． 7nm ，消毒器中任何點(diǎn)的最小 UV 劑量為 16.0 mW.s ／ cm 2 。
2. 無(wú)論是水面式或淹沒(méi)式消毒器，從燈管表面到消毒器壁的最大水深不宜超過(guò) 7.5cm 。

表2 UV劑量和微生物殘存比關(guān)系

3 ．淹沒(méi)式消毒器中的紫外燈管必須外加石英套管或同樣光學(xué)性質(zhì)的高硅玻璃套管，以保持燈管的合適操作溫度在 40 ℃ 左右。
4 ．在進(jìn)水消毒以前，燈管須有 5min 的預(yù)熱時(shí)間，處理后水才可供飲用。
5 ．消毒器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮不拆開(kāi)就可清洗套管和水的接觸面上所積污物。
6 ．消毒器應(yīng)安裝自動(dòng)流量控制閥，以免進(jìn)水流量超過(guò)最大設(shè)計(jì)流量時(shí)，造成水流停留時(shí)間太短，影響消毒效果。

參考文獻(xiàn)：

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[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