紫外線消毒技術解析

    紫外線（UV）是波長在100－400納米（nm）之間的電磁波。殺菌消毒波長在200－300nm的光譜區域。低壓汞燈放射可以輸出波長為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）減少到無傳染的水平，而殺毒是殺死所有的活細胞和病毒菌素。

1.3 紫外光是怎樣消毒的

微生物在紫外光的照射下發生光化反應破壞微生物的核酸使其失去活性。

細胞的DNA和RNA吸收短波UV發射的高能量。吸收波長大部分在240－280nm的范圍內的UV能量，這將導致在臨近的核苷之間形成新的結合物，在核酸內創造了雙結構或二聚物。

DNA中的胸腺嘧啶經過光化學的破壞，相臨的嘧啶產生二聚作用。細菌和病毒菌素的DNA中多數胸腺嘧啶二聚物的形成阻止了復制和zui終導致細胞的死亡。

    細胞的破壞程度取決于微生物對UV能量的吸收（劑量）和對UV的抵抗力。通常，細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UV的敏感度比細菌更高。陰性桿菌比陽性球菌和細菌更具有感光性。

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

Ÿ 微生物失活動力學

Ÿ 消毒器/燈結構

Ÿ 燈管壽命和套管結垢

溫度和PH不會影響UV消毒。

污水的水質

通常影響UV強度的污水參數是：

UV 穿透率（％T），由于水中存在著吸收UV光的有機和無機化合物。

總懸浮物（TSS）或更確切地說是構成TSS的顆粒的特性，例如：

1 粒子尺寸的分布

2 每個尺寸內顆粒數目，

3 顆粒的光學性質。

紫外穿透率

UV 穿透率（UVT或％T）是污水傳輸UV光的能力的一個度量。它既是污水的一個水質參數又是UV設備設計的一個重要的決定因素。具有高UVT的污水，需要較少的UV能量就可消毒。

排放污水UV穿透率的降低會導致通過污水的UV強度的降低。由于UV劑量＝強度x曝光時間，因此水對UV的吸收而減少的強度可以通過增加曝光時間、增加消毒器內燈的數量或增加燈的光強（通過增加燈的輸入功率或使用輸出功率更高的燈管）來補償。

 UV穿透率是在254nm波長下用一個UV分光光度計來測量的。在一厘米厚石英試管中的樣品的穿透率的讀數與純水中穿透率（設置為100％）的百分比。一個60％UVT意味著進入套管的強度，通過一厘米厚的試管樣品污水后，數值已經降到60％。

當存在吸收UV的物質和/或吸收或散射UV光的顆粒時，穿透率會降低。這會導致可以用來消毒的紫外能量的降低。

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

處理工藝中使用的化學品也可能影響UVT。污水處理工藝可能會用金屬鹽來強化固體的清除、磷酸鹽的減少和氣味的控制。可溶解的鋁鹽不會影響UV穿透率，含鋁的絮凝固體相對于不含鋁的類似的粒子并沒顯示對UV消毒抗性的增加。

水中的鐵直接吸收UV，在套管表面結垢、并可附著在懸浮粒子和細菌群落上形成一個防護罩。當與固體顆粒相關的鐵增加時，會增加對輸入的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目和大小的負載細菌的顆粒組成。顆粒保護了其內部的細菌，所以在TSS高的情況下，使得UV消毒和化學消毒較為困難。TSS含量高的污水中一般也會有比較大的顆粒，這將使其消毒更加困難。另外，固體中鐵的含量的增加會導致隊細菌的屏蔽保護。粒子的保護直接與顆粒的數目、大小分布、細菌濃度和顆粒中化學成分有關。顆粒還通過在污水中吸收和散射UV光而減少UV強度。這些因素導致污水中UV需求的增加。

污水中顆粒尺寸分布的測量被用于指示過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。沉淀和過慮導致固體顆粒數目和平均大小的減少。較小的顆粒是很容易被消毒的，除非它們負載鐵或具有較高的光學密度。

微生物失活動力學－UV劑量作用曲線

    如下圖所示，低的UV劑量通常可以導致細菌數的迅速降低。細菌存活數的對數和紫外劑量間的線性關系體現了典型的一級反應動力學。

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

當顆粒濃度較高時，消毒存在某一限值，超過此限值的滅活不能經濟的獲得。這是因為有些顆粒太大，或對UV不透光使得有效的UV劑量不能被傳輸到這些顆粒的zui內部的細菌使其失活。當進行微生物計數時，在粒子中生存的細菌導致那個粒子的一個細菌計數。對這些顆粒核心中的微生物進行滅活時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量將有極大的好處，可以大大減少達到某一消毒指標時需要的紫外劑量和投資。

沉淀和過慮可以降低TSS水平（顆粒尺寸和數目）。下圖表明過濾可以減少達到要求的消毒目標時所需要的紫外劑量。

過濾和非過濾處理污水的典型紫外劑量作用曲線

UV設備結構設計

    UV消毒器結構的優化設計使得在設計處理流量、水質和達到一定目標劑量時所需UV燈的數目zui小。系統的水動力學優化設計提高系統紫外能的有效利用率并降低水頭損失。

燈管布置用來控制石英套管周圍的水層，對于被處理污水在水頭損失限制內提供*的紫外輻射強度分布。

燈管壽命和套管結垢

由于燈管老化和套管結垢，UV光強隨著時間和使用逐漸衰減。這一因素已在設計中予以考慮，因此保證系統在UV燈運行壽命內維持需要的UV劑量。

為保證系統性能，燈管應在燈管達到保證壽命后進行更換。

燈管實際使用壽命取決于消毒期間劑量同步控制時燈管開關（ON/OFF）的頻率。系統中均衡的強度可以通過一個階段性更換燈管的安排來實施。

石英套管表面無機和有機物顆粒的積累降低了進入周圍水體中的UV光的強度。結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一般結垢速率高。

紫外線消毒系統可帶有套管手動清洗或自動清洗裝置，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時間和勞動力。