DR型紫外線消毒器最佳工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究

楊杉　楊冬梅　張吉庫　孫宇

【摘 要】本文采用的是強(qiáng)化反射、導(dǎo)流式的DR型紫外線消毒器進(jìn)行消毒實(shí)驗(yàn)。通過改變紫外線照射強(qiáng)度和原水在消毒器內(nèi)的停留時(shí)間，來控制紫外線劑量的大小，進(jìn)而研究不同紫外線劑量下消毒器對枯草芽胞桿菌和大腸桿菌的去除效果，以及反射材料對紫外線的強(qiáng)化作用，綜合消毒和節(jié)能的效果，確定最佳的工藝參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】紫外線消毒；工藝參數(shù)；滅活效果；大腸桿菌；枯草芽孢桿菌

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活水平的提高，人們對飲用水水質(zhì)要求越來越高，傳統(tǒng)消毒工藝不能滿足日益提高的公共安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，紫外線消毒技術(shù)越來越受到水處理行業(yè)的認(rèn)可。本課題引入一種新型消毒器——DR型紫外線消毒器，D代表導(dǎo)流式（diversion），R代表反射（reflect）。它采用了全新的導(dǎo)流式設(shè)計(jì)，能夠減小水層厚度，避免短流現(xiàn)象的發(fā)生 [1]。另外，反射材料可以提高紫外線的輻射強(qiáng)度，本課題在消毒容器內(nèi)壁增加拋光鋁反光板，以提高消毒效率，節(jié)省時(shí)間和能源。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 DR型紫外線消毒器

DR型紫外線消毒器整體分為兩部分，外部筒體和內(nèi)部核心構(gòu)件。外部筒體采用有機(jī)玻璃制成，底端設(shè)進(jìn)水口，對側(cè)頂端設(shè)出水口，出水口下方設(shè)5個(gè)等間距的取樣口。內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體，由法蘭盤，石英套管，中心柱，承托底座等構(gòu)成。法蘭盤與外部筒體連接，其上外環(huán)均勻設(shè)置6支石英套管，6支紫外線燈放置于石英套管中，燈管功率均為20W。筒形拋光鋁反光板附著在外部筒體的內(nèi)壁上。儀器具體參數(shù)所示。

水箱中配置好的原水通過自吸泵流入消毒器的進(jìn)水口，中途用流量計(jì)控制進(jìn)水流量。水在消毒器內(nèi)流動(dòng)過程中開啟燈管進(jìn)行消毒，消毒后再從對側(cè)上端的出水口流出。在5個(gè)取樣口分別取水進(jìn)行細(xì)菌檢測。其中電控箱上有6個(gè)按鈕，分別與6個(gè)燈管對應(yīng)連接，用來控制燈管的啟閉情況。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原水是在裝有自來水的水箱中分別加入一定濃度的大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的菌液配制而成的。紫外線消毒效果取決于紫外線劑量的多少，它是由紫外線強(qiáng)度和照射時(shí)間共同決定的。兩者乘積即為紫外線劑量[2]。用數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I—紫外線強(qiáng)度，mW/cm2；

t—輻射時(shí)間，本試驗(yàn)指水力停留時(shí)間，s。

紫外線強(qiáng)度是由開啟的燈管數(shù)控制的，本實(shí)驗(yàn)分別開啟2個(gè)對位燈管、4個(gè)等間距燈管和全部6個(gè)燈管時(shí)，對應(yīng)的紫外線強(qiáng)度分別為I2=1.28mW/cm2、I4=2.72mW/cm2、I6=4.41 mW/cm2。紫外線強(qiáng)度的值是用UVC-254型紫外線強(qiáng)度儀在儀器內(nèi)部不同角度放置進(jìn)行多次測試的結(jié)果取平均值得到的。紫外線照射時(shí)間是由裝置的進(jìn)水流量決定的。本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)流量計(jì)將流量分別控制在2m3/h、1m3/h、0.75m3/h。不同流量下不同的水力停留時(shí)間與三種紫外線強(qiáng)度可以組合出多種紫外線劑量，用來觀察消毒效果的變化趨勢。一般消毒效果用去除率來表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：V—微生物去除率；

N0—消毒前，水中微生物的數(shù)量；

N—消毒后，水中微生物的數(shù)量。

水樣中大腸桿菌與枯草芽孢桿菌的計(jì)數(shù)方法分別采用品紅亞硫酸鈉濾膜法和平板計(jì)數(shù)法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同紫外線劑量與大腸桿菌去除率的關(guān)系

大腸桿菌去除率隨紫外線劑量的增加而增加。開2個(gè)位置相對的燈管時(shí)，即紫外線強(qiáng)度I2=1.28mW/cm2，當(dāng)水力停留時(shí)間達(dá)到11s附近，大腸桿菌去除率達(dá)到90%。11s之后，去除率上升趨勢減緩，停留時(shí)間達(dá)到21s左右，去除率能達(dá)到99%，這時(shí)紫外線劑量為26.88mJ/cm2。開啟4個(gè)等間距放置的燈管時(shí)，即紫外線強(qiáng)度I4=2.72mW/cm2，停留時(shí)間達(dá)到7s附近，大腸桿菌去除率達(dá)到90%。10s左右，去除率就能到99%，此時(shí)紫外線劑量為27.2 mJ/cm2。6支燈管全開時(shí)，即紫外線強(qiáng)度I6=4.41 mW/cm2，停留時(shí)間短短5s就能達(dá)到90%的去除率，7s左右去除率已達(dá)到99%以上，此時(shí)的紫外線劑量為30.87 mJ/cm2。

綜合三組實(shí)驗(yàn)，紫外線劑量達(dá)到26.88～30.87mJ/cm2，大腸桿菌去除率達(dá)到99%以上，繼續(xù)增加到35.28 mJ/cm2時(shí)，大腸桿菌100%去除。

2.2 不同紫外線劑量與枯草芽孢桿菌去除率的關(guān)系

與大腸桿菌類似，紫外線照射初期，枯草芽孢桿菌的去除率隨照射劑量的增加而增大，但大腸桿菌滅活效果要優(yōu)于枯草芽孢桿菌[]。紫外線強(qiáng)度I2=1.28mW/cm2，當(dāng)水力停留時(shí)間長達(dá)25s，枯草芽孢桿菌去除率達(dá)到90%。紫外線強(qiáng)度I4=2.72mW/cm2，停留時(shí)間達(dá)到11s附近，枯草芽孢桿菌去除率達(dá)到90%。23s左右，去除率達(dá)到99%，此時(shí)紫外線劑量為62.56 mJ/cm2。紫外線強(qiáng)度I6=4.41 mW/cm2，停留時(shí)間只需7s就能達(dá)到90%的去除率，15s左右去除率已達(dá)到99%以上，此時(shí)的紫外線劑量為67.91mJ/cm2。綜合三組實(shí)驗(yàn)，紫外線劑量為62.56～67.91mJ/cm2附近時(shí)，枯草芽孢桿菌的去除率可以達(dá)到99%。

2.3 外加強(qiáng)化反射材料對消毒效果的影響

拋光鋁板作為一種反射材料，附著在消毒器內(nèi)壁筒體上，可以對紫外線起到強(qiáng)化反射的作用，從而提高紫外線強(qiáng)度。同樣開啟6個(gè)燈管時(shí)，有無鋁板對大腸桿菌的消毒效果影響的對比。停留時(shí)間在4s以內(nèi)，外加鋁板后去除率提高幅度較大，能達(dá)到16%～29%。之后，隨著停留時(shí)間增加，去除率提高幅度減小，5s時(shí)，外加鋁板使去除率提高了8%，增加到10s時(shí)，去除率僅提高了1%。不加鋁板時(shí)，使大腸桿菌的去除率達(dá)到100%需要15s，而加鋁板后只需10s。由此看來，相同條件下，外加鋁板后消毒時(shí)間有所縮短，起到了節(jié)約能耗，提高效率的作用。

3 DR型紫外線消毒器最佳參數(shù)的確定

是否能消滅芽孢是衡量各種消毒滅菌手段的最重要的指標(biāo)，所以，一般用能近似代表水樣中細(xì)菌總數(shù)的枯草芽孢桿菌，作為指示生物衡量紫外線消毒效果。最新版《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，大腸桿菌群在飲用水中不得檢出，細(xì)菌總數(shù)不得超過100CFU/ml[4]。針對本實(shí)驗(yàn)原水中10000CFU/ml左右的水質(zhì)，紫外線劑量達(dá)到35.28 mJ/cm2時(shí)，大腸桿菌去除率達(dá)100%。紫外線劑量繼續(xù)增加到67.91mJ/cm2時(shí)，枯草芽孢桿菌去除率達(dá)到99%，這時(shí)細(xì)菌總數(shù)不超過100CFU/ml，符合要求。

由此得出，本消毒器在飲用水處理中的最佳參數(shù)為紫外線劑量為67.91 mJ/cm2，即6個(gè)燈管全部開啟，停留時(shí)間為15s。

4 結(jié)論

1）拋光鋁板能起到強(qiáng)化反射紫外線的作用，使消毒時(shí)間縮短1/3左右，提高了消毒的效率，節(jié)約了電耗。

2）枯草芽孢桿菌比大腸桿菌有更強(qiáng)的抵御紫外線的能力，更難滅活。衡量紫外線消毒效果應(yīng)以枯草芽孢桿菌為指示生物。

3）DR型紫外線消毒器能使出水達(dá)到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的最佳紫外線劑量是67.91mJ/cm2，即6個(gè)燈管全部開啟，停留時(shí)間為15s。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張永吉，劉文君.紫外線對自來水中微生物的滅活作用[J].中國（下轉(zhuǎn)第185頁）（上接第318頁）給水排水，2005（09）.

[2]李張卿，劉文君，孫文俊，等.紫外線消毒反應(yīng)器的生物驗(yàn)證試驗(yàn)研究[J].中國給水排水，2008 （1）：48-50.

[3]張吉庫，楊燕斌，王曉梅，王吉?jiǎng)? CS型紫外線消毒器對城市污水消毒效果研究[J]. 節(jié)能，2012 （11）：48-51.

[4]朱曉輝，郄燕秋，劉文君，呂東明. 新《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》揭示了飲用水安全消毒的必要性[J].中國給水排水，2008，34（11）：25-26.

[責(zé)任編輯：張濤]