DR型紫外線消毒器最佳工藝參數的試驗研究

楊杉　楊冬梅　張吉庫　孫宇

【摘 要】本文采用的是強化反射、導流式的DR型紫外線消毒器進行消毒實驗。通過改變紫外線照射強度和原水在消毒器內的停留時間，來控制紫外線劑量的大小，進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化作用，綜合消毒和節能的效果，確定最佳的工藝參數。

【關鍵詞】紫外線消毒；工藝參數；滅活效果；大腸桿菌；枯草芽孢桿菌

0 引言

隨著我國經濟的發展和國民生活水平的提高，人們對飲用水水質要求越來越高，傳統消毒工藝不能滿足日益提高的公共安全衛生標準，紫外線消毒技術越來越受到水處理行業的認可。本課題引入一種新型消毒器——DR型紫外線消毒器，D代表導流式（diversion），R代表反射（reflect）。它采用了全新的導流式設計，能夠減小水層厚度，避免短流現象的發生 [1]。另外，反射材料可以提高紫外線的輻射強度，本課題在消毒容器內壁增加拋光鋁反光板，以提高消毒效率，節省時間和能源。

1 實驗裝置與方法

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，外部筒體和內部核心構件。外部筒體采用有機玻璃制成，底端設進水口，對側頂端設出水口，出水口下方設5個等間距的取樣口。內部核心結構是一個整體，由法蘭盤，石英套管，中心柱，承托底座等構成。法蘭盤與外部筒體連接，其上外環均勻設置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壁上。儀器具體參數所示。

水箱中配置好的原水通過自吸泵流入消毒器的進水口，中途用流量計控制進水流量。水在消毒器內流動過程中開啟燈管進行消毒，消毒后再從對側上端的出水口流出。在5個取樣口分別取水進行細菌檢測。其中電控箱上有6個按鈕，分別與6個燈管對應連接，用來控制燈管的啟閉情況。

1.2 實驗方法

實驗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，它是由紫外線強度和照射時間共同決定的。兩者乘積即為紫外線劑量[2]。用數學表達式為：

I—紫外線強度，mW/cm2；

t—輻射時間，本試驗指水力停留時間，s。

紫外線強度是由開啟的燈管數控制的，本實驗分別開啟2個對位燈管、4個等間距燈管和全部6個燈管時，對應的紫外線強度分別為I2=1.28mW/cm2、I4=2.72mW/cm2、I6=4.41 mW/cm2。紫外線強度的值是用UVC-254型紫外線強度儀在儀器內部不同角度放置進行多次測試的結果取平均值得到的。紫外線照射時間是由裝置的進水流量決定的。本實驗通過調節流量計將流量分別控制在2m3/h、1m3/h、0.75m3/h。不同流量下不同的水力停留時間與三種紫外線強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，數學表達式為：

式中：V—微生物去除率；

N0—消毒前，水中微生物的數量；

N—消毒后，水中微生物的數量。

水樣中大腸桿菌與枯草芽孢桿菌的計數方法分別采用品紅亞硫酸鈉濾膜法和平板計數法。

2 實驗結果及討論

2.1 不同紫外線劑量與大腸桿菌去除率的關系

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

綜合三組實驗，紫外線劑量達到26.88～30.87mJ/cm2，大腸桿菌去除率達到99%以上，繼續增加到35.28 mJ/cm2時，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于枯草芽孢桿菌[]。紫外線強度I2=1.28mW/cm2，當水力停留時間長達25s，枯草芽孢桿菌去除率達到90%。紫外線強度I4=2.72mW/cm2，停留時間達到11s附近，枯草芽孢桿菌去除率達到90%。23s左右，去除率達到99%，此時紫外線劑量為62.56 mJ/cm2。紫外線強度I6=4.41 mW/cm2，停留時間只需7s就能達到90%的去除率，15s左右去除率已達到99%以上，此時的紫外線劑量為67.91mJ/cm2。綜合三組實驗，紫外線劑量為62.56～67.91mJ/cm2附近時，枯草芽孢桿菌的去除率可以達到99%。

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

3 DR型紫外線消毒器最佳參數的確定

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，所以，一般用能近似代表水樣中細菌總數的枯草芽孢桿菌，作為指示生物衡量紫外線消毒效果。最新版《生活飲用水衛生標準》中規定，大腸桿菌群在飲用水中不得檢出，細菌總數不得超過100CFU/ml[4]。針對本實驗原水中10000CFU/ml左右的水質，紫外線劑量達到35.28 mJ/cm2時，大腸桿菌去除率達100%。紫外線劑量繼續增加到67.91mJ/cm2時，枯草芽孢桿菌去除率達到99%，這時細菌總數不超過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為紫外線劑量為67.91 mJ/cm2，即6個燈管全部開啟，停留時間為15s。

4 結論

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

2）枯草芽孢桿菌比大腸桿菌有更強的抵御紫外線的能力，更難滅活。衡量紫外線消毒效果應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到飲用水衛生標準的最佳紫外線劑量是67.91mJ/cm2，即6個燈管全部開啟，停留時間為15s。

【參考文獻】

[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.紫外線消毒反應器的生物驗證試驗研究[J].中國給水排水，2008 （1）：48-50.

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

[4]朱曉輝，郄燕秋，劉文君，呂東明. 新《生活飲用水衛生標準》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.

[責任編輯：張濤]