中壓紫外線殺菌裝置在鍋爐補給水系統的應用

孫志超，王智慧，許敏

(國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

鍋爐補給水系統在進行水處理時應用化學殺菌劑為殺菌的主要方式，雖然也具備較高殺菌效果，但是系統長時間的運行，細菌會產生較強的耐藥性，殘留的化學物質，會對反滲透裝置的正常運行等產生不良的影響。同時根據相關的研究了解到鍋爐補給水系統想要保障反滲透膜不會被氧化，需要投入大量的還原劑，會產生較高的成本[1]。從很多的系統運行案例上看，系統之所以不能正常運行都是由于還原劑投入不足導致反滲透膜被氧化，進而帶來比較嚴重的后果。中壓紫外殺菌技術選擇的裝置為高強度、長壽命的UVC波段過流式中壓紫外殺菌裝置，該裝置在應用后，無論是從殺菌的效果方面還是經濟效益方面都比較顯著，替代了之前傳統氯化消毒的方式。本研究中將這種中壓紫外殺菌裝置應用到鍋爐補給水系統之中，通過實驗得出這一裝置在殺菌效果、經濟運行方面的結果。

1 中壓紫外殺菌原理及工藝流程

1.1 中壓紫外殺菌技術原理

本文主要使用的中壓紫外殺菌裝置為UVC波段過流式中壓紫外殺菌裝置，254 nm的紫外光能對水體之中的細菌進行有效的破壞和阻止，從而達到殺菌的目的。為了防止細菌出現遺傳、變異、代謝等作用，紫外光還能對核酸—脫氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)起到阻止的效果，防止其細菌與微生物之間合成蛋白質，使得細胞出現分裂，從而達到殺菌的目的。相對于低壓紫外殺菌，中壓紫外殺菌還能發射出更廣的多波長紫外線，對于水體之中的微生物有機體、有機體復制現象等進行有效的破壞。

紫外殺菌的效果好壞直接與細菌所接收的照射劑量呈現正比關系，同時，紫外線的輸出能量、燈的不同類型、光強、應用的時間長短等都與其有著直接的關聯。多普連續紫外光的波長為200～300 nm，照射劑量在進行計算時主要應用以下公式：

從公式中我們可以看出：照射的劑量、照射的時間都與UVC的強度呈現出的聯系比較大，照射的劑量如果越大，那么該裝置消毒的效率也就會提高。細菌能夠接受足夠量的紫外光照射劑量，其通過水體中254 nm處波長紫外透光率輸出光照，在UVC輸出足夠量的氣壓強度、照射的時間，細菌所接收到的劑量隨著透光率的變化而隨著變化[2]。

1.2 鍋爐補給水處理系統紫外殺菌工藝流程

本工程所生產的水源主要是某城市的再生水，再生水的處理方式為：采用石灰軟化的方式進行處理，將其稱為循環冷卻水補充水；使用雙堿法的處理冷卻水之后稱為鍋爐補給水源。經過調查這一水源的水質情況，發現該水中的原水懸浮物、濁度指標、水質等的結果都超過標準值。測試之后水體的透光率達到75%。因此，水體中的細菌含量沒有達到相應的進水細菌指標中的相關要求，鍋爐補給水處理系統進水細菌含量較高。針對某廠水質的情況進行分析，分析結果如表1所示。

表1 某廠水質分析情況

從表1中提到的水質情況、水體透光率來看，中壓紫外殺菌設備在應用時，紫外線有效劑量在40 mJ/cm2以下，殺菌效果比較顯著。

(1)與相關的紫外線殺菌器中使用的燈管進行比較，中壓紫外線燈管所輸出的波長范圍更為廣泛，通過光的氧化作用實現對有機物的分解，從而針對水質進行消毒和殺菌。

(2)中壓紫外線的穿透率較高，甚至高達97%；對于單一的波長紫外線穿透率進行比較，其僅為75%，對于水的覆蓋率也相對較小，殺菌的效果沒有中壓紫外線殺菌設備顯著。

(3)中壓紫外線殺菌設備從體積上看，其相對其他的殺菌設備明顯要小，殺菌率可以高達99%，不會在之后產生二次污染的情況。

(4)中壓紫外燈管的使用壽命較長，具有較高的性能，能夠為支持整個水系統的處理工作提供支持。

2 運行效果及成本

2.1 實驗方法

鍋爐補給水制水系統中安裝的中壓紫外殺菌裝置共1套，安裝在系統的進水母管上、碟片過濾器前的位置上，紫外殺菌裝置連接時主要應用管道法蘭式進行連接。每一套裝置中還有中壓紫外燈，強度在4 kW，每套的設備最大流量為300 t/h，其中還專門設置了小孔，用于觀察紫外燈套管是否發生結垢的現象。為了徹底對鍋爐補給水系統進行細菌的殺毒，需要配置專門的物理清洗系統，即本文主要對DPM物理清洗的系統，該系統可以采用手動啟動的方式，也可以采用閾值自動清洗的工序。每一套的設備上分別預留了CIP清洗閥，這一清洗閥在與化學清洗的裝置進行連接后，共同為鍋爐房進水和出口的安全性、清潔性保護駕護航。應用化學清洗裝置對其進行酸洗工作[3]。紫外燈管的外面還專門設有石英玻璃套管，在該系統停止運行的過程中需要對進行單獨的清洗。

由此可見，中壓紫外線裝置中設有兩個系統，這兩個系統的模式是不同的、是獨立存在的。這些系統的存在和應用能夠發揮出節能的效果，促進整個系統的運行。第一，中壓紫外系統結合所設定的功率開展有序地運行。第二，紫外系統在開啟節能模式時，可以借助水透光率、水流量等進行靈活的調整。當系統在檢測到＞30 t/h的水流量時，紫外系統可以開始自動的投運，從而達到最終的殺菌效果。當系統檢測到＜30 t/h的水流量時，紫外系統將會自動的停止運行，目的就是避免該設備出現過熱的情況發生燒斷的現象，從而帶來更大的風險。實驗時，專門的人員負責對該系統不同位置的水進行無菌抽樣，再將這些不同位置的水樣分別放進無菌取樣袋之中，在一天之內對水樣中的細菌進行分析，最后得出相應的結果[4]。

2.2 實驗結果

2.2.1 紫外劑量越高，殺菌效果越明顯

超濾系統中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置1)中其流量觀察值為：(600±10) t/h。開啟功率的模式，其紫外燈工作的效率呈現越來越高的情況，即為20%、45%、65%、85%、100%，紫外光劑量主要為：15/25/35/45/65 mJ/cm2。針對超濾系統中中壓紫外線殺菌裝置中的進水口和出水口，取樣分析其總的菌落數量。根據相應的觀察我們了解到紫外劑量越高，其殺菌的效果越來越明顯。菌落總數為45 CFU/mL的來水和35 mJ/cm2的紫外劑量，其水菌落總數明顯低于45 CFU/mL的來水和35 mJ/cm2以上的紫外劑量，其殺菌率甚至可以高達100%。

2.2.2 進水流量與殺菌效果之間的關系

以上的超濾系統中中壓紫外線殺菌裝置主要以功率模式進行穩定運行，紫外燈的工作效率控制在65%。進水流量進行全面控制，其水流量假設為對300 t/h、350 t/h、400 t/h、450 t/h、500 t/h、550 t/h、600 t/h。根據進水口和出水口的菌落總數進行取樣分析，發現超濾系統中的紫外線裝置殺菌效果出現了以下的變化。

實驗中了解到：水流量越來越大，殺菌的效果反而會越來越弱。菌落總數為40 CFU/mL 的來水，如果水流量大于600 t/h，在如此高的水流量面前，水菌落總數則小于10 CFU/mL。當紫外燈輸出的功率呈現比較穩定的情況，如果進水的流量小，紫外劑量大，則控制較小的流量可以一定程度上提升殺菌的效果[5]。

2.2.3 紫外線作用區域出現的菌落總數

在進行實驗時，將來水水質進行控制且保持不變，調整8個工況。其一，將所有的中壓紫外線殺菌裝置進行關閉；其二，將超濾(裝置1)中的紫外裝置處于開啟的狀態，其他的都處于關閉的狀態；其三，將超濾(裝置2)中的紫外裝置保持開啟的狀態，其他的裝置則為關閉的狀態；其四，反滲透系統中(裝置1)紫外裝置可以處于開啟的狀態，其他的裝置則為關閉的狀態；其五，反滲透裝置系統中(裝置2)紫外裝置處于開啟的狀態，將其他的裝置進行關閉；其六，將反滲透裝置系統中(裝置3)紫外裝置處于開啟的狀態，其他裝置為關閉的狀態；其七，超濾系統中的(裝置1)和超濾系統中的(裝置2)紫外殺菌裝置共同開啟，將反滲透系統中的所有裝置進行關閉；其八，超濾系統中(裝置1和裝置2)以及反滲透系統(裝置1)紫外殺菌裝置開啟，其他的都關閉。每一個工況持續運行一天的時間，并保持每一個系統裝置都以同功率模式進行運行。取樣時分別對該設備的進水取樣閥、出水取樣閥、反滲透進水的取樣閥和出水取樣閥、超濾系統中的水箱、前池中的紫外裝置進行一一的取樣，并得出菌落總數。

紫外裝置如果同時的開啟其殺菌的效果更為顯著。當來水在經過超濾系統和反滲透系統中的紫外線殺菌裝置時，這些裝置共同開始水的處理工作，對于后端的反滲透系統其殘留菌數呈現了比較低的現象(工況8的情況)。除了單獨開超濾紫外線殺菌裝置或者單獨開反滲透紫外線殺菌裝置，其他工況情況都比較顯著，殺菌的效果要高于前兩種。

2.2.4 延長運行的周期，分析殺菌的效果

超濾系統中的紫外線殺菌裝置(裝置1)、超濾系統中的紫外線殺菌裝置(裝置2)、反滲透系統中的紫外線殺菌裝置(裝置3)、反滲透系統中的紫外線殺菌裝置(裝置4)等處于開啟的狀態；反滲透系統中的紫外線殺菌裝置(裝置5)中處于關閉的狀態。超濾紫外線殺菌裝置都以同功率模式運行，反滲透紫外裝置則應用了節能的模式[6]。長期運行6個月，定期對反滲透系統中紫外殺菌裝置的菌落進行分析，檢測其水質的情況，檢測反滲透系統長期運行時的整個狀態等。

(1)夏季與冬季微生物發生污染的情況

設備運行過程處于夏季(9月份)，這時的來水微生物相對較多，即菌落總數達到了200 CFU/mL，紫外系統能夠對水中的微生物進行有效的殺滅。從反滲透進水的菌落總數和反滲透濃水之中的菌落總數進行分析，其總數則控制在10 CFU/mL。設備在冬季運行后，由于冬季微生物相對較少，超濾和反滲透系統在正常運行過程中，沒有發現微生物污染的情況。

經過試驗了解到，一級反滲透保安過濾器壓差月平均數據中的記錄中提到：保安過濾器在連續運行幾個月之后，運行的壓差并沒有發生波動或者異常的現象[7]。而保安過濾器之所以在運行過程中會產生較大的壓差或者異常現象，其與污染顆粒堵塞、微生物出現較大污染等有直接的關系，而本次的實驗研究了解到水體內的細菌和懸浮指標均在要求范圍內，水質并沒有降低。這就可以看出，中壓紫外殺菌設備在應用時具有良好的殺菌效果。

(2)反滲透膜組件發生微生物污染的情況

表中主要針對反滲透系統的脫鹽率進行的統計，反滲透系統中通過加入適量的殺菌劑以對里面的微生物進行有效控制。反滲透系統中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置3)中脫鹽率在96%～98.40%范圍內產生波動；反滲透系統中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置4)中脫鹽率在96%～98.6%范圍內產生波動；反滲透系統中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置5)中脫鹽率在97%～98.6%范圍內產生波動。裝置4和裝置5中的波動大致相同，這就能充分說明鍋爐補給水系統中來水在進行處置時，紫外線殺菌的效果與殺菌劑給藥產生的效果并不是很大。裝置3和裝置4中的反滲脫鹽率并沒有大幅度的領先于裝置5，僅僅是來水之中微生物呈現了減少的情況。

由表2我們可以得出：3個舊反滲透脫鹽率均在98.4%以上，回收率也超過了8.8%，相對于新的反滲透膜進行比較，脫鹽率為99.7%，回收率9.0%相比，其性能逐步的衰減。這就可以充分的說明紫外殺菌系統在持續的運行過程中，反滲透膜組件并沒有發現微生物污染的情況。

表2 反滲透膜組件性能的測試

2.2.5 運行成本的計算

中壓紫外線殺菌裝置在鍋爐補給水系統中應用后，由于其采用了節能的模式，其從耗材、耗電量進行計算，其運行成本較低，具有較高的經濟價值[8]。

第一，年耗電費用的計算。中壓紫外殺菌裝置中主要的耗電設備為燈管。即運行過程中其燈管耗費的成本為：1支×4 kW·h/支×24 h×365天×0.5元=1.8萬元。 如果這一工程使用的燈管較多，則在此基礎上乘以個數就可以。

第二，中壓紫外線殺菌裝置燈管耗材的費用。每一支燈管每一年需要進行更換，更換的次數為1次，每年工作耗時為當年2/3時長，如果燈管的單價費用為2.2萬元，那么這一支燈管需要耗費材料費用為2.2萬元×1支×2/3=1.47萬元。

第三，計算直接運行產生的成本。每小時按照每立方米200元進行計算，一噸水產生的直接成本為0.036元，相比于之前使用的化學藥劑來看，其殺菌的費用明顯要低。因此，從以上費用計算的結果上看，鍋爐補給水系統之中使用中壓紫外線殺菌裝置具有較高的經濟價值。

3 結語

由此可見，本文針對鍋爐補給水系統的水處理情況進行分析后，得出利用中壓紫外線系統對來水進行有效的殺菌，可以達到降低微生物污染的問題。25 mJ/cm2以上的紫外劑量處理600 t/h的最高流量，其來水菌落總數呈現了逐步下降的趨勢，即從35 CFU/mL下降到10 CFU/mL。同時將超濾紫外裝置和反滲透中的紫外裝置進行開啟，獲取的殺菌效果更為明顯。在持續的運行紫外裝置后，其結果顯示中壓紫外殺菌裝置能夠有效地替代之前使用的藥物殺菌方法，能夠降低水質波動的現象。整套的中壓紫外系統在運行過程中所獲取的經濟效益較高，成本得到了有效地控制，尤其是這種中壓紫外線殺菌裝置可以減少還原劑和殺菌劑的重復、多次使用，延長了反滲透組件的使用壽命，其經濟效益和產生的環境效益等更為顯著。本文的研究將對鍋爐補給水系統的正常運行和提升水質等提供重要的參考。