紫外线杀菌灯在水处理中的运用

紫外线杀菌灯在水处理中的运用 南海华星光电实业有限公司 一、应用中的一般常识 1、 应用领域的分类----紫外线杀菌灯在水处理领域有广泛的用途。 ----水处理（water treatment）从处理对象分，它包括废水处理、城市供水处理、饮用水处理、纯净水处理、养殖场水处理；从原理上分，有消毒、杀菌、光分解降解及其它光化反应；从使用紫外线杀菌灯的方法来分，有直接把灯放入水中，称为浸没式；紫外线灯放入套管里使用，称为过流式。（目前主要采用的是过流式的方法。） ----紫外线杀菌灯在水处理主要应用它的杀菌功能，比如过流式的设备工作原理是这样的：经水泵产生压力的一定流速的水流流过能透紫外的石英套管外围，紫外线灯产生的254nm紫外线对水进行消毒、杀菌。其特点是水流流速很快，一般在石英外套流过的时间为不超过1秒，因此要求杀菌灯的紫外线强度是很高的，一般要求在表面强度超过要产生如此高的紫外线强度，需选用高强度大功率的紫外线杀菌灯。如果仍然想通过延长时间来提高消毒效果，那么一般选用较长的灯，做较长的设备，或在不锈钢外壁上处理成涡流旋转式结构，来延长水流过的时间。 ----对于高档产品，过流式消毒方法不仅要配较复杂的结构；还有复杂的控制系统，如紫外线强度监测系统，水温监测系统，消毒时间累积，紫外线灯监控、故障报警、自动声光报警等系统。此外，过流式设备对环境与处理对象也有要求，如水的温度、水的透明度对消毒效果有很大的影响。紫外线杀菌灯工作时表面最佳温度为40℃，温度过高或过低都会影响紫外线输出效果；水的透明度越差，紫外线越易被吸收，利用率就越低。 ----与过流式相比，浸没式结构简单。紫外线杀菌灯直接放在水中，这种方法可用于流动的动态水，也可用于静态水。这种处理方法要注意灯管有可能由于意外情况发生破裂；长时间处理，灯管表面会被水中藻类等污染物覆盖，将严重影响紫外线透出。对不同对象的水体进行消毒，主要要了解水质变动情况和水对紫外线的透过率。在水处理，除消毒杀菌外，紫外线灯还用于光催化反应，但目前只停留在试验室研究阶段。

2、产品的一般设计 ----对设备的设计，除了相关结构和电控部份设计之外，一项重要指标是消毒效果，消毒效果我们一般用紫外线辐照剂量来衡量，即254nm紫外线辐照强度×照射时间。辐照强度可以根据外套管离灯管表面距离来测试强度，处理时间要根据水流量、水压力、进水管尺寸来定，也可实测。理论上，照射剂量要达到30000uw.s/cm2，剂量越高，对细菌杀灭率越高。 ----实际上，照射剂量在系统工作时是很难测试的，主要是水体在设备中流过的时间往往难以估计和测试（这还和设备内部结构设计有关），所以通常用水流量和紫外线灯功率的比例关系来衡量消毒效果。 ----水流量一定，则需要一定总功率的紫外线灯，但总功率一定，还有多种选择方案。如果选择总功率00瓦的紫外线灯，可选择30只20瓦的灯，也可选择20只30瓦的灯，还可选择6只100瓦的灯等。即使单只灯功率一定了，灯的长度还不一定。可选择较短的高强度灯，也可选择较长的高效率灯。具体设计时，考虑设备的长度、体积，如果允许设备长，不能太大，则采用细长的灯，这样支数相应减少，内腔空腔可缩小。相反，设备设计不能长，可大的，则选用紫外线灯管时，宜采用较小功率，支数较多的。对于选择支数较少紫外线灯时流过石英外套管的水层厚度要厚，紫外线在水中比在空气中更容易衰减，它的衰减系数比可见光在水中的衰减要大得多。只能允许水层厚度在1cm左右，如果更厚，则需浪费更多的紫外线来达到相同的消毒效果。即紫外线灯应用效率会降低。

３、灯的选用 ----在水处理中，尤其在废水处理中，应用高强度的紫外线灯是很有必要的。因为如果使用较多数量的紫外线灯，那么镇流器数量也多，线路更复杂，控制部分也更复杂，往往坏一只灯，就要停机更换，检修。而灯和镇流器使用数量越多，坏掉一只的概率也就越大。 ----在传统的紫外线灯中，功率一般只能做到几十瓦，如传统规格40瓦、30瓦。如果用到大流量水处理，总功率需几千瓦，紫外线灯的数量要用到数十只到上百只，设备庞大，控制线路也很复杂。当用大功率的紫外线灯，如300瓦，那么，灯和镇流器数量将会大大减少，可简化设备。提高设备安全可靠性，降低设备的故障发生率。----高强度的紫外线灯在水处理中使用，可分别选择有臭氧和无臭氧灯。所谓有臭氧灯，指这种灯能透185nm谱线（汞的特征谱线），这种谱线在空气中能电离空气产生臭氧。据国外的试验研究，185nm的紫外线在水中能产生光化反应，即电离H2O产生-OH（羟基），-OH有很强的氧化性，可矿化分解水中的有机物，降低TOC。但是一般的低压汞灯，本身功率不大，185nm紫外线只占灯管所耗电能的20%，其效果不显著，只有大功率的紫外线灯才能表现出一定效果。 ----在水处理除了应用紫外线灯消毒杀菌之外，还可用到紫外线灯的另外的作用原理。这就是光催化反应。这种原理现已被成功用于空气净化。我们在市场上看到的光催化空气净化器就是用到该原理。在饮用水和废水净化方面，国内目前有数十家大学和企业在研究，被认为是高效、最有前景的废水、废气治理方法，是国内外研究的热点。 ----目前，光催化活性较好的是TIO2。理论上，波长小于387nm的紫外线都能对TiO2激化而产生羟基而起到催化氧化的作用。市场上，我们可看到两个波长的紫外线灯，一种是254nm，一种是365 nm的紫外线灯，这两种灯现都已成功用于光催化反应的应用中， 254nm的紫外线灯也就是通常的杀菌灯，是由汞原子发出的谱线。365nm谱线的灯，通常见到的是采用专用的黑色的透紫外线玻璃；另一种是采用石英玻璃，涂覆365nm的紫光粉，采用石英材料的透光率要高，但其成本也相应增高。 ----用在水处理，通常选用254nm的紫外线灯做光催化反应，这实际用到了254nm的双从作用，一是直接杀菌，一是光催化产生羟基矿化降解和杀菌。在空气净化方面，目前365nm的黑光管和254nm的石英灯都已有人成功运用，本公司已开发峰值波长为312nm的紫外线灯，该灯种光谱在UV-C、UV-B、UV-A等波段均有分布，可对光催化效率大大提高，是光催化应用首选灯种！

微生物对紫外线照射的敏感性 敏感性 微生物种类 低敏感 耐辐射微球菌属、枯草杆菌、芽胞*、橙黄八叠球菌 中等敏感 球状微球菌属、鼠伤寒沙门氏菌、酵母菌属、乳链球菌

高敏感 牛痘病毒、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、普通变形杆菌、啤酒酵母菌、大肠杆菌噬菌体T3

* 为短小杆菌芽胞E601（ATCC2714）

二、应用中的技术难点 1、 结构和控制 ----在水处理主要用到紫外线灯的消毒杀菌功能，这种基本原理和方法在数十年就已被人发现。在欧美，紫外线消毒技术已是一种普及的技术。在我国，九十年代开始引进该技术。十年来，这种技术做为一种高科技产品被努力地推向市场。然而，到目前为止，紫外线消毒产品还远未在水处理应用中普及。 ----没有普及化的重要原因之一，国内生产的紫外线杀菌灯质量（主要是寿命）不过关。在水处理行业。由于设备一般都是24小时运转，灯的寿命要求高。而国内生产的紫外线灯一般也就是1000-2000小时，而且可靠性不高，易出故障。如果用于空气消毒，坏一只灯可随时更换；而在水处理设备里，如果坏一只灯，要影响到整个设备、系统，还可能影响其他供水系统和用户。可以说是安全质量事故。因此，紫外线杀菌灯的寿命和可靠性尤其重要。 ----第二个原因是产品的结构和控制系统的设计不过关。以家用饮水机为例。据卫生部门的检测，通过饮水机放出的水，大多数都是细菌严重超标，一些名牌厂家的都是如此。细菌产生的主要原因就是饮水机内部长期不清洗而滋养了细菌。数年前，有人想把紫外线灯用到饮水机上，对系统环境和水进行消毒和保洁。可到现在，市场上也没看到饮水机用上紫外线灯。 ----造成这种现象主要是遇到结构设计上的难题。紫外线在水中的穿透力很差，一般仅适合于10cm以内厚度的静态水层，随水层厚度增加，紫外线强度将大幅度衰减。因此紫外线对水消毒最适合薄层动态水。而普通的桶装饮水机中的水流入到内胆中是静态，而且储存时间无法确定，有可能只停留几秒种（连续接水饮用），也有可能停留较长时间。这就在时间控制上也增加了难度。 ----有人想到，饮水机主要存在的是二次污染，不是桶装水带入的细菌，只要让内胆中的水不受二次污染就可以保持清洁。没有必要达到紫外线消毒杀菌的剂量。但是，桶装水不合格的报道我们经常见到。显然，仅仅是对内腔进行消毒显然是不够的！

2、光催化反应 ----光催化氧化反应机理很复杂。一些纳米材料如TiO2粉体复合光催化剂，被紫外线照射后，会产生电子空穴对。空穴有很强的扑获电子的能力，遇到水分子后，水分子被夺去电子形成羟基（-OH），羟基有很强的化学活性，它能破坏有机物的化学键，达到旷化分解有机污染物的目的。 ----与其他的新技术、新方法一样，光催化有他的新颖、实用的一面，也有其局限性的一面。从目前的国内外的研究和一般客户的应用情况看，光催化有其以下的局限性： ----1、光催化不管用在空气还是用在水里，其光解的作用效率是有限的 。不能夸大他的作用。它只能处理杂质含量很低的空气和溶液，而且处理时间较长。比如空气净化，只能用于污染气体（如家居室内）较轻的环境，而不能用于如废气、废水等的净化。----2、光催化作用只能局限于光触媒表面附近。也就是说，杂质分子或离子只能经过光触媒表面才能被降解。因为光催化产生的活性离子羟基从产生到消亡的时间非常短，（小于10-6秒），他既不能在水中 游泳 ，也不能在空中 飞舞 。而象紫外线可以穿透一定水层（尽管它在水中衰减严重），臭氧、氯气可以溶解在水里，随水漂流，作用时间可达数十分钟。----3、光催化活性易受外界因素影响。如水中某些离子对光催化分解有促进作用，也有些离子或分子对光催化有中毒 作用。空气中的湿度对光催化效果也有影响。还有一点：必需有水分子光催化才能进行。在仪器设备工作过程中，光催化实际效果往往难以实测和加以判断。消费者难以通过感性认识来感触高科技的魅