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紫外线消毒技术解析
发布时间:2013-03-24   点击次数:2509次

紫外线消毒技术解析

 

    紫外线(UV)是波长在100-400纳米(nm)之间的电磁波。杀菌消毒波长在200-300nm的光谱区域。低压汞灯放射可以输出波长为253.7nm的单频射线。中压汞灯可以输出能够消毒的不同波长的多频射线。

1.2杀菌消毒

 消毒是将病原体(引起疾病的微生物)减少到无传染的水平,而杀毒是杀死所有的活细胞和病毒菌素。

1.3 紫外光是怎样消毒的

微生物在紫外光的照射下发生光化反应破坏微生物的核酸使其失去活性。

细胞的DNA和RNA吸收短波UV发射的高能量。吸收波长大部分在240-280nm的范围内的UV能量,这将导致在临近的核苷之间形成新的结合物,在核酸内创造了双结构或二聚物。

DNA中的胸腺嘧啶经过光化学的破坏,相临的嘧啶产生二聚作用。细菌和病毒菌素的DNA中多数胸腺嘧啶二聚物的形成阻止了复制和zui终导致细胞的死亡。

    细胞的破坏程度取决于微生物对UV能量的吸收(剂量)和对UV的抵抗力。通常,细菌比病毒菌素更容易感光,原生寄生虫如隐孢子虫和贾第鞭毛虫对UV的敏感度比细菌更高。阴性杆菌比阳性球菌和细菌更具有感光性。

1.4 影响紫外消毒的原因

UV消毒受下列因素影响:

Ÿ 污水水质

Ÿ 微生物失活动力学

Ÿ 消毒器/灯结构

Ÿ 灯管寿命和套管结垢

温度和PH不会影响UV消毒。

污水的水质

通常影响UV强度的污水参数是:

UV 穿透率(%T),由于水中存在着吸收UV光的有机和无机化合物。

总悬浮物(TSS)或更确切地说是构成TSS的颗粒的特性,例如:

粒子尺寸的分布

每个尺寸内颗粒数目,

颗粒的光学性质。

紫外穿透率

UV 穿透率(UVT或%T)是污水传输UV光的能力的一个度量。它既是污水的一个水质参数又是UV设备设计的一个重要的决定因素。具有高UVT的污水,需要较少的UV能量就可消毒。

排放污水UV穿透率的降低会导致通过污水的UV强度的降低。由于UV剂量=强度x曝光时间,因此水对UV的吸收而减少的强度可以通过增加曝光时间、增加消毒器内灯的数量或增加灯的光强(通过增加灯的输入功率或使用输出功率更高的灯管)来补偿。

 UV穿透率是在254nm波长下用一个UV分光光度计来测量的。在一厘米厚石英试管中的样品的穿透率的读数与纯水中穿透率(设置为100%)的百分比。一个60%UVT意味着进入套管的强度,通过一厘米厚的试管样品污水后,数值已经降到60%。

当存在吸收UV的物质和/或吸收或散射UV光的颗粒时,穿透率会降低。这会导致可以用来消毒的紫外能量的降低。

污水紫外穿透率也取决于工业废水在总的处理流量的中相对含量。对UV穿透率有影响的工业废水包括纺织、印刷、纸浆和纸、食品加工、鸡禽肉类加工、照片和化工等。这些工业废水中存在吸收UV的粒子、可溶解的有机物和无机物,这样将减少穿透率

处理工艺中使用的化学品也可能影响UVT。污水处理工艺可能会用金属盐来强化固体的清除、磷酸盐的减少和气味的控制。可溶解的铝盐不会影响UV穿透率,含铝的絮凝固体相对于不含铝的类似的粒子并没显示对UV消毒抗性的增加。

水中的铁直接吸收UV,在套管表面结垢、并可附着在悬浮粒子和细菌群落上形成一个防护罩。当与固体颗粒相关的铁增加时,会增加对输入的UV能量的要求。

污水穿透率还取决于上游处理工艺。通常,悬浮式增长工艺处理的污水穿透率范围在60%-65%左右。固定膜处理工艺的紫外穿透率范围在50%-55%左右,而爆气工艺处理的穿透率只有35%-45%左右。

总悬浮物 (TSS)

总悬浮物是由不同数目和大小的负载细菌的颗粒组成。颗粒保护了其内部的细菌,所以在TSS高的情况下,使得UV消毒和化学消毒较为困难。TSS含量高的污水中一般也会有比较大的颗粒,这将使其消毒更加困难。另外,固体中铁的含量的增加会导致队细菌的屏蔽保护。粒子的保护直接与颗粒的数目、大小分布、细菌浓度和颗粒中化学成分有关。颗粒还通过在污水中吸收和散射UV光而减少UV强度。这些因素导致污水中UV需求的增加。

污水中颗粒尺寸分布的测量被用于指示过滤和澄清处理的性能。通常,颗粒大小与上游污水处理工艺有关。沉淀和过虑导致固体颗粒数目和平均大小的减少。较小的颗粒是很容易被消毒的,除非它们负载铁或具有较高的光学密度。

微生物失活动力学-UV剂量作用曲线

    如下图所示,低的UV剂量通常可以导致细菌数的迅速降低。细菌存活数的对数和紫外剂量间的线性关系体现了典型的一级反应动力学。

高剂量时的非线性或尾巴的存在是由于颗粒里细菌被颗粒提供的屏蔽层保护起来,因此需要较高的UV剂量穿透和灭活颗粒中的细菌。

当颗粒浓度较高时,消毒存在某一限值,超过此限值的灭活不能经济的获得。这是因为有些颗粒太大,或对UV不透光使得有效的UV剂量不能被传输到这些颗粒的zui内部的细菌使其失活。当进行微生物计数时,在粒子中生存的细菌导致那个粒子的一个细菌计数。对这些颗粒核心中的微生物进行灭活时使用额外的紫外剂量的效果很小。

在上述情况下,改善上游的处理提高污水质量将有极大的好处,可以大大减少达到某一消毒指标时需要的紫外剂量和投资。

沉淀和过虑可以降低TSS水平(颗粒尺寸和数目)。下图表明过滤可以减少达到要求的消毒目标时所需要的紫外剂量。

过滤和非过滤处理污水的典型紫外剂量作用曲线

UV设备结构设计

    UV消毒器结构的优化设计使得在设计处理流量、水质和达到一定目标剂量时所需UV灯的数目zui小。系统的水动力学优化设计提高系统紫外能的有效利用率并降低水头损失。

灯管布置用来控制石英套管周围的水层,对于被处理污水在水头损失限制内提供*的紫外辐射强度分布。

灯管寿命和套管结垢

由于灯管老化和套管结垢,UV光强随着时间和使用逐渐衰减。这一因素已在设计中予以考虑,因此保证系统在UV灯运行寿命内维持需要的UV剂量。

为保证系统性能,灯管应在灯管达到保证寿命后进行更换。

灯管实际使用寿命取决于消毒期间剂量同步控制时灯管开关(ON/OFF)的频率。系统中均衡的强度可以通过一个阶段性更换灯管的安排来实施。

石英套管表面无机和有机物颗粒的积累降低了进入周围水体中的UV光的强度。结垢快慢取决于污水处理工艺和污水成分,在铁、钙和镁离子的浓度较高时一般结垢速率高。

紫外线消毒系统带有套管手动清洗或自动清洗装置,从而大大地提高了灯管透光杀菌率并降低了使用者的维护时间和劳动力

 

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