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循环水紫外线消毒器杀菌系统研究和应用技术
发布时间:2015-03-16   点击次数:1108次

20 年来水产养殖,循环水的研究和应用越来越受到人们的重视。随着水资源的日益短缺和对传统池塘养殖水排放限制越来越严格,迫切需要研究和发展水产养殖的循环水养殖模式。在一个循环水水产养殖系统中,不可避免地产生鱼类的排泄物和饵料残渣物。如果没有合适的处理措施,这些废物的累积会造成不健康的水体环境,导致鱼的生长速度减慢,饵料转化效率低,鱼类疾病和死亡率增高。在过去20 年里,美国和欧洲的科学家们对循环水养殖系统进行了很多研究。进入21 世纪后,随着我国工业废水处理技术的日益提高,紫外线消毒器杀菌技术在中国得到了较快的发展 ,但针对循环水水产养殖紫外线消毒器杀菌系统的性能的研究还比较少。而对于饮用水消毒和污水处理的饮用水紫外线消毒器和污水紫外线消毒器国内外早已进行了系统研究和实用,

紫外线消毒器厂家石家庄凌卓环保设备有限公司针对循环水紫外线消毒器杀菌系统的性能的目的是:探明循环水系统中的紫外线小区设备的杀菌效果;建立循环水紫外线消毒器杀菌系统的数学模型,并通过实验数据对模型进行验证;利用数学模型模拟分析各种条件下的紫外线杀菌性能,为循环水水产养殖系统紫外线杀菌器消毒的优化设计和运行提供依据。

1 理论分析细菌核苷酸吸收一定量的紫外线后会使其遗传物质的遭到破坏,并导致细胞分裂停止。紫外线杀菌效应通常用细菌浓度(即:单位体积菌落形成单元的数量)的减少率来衡量,在数学上一般以一价反应的形式来描述,即 d d τ ave τ N kI N τ 

1)式中,Nτ为杀菌τ时间后细菌浓度,CFU/100mL,(CFU colony forming unit,即菌落形成单元);τ为液体流 农业工程学报 2011 258 过紫外设备的曝光时间,sk 为一价失活速率常数,m 2 /J I ave 为紫外线辐照度平均值,W/m 2 。如果在紫外杀菌前的初始细菌浓度为Nμ,则对方程(1)积分,得细菌浓度为 e ave kI N N  

2 紫外线消毒器紫外线杀菌器设备内的平均辐照度可以用比尔定律计算 [6] 。对一个单管式圆柱形灯管来说(图1),在半径为r 处的 紫外线辐照度可以表示为 100 - 2π r o r PT r r I rL 

3)根据体积平均值的计算方法,对于变量X,其平均值 d X V X V ,则平均紫外线辐照度I ave 可由下面公式求得 100( ) 2 d ( 1) 100 ln o o R r r R r ave r L L r I rL r P I T V V T  

4)式中,P 为紫外线消毒器紫外线杀菌器设备的输出功率,WI r 为在半径为 r 处的紫外线辐照度,W/m 2 T r UV 254 254 nm 波长的 紫外线)通过 1 cm 厚度水的透射率,cm -1 L 为紫外线 设备的有效长度,mV L 为紫外线设备的有效容积,m 3 R 为灯壳内表面的半径,m;和r o 为灯管外表面半径,m。本研究使用了功率为 25 40 W 的紫外线设备进行了试验,其相对应的R r o 分别为0.0254 0.011 m,见图1。注:R 为灯壳内表面半径,mro 为灯管外表面半径,mr 为灯管外表面至灯壳内表面之间任意点至圆心的半径,mdr 为半径微元图1

单灯管管道式紫外线消毒器紫外线杀菌器设备示意图 Fig.1 Cylindrical geometry of single lamp UV unit 紫外线设备可以看成是一个近似于活塞流式的反应器,液体流过紫外线设备的平均曝光时间可通过反应器的净容积除以流体的速率来获得。经过紫外线设备处理的水中细菌浓度,由方程(2)可得 100( ) 1 exp ( / ) exp( ) 100 ln o R r r ave L r T N N kI V Q N kP Q T

5)式中,Q 为通过单灯管管道式紫外线消毒器紫外线杀菌器设备处理的水的流量,m 3 /s。假设在循环水紫外线小区杀菌系统中细菌浓度是均匀的,则细菌增加率或减少率将取决于细菌的来源和去除的一种平衡。细菌来源包括系统内源产出(如养殖鱼类的排泄)和进水,去除则包括紫外线杀菌和排水。基于系统内细菌数量守恒,可得如下方程 d ( ) ( ) d e S i Q N Q N N N N N t V V

6)式中,N 为系统细菌浓度,CFU/100 mLt 为系统杀菌时间,sN S 为系统的内源产出菌数速率,CFU/ s100mL),包括鱼类的排泄和系统内部的生长;Q e 为水体的交换率, m 3 /sV 为循环水系统的水体总量,m 3 N i 为进水中细菌的浓度,CFU/100 mL。在稳定状态下,把方程(5)代入方程(6)得(此时Nμ=N 100( ) {1 exp[ ( 1)]} 100 ln o S e i R r e r r N V Q N N P k T Q T

7)对于一个封闭单灯管管道式式的紫外线消毒器紫外线杀菌器消毒杀菌循环系统,Q e =0,由方程(7)可得 100( ) {1 exp[ ( 1)]} 100ln o R r S r r N Q k P V T N V T V Q

8)本文把N S /N 定义为日杀菌倍数,从物理意义上讲,它是一个系统中每日细菌产出量与细菌浓度的比例。日杀菌倍数越大意味着杀菌效率越高。Q/V 值代表通过紫外线装置的循环率,P/V 值则表示每立方米水体的紫外线输入功率。因此,方程(8)把紫外线杀菌效率描述为水体循环率、紫外线输入功率比和水中紫外线(254nm 波长)透射率的函数,从而可以更有利于理解紫外线消毒器设备在循环水系统中的杀菌效果。

2 试验研究 2.1 试验设备和方法 紫外线杀菌试验研究是在一个循环水系统中进行的,该系统包括一个水槽、循环水泵、单管式紫外线设备(Aqua Ultraviolet,),所示。每次试验之前,把水槽清洗干净,然后加入一定量的人造海水或去氯自来水。人造海水由复合粗盐和去氯的自来水混合而成,盐度为 15‰。每次试验前,用商业清洗液对紫外灯的石英管外表面进行清洗,以消除管套紫外线对水产养殖循环水的杀菌效果污垢对曝光的影响。

紫外线杀菌试验用的微生物来源于一个奶牛场的废水塘,采集来的废水中含有很高浓度的粪大肠菌群。每次试验前先将一定数量的废水加入到水槽中并均匀混合,通过加入不同的废水量还可以调节紫外光 254nm 的透射率。水槽中有一个增氧充气头使水体的溶解氧保持在(9.3±0.4mg/L。这个充气头同时也作为一个搅拌器使水槽中的细菌的浓度保持均匀。水槽中的水由水泵抽送,经过一个单向阀后,通过 2 种路径返回到水槽:溢流路径和紫外线杀菌路径。每个路径都装有球形阀,以便根据试验要求来调节通过紫外设备的水的流量。试验从紫外灯打开时开始计时,在不同的曝光时间从水槽中采水样检测。在上述所有的试验中,水体的温度和 pH 值分别保持在(13.22.0C 和(8.150.20)。水样的粪大肠菌群浓度由 9222D 标准规定的膜过滤方法测定。

毒作为水工业领域的不可或缺的工艺环节,污水紫外线消毒器和自来水紫外线消毒器对于保障污水处理厂和自来水厂水质的重要性不言而喻,近年来,随着饮用水质问题的凸显以及污水处理厂建设的加快,人们对紫外线消毒器等消毒设备、系统的处理效果、稳定性要求越来越高,这种情况下紫外线消毒技术的优势便逐渐显现。传统氯消毒不能满足饮用水标准中的微生物指标,还会产生致癌的消毒副产物,紫外线消毒将微生物灭活;可以较好地抑制微生物的遗传毒性,紫外线搭配氯胺等其它消毒方式在供水领域优势较为明显,不仅消毒效果良好,还能保证管网水质的稳定性。改进消毒方法,控制有毒副产物的产生,是未来水净化技术的关注点之一。目前国外很多国家和地区的水厂已使用紫外线消毒器搭配氯消毒的消毒方式,国内水行业对紫外消毒的研究与应用情况正在逐步改进中。多级屏障消毒策略可以满足安全供水的需要,根据水质和配水管网的特点使用紫外线搭配氯或氯胺的消毒工艺,其优越性越来越明显。

饮用水紫外线消毒器和污水紫外线消毒器紫外线杀菌技术给广大水处理业内人士提供了zui佳的水消毒技术,对推动紫外线消毒技术在国内供排水行业的科学应用做出了积极的贡献,经过紫外线消毒器厂家与科研机构的共同努力会让紫外线消毒技术在我国水工业得到更快、更好的应用发展。

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