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紫外线消毒器系统中强度分布计算与生物验证
发布时间:2015-03-04   点击次数:947次

紫外线消毒器消毒机理是利用254nm及其附近波长区域的紫外线对微生物DNA的破坏,阻止蛋白质合成而使细菌不能繁殖。由于紫外线消毒器具有杀菌广谱性强、处理效率高、运行成本低、不产生消毒副产物等突出优势而越来越受到人们的关注,并被广泛应用于消毒饮用水和污水处理等行业,统称生活饮用水紫外线消毒器和污水紫外线消毒器(或再生水紫外线消毒器、中水回用紫外线消毒器、中水紫外线消毒器、回用水紫外线消毒器)

目前,上常用的消毒用的饮用水紫外线消毒器和污水紫外线消毒器紫外线发生器大规模的低压汞灯其波长维持在253.7nm。同时,新型中压紫外线消毒器( 1~ 5k ) W系统也越来越多地应用于水处理行业。紫外线消毒设备的消毒效果与紫外线剂量 (UV dose)的大小直接相关。紫外线剂量的定义为单位面积上接收到的紫外线能量 (城市给排水紫外线消毒设备规范,2005) 在理想推流状态下 (在实际的紫外线消毒器反应器中不可能达到) 紫外线剂量等于紫外线强度 (UVin tensity)乘以水在反应器里的停留时间, 这样得到的剂量称为设备紫外线平均剂量 (R eactor A verage Dose) (城市给排水紫外线消毒设备规范,2005) 因此,在紫外线反应器的设计中,计算紫外线强度的分布对于确定如何在反应器中zui有效的布置灯管具有重要的意义。紫外线强度的计算需要把光学原理和几何学应用于反应器。多点源叠加近似法 (MPSS) ( James 2000)把一个线光源分成反应,器轴上的一系列等空间点源,被证明是合适的计算方法。

实际上,因为影响紫外线消毒器消毒效果的因素很多,如颗粒物浓度、大小分布、微生物在反应器中的路径、水的透光率等等,通常通过理论计算而得到的设备紫外线平均剂量无法准确地反映紫外线反应器实际的消毒效果。决定一个紫外线消毒系统消毒效果的是反应器所能实现的设备紫外线有效剂量 (Reactor E ffect ive Dose),即由反应器的生物验证实验实际测得的紫外线剂量,也称当量灭活剂量 (equ iva lent reduct ion dose ERD)。要达到某一特定的消毒要求,紫外线反应器的有效紫外线剂量必须达到设计紫外剂量 (Design UV Dose) 而设计紫外剂量的选取依据则是通过平行光管试验得出的微生物 (例如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、MS2大肠杆菌、噬菌体等)达到一定灭活率时所需要的紫外生化剂量 (Colli ated Bea Dose),并考虑一定的安全系数得来的(通常这一安全系数要求紫外系统必须按峰值流量设计,而不是平均流量) (城市给排水紫外线消毒设备规范,2005)。针对一个实际的饮用水紫外线消毒反应器内的紫外剂量分布同时进行理论计算和生物验证,比较2种方法得到的结果,并分析差异性原因和影响因素,期望为紫外线消毒器反应器设计提供参考。

实际上紫外线消毒器的反应器受水力条件等多方面的影响,很难达到理想推流状态。对于大流量的情况,理论计算的结果与生物验证比较接近,这是因为流量大的时候紫外线杀菌器反应器中的水流更接近理想推流状态,此时,停留时间成为紫外线剂量的主要影响因素之一。生物验证曲线的变化率明显低于理论计算的情况,这说明,紫外线消毒器的反应器内各种复杂的因素减轻了流量对紫外线剂量的影响。

紫外线剂量随流量的增加而降低。在透光率为80% 时,紫外线剂量随流量的增加改变不大,也就是说,即使水流中的微生物在紫外线杀菌器反应器中停留比较长的间也不能够达到有效的灭活效果,这可能是因为某些微生物受到了颗粒物的保护,避开了紫外线的照射,此时透光率成为影响紫外线剂量的主要因素。在流量为2 5Q 时,透光率对于剂量的影响不。在流量比较大、透光率比较低的情况下,理论计算的数值比较接近于生物验证数值,两者的相对误差较小。这进一步说明,相对低的透光率和相对短的停留时间成为紫外线剂量的主要影响因素。由于不完全的混合状态和紫外线杀菌器反应器内部的其它影响因素,紫外线消毒器的反应器有效剂量要小于通过理论计算而得到的设备紫外线平均剂量。紫外线消毒器的紫外线的剂量应该由实际使用中的生物验证来决定。

紫外线的内部强度分布存在比较大的差别。在2根灯管之间管壁附近区域的强度zui小, 而在紫外线杀菌器的反应器中部的大部分区域紫外线强度都在平均强度以上。

生物验证结果显示,紫外线剂量随流量的增加而降低,呈乘幂的关系在透光率为 80% 时,透光率成为影响紫外线剂量的主要因素。在流量比较高的情况下 ( 2.5Q ) 流量成为影响紫外线剂量的主要因素。

对比生物理论计算和生物验证对比发现,生物验证曲线的变化率明显低于理论计算的情况,这说明紫外线消毒器的反应器内各种复杂的因素减轻了流量对紫外线剂量的影响。统计学分析结果显示, 在流量大透光率低的情况下,理论计算的数值比较接近于生物数值。

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