1. 消毒基本原理及有效波段

        紫外光是指波長(zhǎng)位于200~400nm之間的電磁波，細(xì)分為四個(gè)不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315~280nm）、UVC（280~200nm）和真空紫外線（200~100nm）。其中能透過(guò)臭氧層和云層到達(dá)地球表面的只有UVA和UVB部分。就消毒速度而言，UVC處于微生物吸收峰范圍之內(nèi)，可在數(shù)秒之內(nèi)破壞微生物的DNA或蛋白質(zhì)殺死細(xì)菌、病毒等微生物。UVA和UVB由于處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要幾十分鐘乃至數(shù)小時(shí)才能起到殺菌作用。目前，應(yīng)用于給排水工程的紫外光水消毒系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間都在數(shù)秒鐘內(nèi)，因此，實(shí)際上只有UVC波段發(fā)揮了殺菌作用，衡量或確定一個(gè)紫外光水消毒系統(tǒng)的UV劑量時(shí)，只能采用UVC波段的劑量，其他波段的影響必須排除，也就是說(shuō)，通常所說(shuō)的UV劑量實(shí)際上是UVC劑量。

2、UV劑量概念

      水的消毒效果是由微生物所接受的UV劑量決定的。
      UV劑量（J/m2）＝照射時(shí)間（s）× UVC強(qiáng)度（W/m2）     （1）
      UV劑量越高，消毒效果越好。設(shè)計(jì)中首先根據(jù)消毒系統(tǒng)進(jìn)口（Cin）和出口（Cout）的微生物濃度（如污水中糞大腸菌數(shù)）確定消毒效率：
      消毒效率 = lgCin – lgCout                       （2）
      注意，這里消毒效率采用的是對(duì)數(shù)單位，不是百分率形式。
      然后，根據(jù)消毒效率要求確定紫外消毒設(shè)備應(yīng)提供的 UV劑量。通常情況下，消毒效果只與UV劑量有關(guān)，與照射強(qiáng)度和時(shí)間無(wú)關(guān)，即具有同樣消毒效果的不同紫外光消毒設(shè)備可以具有不同的照射時(shí)間和照射強(qiáng)度，但二者相乘得到的UV劑量應(yīng)相等。
     UV劑量的基本概念非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用中，由于UV強(qiáng)度的分布不均勻，造成應(yīng)用上的不便甚至導(dǎo)致一些理解上的混亂。從應(yīng)用的角度出發(fā)，可按使用地點(diǎn)和方式的不同，將UV劑量可分為：實(shí)驗(yàn)室研究用UV劑量和工程應(yīng)用消毒設(shè)備UV劑量。

3、實(shí)驗(yàn)室研究用UV劑量
       實(shí)驗(yàn)研究中，一般采用一種叫做“平行紫外光束儀器（Collimated Beam Apparatus）”的儀器（見(jiàn)圖1、2）測(cè)定UV劑量與微生物滅活率關(guān)系曲線，以統(tǒng)一不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重現(xiàn)性，避免不同設(shè)備之間造成的差異。

       試驗(yàn)水樣放置在培養(yǎng)皿中，水深5~20mm，培養(yǎng)皿的直徑應(yīng)小于紫外光校平管。正式對(duì)水樣進(jìn)行消毒前要測(cè)試培養(yǎng)皿內(nèi)水面的紫外光強(qiáng)度，該強(qiáng)度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為定值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水樣被電磁攪拌器不停的攪拌，以保證水樣中的所有微生物處于相同的輻照條件下。改變曝光時(shí)間，利用式3計(jì)算出相應(yīng)的UV劑量。同時(shí)，測(cè)試曝光前及不同曝光時(shí)間后的微生物濃度，最后繪制出不同微生物濃度與UV劑量曲線。

                             D ＝ K ×T × I                            （3）
       式中：
            D：微生物接受到的平均UV劑量（J/m2）
            K：修正系數(shù)。與平行紫外光束儀器、培養(yǎng)皿及水樣有關(guān)。
            T：曝光時(shí)間（s）
             I：測(cè)試水樣表面中心UVC強(qiáng)度（W/m2）

        圖3是糞大腸菌的UV滅活曲線。不同的微生物使用同樣的UV劑量，得到的滅活率差異較大，因此，不同微生物的UV滅活曲線形狀不同。

4、工程應(yīng)用消毒設(shè)備UV劑量

        目前工程應(yīng)用較多的UV消毒反應(yīng)器主要有封閉管道式和開(kāi)放渠道式兩種，燈管有低壓低強(qiáng)、中壓高強(qiáng)和低壓高強(qiáng)三種，排列方式有順流式和與水流方向垂直兩種。由于實(shí)際應(yīng)用的UV消毒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與紫外平行光束儀不同，使得其水流斷面上的光強(qiáng)分布形式及均勻程度與紫外平行光束儀不同，因此不能按照上面的方法計(jì)算UV反應(yīng)器的UV劑量。
目前最常用的兩種方式表述UV消毒反應(yīng)器的UV劑量為：理論計(jì)算劑量和生物驗(yàn)證劑量。
 

（1）理論計(jì)算劑量

       理論計(jì)算劑量的思路與實(shí)驗(yàn)室研究用UV劑量相同，也是依據(jù)準(zhǔn)確的物理理論計(jì)算出輻照面（水流斷面）上的平均紫外光強(qiáng)，然后乘以理論水力停留時(shí)間。
      水流斷面上平均UV強(qiáng)度的計(jì)算是采用美國(guó)環(huán)保署為其發(fā)布的《城市污水消毒設(shè)計(jì)手冊(cè)》（EPA/625/1-86/021）編寫的計(jì)算軟件UVDIS計(jì)算理論劑量。該軟件綜合考慮了燈管的UVC輸出強(qiáng)度、電弧長(zhǎng)、排列方式及軸線間距、石英套管外徑及透光率、污水透光率、石英套管結(jié)垢系數(shù)、燈管老化系數(shù)等反應(yīng)器的主要物理和幾何參數(shù)。技術(shù)參數(shù)上的任何改變都可以反映出來(lái)，比較全面、準(zhǔn)確的反映影響UV強(qiáng)度的各種因素。
      與采用平行紫外光束儀器不同的是，由于流態(tài)的影響，UV消毒反應(yīng)器中的微生物不能達(dá)到平行紫外光束儀中培養(yǎng)皿內(nèi)所實(shí)現(xiàn)的理想混合，實(shí)際接受到的輻照時(shí)間發(fā)生離散，使得微生物所接受的UV劑量發(fā)生離散，最終導(dǎo)致消毒效果在水流斷面上分布不均。因此，當(dāng)UV消毒反應(yīng)器的理論計(jì)算劑量與平行紫外光束儀器的UV劑量相同時(shí)，二者的消毒效果不同。
      此外，由于不同流速下水流斷面上混合的程度不同，造成UV消毒反應(yīng)器的滅活曲線各點(diǎn)的斜率與平行紫外光束儀器測(cè)得的不同，但形狀相似。
      應(yīng)用中，對(duì)不同型號(hào)（不同流量）的反應(yīng)器及目標(biāo)微生物，測(cè)出“微生物滅活率——理論計(jì)算UV劑量”曲線，既可根據(jù)該曲線進(jìn)行選型。
     該方法的方便之處是可以在設(shè)計(jì)階段估算出系統(tǒng)殺菌效率的相對(duì)高低，利于設(shè)備的改進(jìn)和開(kāi)發(fā)。不足之處是不能直接利用實(shí)驗(yàn)成本非常低的平行紫外光束儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要在二者之間通過(guò)實(shí)驗(yàn)再建立一個(gè)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖。
 

（2）生物驗(yàn)證劑量

  
       生物驗(yàn)劑量是將UV消毒反應(yīng)器看做一個(gè)“黑箱”，不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，力圖通過(guò)引入平行紫外光束儀，在不同形式的紫外消毒反應(yīng)器之間建立統(tǒng)一的UV劑量標(biāo)準(zhǔn)，并將實(shí)驗(yàn)室研究用UV劑量與工程應(yīng)用中消毒反應(yīng)器的UV劑量統(tǒng)一成一個(gè)概念，以方便水廠設(shè)計(jì)人員的使用和理解。其方法是：首先將測(cè)試水樣連續(xù)流過(guò)UV消毒反應(yīng)器，改變流量，監(jiān)測(cè)不同流量下反應(yīng)器進(jìn)、出口的微生物濃度，繪制“消毒反應(yīng)器流量——微生物滅活率”曲線。對(duì)于城市污水處理廠最常用的模塊化開(kāi)放渠道式UV消毒系統(tǒng)，流量坐標(biāo)軸一般換算成每支紫外燈每分鐘處理的水量（Lpm）。與此同時(shí)，在UV消毒反應(yīng)器的進(jìn)口處取水樣，用平行紫外光束儀按前面描述的方法測(cè)試不同UV劑量下的微生物滅活率，繪制“微生物滅活率——UV劑量”曲線。以微生物滅活率為紐帶，將“消毒反應(yīng)器流量——微生物滅活率”曲線與“微生物滅活率——UV劑量”曲線合并，得到“消毒反應(yīng)器流量——UV劑量”曲線。通過(guò)該曲線可以查出該消毒反應(yīng)器在指定流量和指定燈管數(shù)量下所能提供的有效UV劑量，該劑量對(duì)應(yīng)于一定的微生物滅活率。
       該方法的優(yōu)點(diǎn)是非常方便設(shè)備的選型，在不同的廠家設(shè)備之間建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高昂，不利于技術(shù)的迅速更新。
       但需要特別注意的是，以上測(cè)試過(guò)程旨在在UV消毒反應(yīng)器和平行紫外光束儀之間建立一一對(duì)應(yīng)的橋梁，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程必須可控制性，即微生物的種類、濃度、水的透光率、SS等都必須可以通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行控制，目的在于保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，這是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，實(shí)驗(yàn)中采用的不一定是污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)中要求的微生物。目前只有NWRI和AWWARF公布了有關(guān)城市污水處理廠污水紫外消毒的生物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其中明確指出所使用的微生物應(yīng)為MS2病毒噬菌體。糞（總）大腸菌由于不滿足控制因素要求，誤差較大，不能采用。目前在我國(guó)的流行的糞（總）大腸菌生物驗(yàn)證曲線均來(lái)自國(guó)外某一污水處理廠的實(shí)際測(cè)試曲線，屬于工程竣工驗(yàn)收的測(cè)試范疇，不滿足上述用于設(shè)計(jì)目的的UV消毒反應(yīng)器生物驗(yàn)證測(cè)試要求，不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)出現(xiàn)的國(guó)外同一型號(hào)的UV污水消毒反應(yīng)器，分別采用以糞大腸菌和總大腸菌測(cè)試的生物驗(yàn)證曲線選型，燈管數(shù)量相差30%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程所允許的誤差范圍，也超過(guò)了采用理論計(jì)算劑量帶來(lái)的誤差，失去了其原有的目的。

5、結(jié)論

    （1） UV消毒反應(yīng)器消毒效果的控制參數(shù)是UV劑量，該參數(shù)間接確定了消毒反應(yīng)器的微生物滅活率。
    （2） 給排水工程中所講述的UV劑量實(shí)際上是指UVC劑量，UVA和UVB部分導(dǎo)致的劑量應(yīng)扣除，“UV消毒”實(shí)為“UVC消毒”。
    （3） 給排水工程中應(yīng)用的紫外消毒反應(yīng)器的UV劑量有兩種表述方式，理論計(jì)算劑量（EPA UVDIS）和生物驗(yàn)證劑量。
    （4） 生物驗(yàn)證劑量在不同的廠家設(shè)備之間建立統(tǒng)一了的標(biāo)準(zhǔn)．
    （5） 生物驗(yàn)證劑量的測(cè)定必須滿足嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)程序要求，相關(guān)的參數(shù)必須有可控性和重顯性，實(shí)際運(yùn)行的污水處理廠糞（總）大腸菌的生物驗(yàn)證曲線不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

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