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本栏目编辑介绍
紫外消毒器处理能力的确定与设备选型

      勿庸置疑,紫外消毒器能力的确定是紫外消毒设计中最重要的一环。

    需要提前掌握待消毒的水质的情况,尤其是水的透光能力,至少要提供一个取值范围。

    按照水质条件根据经验借鉴相似水质条件下的工程来设计紫外的消毒能力。

    需要采用理论计算的办法或试验的办法来验定其处理能力。试验称作生物验定试验,应保证在运行的不利条件下的仍满足消毒的要求。生物验定试验一般采取一定的步骤和条件来进行。

    生物验定试验方法:

1. 什么是生物验定?

    所谓生物验证就是通过对紫外线反应器投加细菌或病毒等微生物试体来测定反应器的实际消毒效果,根据消毒效果,比较在相同效果下平行光紫外线消毒时的剂量而得到紫外线反应器的当量剂量,或者称为生物验定剂量。通过这种方式,紫外线反应器的实际消毒性能或者说消毒剂量就可以精确测定。

    由于目前紫外线消毒反应器的剂量的还难于通过精确计算来确定,尽管有了一些经验公式,但计算结果往往与实际的效果相差较大,因此对反应器的剂量的确定必须采用生物验定的方法。

    因此,紫外线消毒设备在工程设计和应用之前,应提供有资质的独立的第三方的验证报告,以确保紫外线设备的消毒效果。我国《城市给排水紫外线消毒设备》( GB/T19837-2005 ) 对此做了规定。

    生物验定试验主要通过平行光试验进行。其装置如下图:


图 平行光试验装置

    紫外光可以通过一个长的圆形照射管照射到微生物样品上,紫外线照射剂量单位为 mJ/cm 2 或 J/m 2 。要确定每立方米水每小时或每天所需紫外线的剂量,建立这二者之间的关系。

2. 生物验定的试验条件

    紫外线反应器验证的实验条件必须包括水质(紫外穿透率)、流量及灯管输出功率的变化。实验条件表格应包括实际应用中会遇到的运行条件的范围。这些实验条件必须包括:

1) 预计可能碰到的最低紫外穿透率

2) 预计通过紫外线反应器的最高设计流量

3) 预计进入水中的最低紫外光能量,这可通过降低灯的输入功率或用寿命终点的灯管来模拟(灯管紫外输出随使用时间增加而衰减)。

4) 至少有一次测试包括以上所有情况。

5) 对于饮用水应用,需监测水体的浊度。在整个测试过程中的一定范围内保持数据的相对稳定性。

6) 对于污水应用,总悬浮物需在污水应用范围内并在实验中相对稳定。

7) 若没有可靠的验证证据,管套结垢系数默认值需是 0.8 (紫外线输出功率减少 20 %),灯管老化系数默认值为 0.5( 输出减少到 50%) 。

    对于污水应用而言,总悬浮物含量会影响紫外设备的消毒性能,所以必须小心以保证设备在验证过的条件下运行。一般来说,设备在总悬浮物含量低于验证实验的总悬浮物时运行没有问题。在整个测试中总悬浮物含量必须被随时监测并保持相对稳定。在验证中人为改变总悬浮物是很困难的,也没有一个实用可靠的协议,最好的方法就是用和应用时水质相近的污水做为实验验证水源。

3. 生物验定步骤

1 微生物批量准备

    受测微生物按照要求选取。第三方验证人员在每天投加前进行检查和记录。

    紫外穿透率调节剂的准备,准备浓度为 40% 或 50% (容积比)的咖啡溶液,将雀巢高浓度型即溶咖啡溶解在沸腾的去离子水中,并用一个手持电动搅拌器充分搅拌。当冷却到周围环境温度时,保证咖啡中没有沉淀物。在实验时,将采样混合到一 10L 的大口瓶中并将溶液注入到注射管道里。当其中液体减少时要将大口瓶不断加满。这样也可使每批的浓度上的差别变得均匀。

2. 实验程序

    生物验定实验必须由一个有资质及经验的实验人员协调,由该人向实验小组就目标流量、灯管功率、紫外穿透率、注射速度等参数进行沟通。第三方验证人员见证或进行设备及所有实验操作及取样,并记录所有第一手资料。

    用于测试的水样由第三方验证人员送到现场实验室,进行紫外透光率、浊度、光谱扫描和平行光等测量。微生物样品将由第三方人员冷藏后在当天实验结束时送到微生物实验室。

3. 样品采集及监管

    样品采集需在第三方验证人员的监管下进行。每次实验需在进水口和出水口采集 2 份 50 毫升的水质样品和 5 份 15 毫升的微生物样品。若需进行平行光实验,要在进口处多采集 1 升的样品。

    水质和平行光样品应被立即送到现场实验室并由第三方验证人员见证他们的测量及照射处理。消毒器的微生物样品与对照组样品及平行光照射过样品应做冷藏处理,第三方人员负责监护并将这些样品送到微生物实验室。每 5 个复制样品中的 3 个首先被处理。若出现结果偏差较大,所有 5 个备份样品都需要进行重新计数。

4. 平行光剂量——响应校准曲线

    平行光剂量——响应曲线被用来根据检测出的紫外线反应器的 log 灭活率确定紫外线反应器的生物验定剂量。每天的每批稀释样品需要得到这样一条校准曲线。校准曲线由于微生物抵抗性和水样中其他化学物的因素可能每日不同。实验的每天都做一条校准曲线以保证所有验证实验的有效性。校准曲线在不同的紫外穿透率下应不变,因为平行光剂量校准程序已把紫外穿透率考虑在内。为了证明这点,在最高和最低紫外穿透率下的校准曲线应该相同,因此可全部用来做为每批实验的校准曲线。

5. 数据管理及剂量预测

    在每天的测试结束时,第三方验证人员应复印所有当天的表格纪录,并且记录下整日每个测试的数据并与当时记录核对。

6. 质量保证及质量控制

    实验验证时必须努力保证稳定的测试运行条件,包括稳定的流量、灯管功率、紫外穿透率、总悬浮物(污水应用)。此外,需要进行微生物控制,测试系统控制,紫外线反应器样品质量及精度的确认及混合程度的确认以保证验证工作的高质量。

    此外,紫外线反应器在高功率和低功率设置下进行了测试。当把所有的测试结果综合起来看,形成了完整的一套有效剂量传递的数据,包括了三个主要的变量:流量、紫外穿透率和灯管功率水平设定,其关系可以由公式 (1) 表示:

    BioassayDose = (1)

    其中 Q 是流量(美式百万加仑/天),

    UTV 为紫外穿透率(%/厘米),

    P 为灯管功率密度(瓦/厘米)。

    a,b,c,d 为常量,数值由具体试验数据决定。

    另外在测试过程中还包括 1) 流量测量; 2) 紫外穿透率测量; 3) 光谱扫描; 4) 浊度测量; 5) 灯管功率水平确认(灯管电流测量)及老化灯管的使用; 6) 灯管功率测量; 7) 水头损失测量; 8) 混合实验等。


密闭式消毒器的设计计算

    密闭式消毒器适于有压流体的消毒,主要用在给水或中水的消毒处理中。密闭消毒器主体是一段金属管道,管道中部是紫外灯模块灯组,两端分别是进水管和出水管,进水管一般垂直于消毒器腔体,灯管和水流方向平行。中小水量采用低压灯或低压高强灯,大水量采用中压灯。

    密闭式消毒器的设计,主要包括确定进出水口的位置和形式,确定反应器腔体的尺寸,确定紫外灯数量和灯组布置形式。

    密闭式消毒器的设计,按照水量、水质和出水要求,确定所需要的最少紫外剂量,再通过剂量求得相应的灯管数。在这个过程中,可以考虑的方案有中压灯和低压灯系统,在很大处理水量的时候,选用中压灯。

    确定灯管总数后,接下来确定灯组的数目以及灯组的布置形式。这些都根据一定的计算和经验来确定。


消毒器设备选型

    消毒器设备可按给水处理或排水处理分为两大类。

    适于给水处理的消毒器多数是密闭式消毒器,而排水处理的消毒器的主要形式是敞开式的渠道消毒反应器,目前的紫外消毒公司生产的各类消毒器可以满足不同的消毒需要。

选型方法

    主要根据消毒所需剂量、根据需要消毒的水的水质、消毒目的和要求、根据消毒设备运行维护以及消毒的场所的环境条件等等,选择合适的消毒反应器设备。

•  消毒水量很大的时候,紫外消毒需要的低压汞灯过多,灯管的清洗维护工作量巨大。此时考虑用低压高强灯、或者采用中压汞灯消毒系统,以减少灯管数目,改善消毒水力条件。

    一般处理同样流量达到相同指标情况下,低压灯数量大约 10 倍于中压灯,低压高强灯数量大约 3 ~ 4 倍于中压灯。

    例如:处理 50 万 m 3 /d 的废水,总共需要低压汞灯管 5000 支左右。

    如换成低压高强灯:需 1200 ~ 1600 支左右。

    如换成中压等:则只需要 500 支左右。

    但是中压灯的成本较高。

    更换灯管周期:如果水厂 24h 运行,则低压汞灯和低压高强灯约每 500 天需更换新灯,中压灯需要每 200 多天更新一次灯管。

•  封闭式消毒器中,绝大多数的成型产品,它们直径较小,处理水量有限。大水量的给水和中水处理中,需要设计大直径的密闭式消毒器,但由于耐压问题,大直径的密封式消毒器的制造较少。这种大水量的消毒条件下,需要根据消毒水量要求,由消毒器厂家单独设计制造。

•  敞开式消毒器,除去紫外灯组的数量满足消毒剂量要求外,要考虑镇流器的形式与安装,还要根据场地的条件,选择合适的水渠形式、合理的反应器水位控制形式。

    比如,当消毒系统出水与排放水体的水位差过小时,宜采用溢流堰的形式出水,或电动堰门出水,但不宜采用拍门出水,防止因为当地洪水位提高时,消毒设备不能正常运行。

•  无论采用何种紫外消毒器,都应保证该消毒器能正常安装运行,并且满足消毒剂量使出水达到消毒目的。


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