紫外光水消毒技術(shù)中的UV劑量
1. 消毒基本原理及有效波段
紫外光是指波長位于200~400nm之間的電磁波，細(xì)分為四個不同的波段：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)時間都在數(shù)秒鐘內(nèi)，因此，實際上只有UVC波段發(fā)揮了殺菌作用，衡量或確定一個紫外光水消毒系統(tǒng)的UV劑量時，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，通常所說的UV劑量實際上是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）＝照射時間（s）× UVC強(qiáng)度（W/m2） （1）
UV劑量越高，消毒效果越好。設(shè)計中首先根據(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)度和時間無關(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單，但實際應(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)，可按使用地點和方式的不同，將UV劑量可分為：實驗室研究用UV劑量和工程應(yīng)用消毒設(shè)備UV劑量。
3、實驗室研究用UV劑量
實驗研究中，一般采用一種叫做“平行紫外光束儀器（Collimated Beam Apparatus）”的儀器（見圖1、2）測定UV劑量與微生物滅活率關(guān)系曲線，以統(tǒng)一不同實驗室的實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實驗結(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。正式對水樣進(jìn)行消毒前要測試培養(yǎng)皿內(nèi)水面的紫外光強(qiáng)度，該強(qiáng)度在整個實驗過程中為定值。實驗時，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。改變曝光時間，利用式3計算出相應(yīng)的UV劑量。同時，測試曝光前及不同曝光時間后的微生物濃度，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：曝光時間（s）
I：測試水樣表面中心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：理論計算劑量和生物驗證劑量。
（1）理論計算劑量
理論計算劑量的思路與實驗室研究用UV劑量相同，也是依據(jù)準(zhǔn)確的物理理論計算出輻照面（水流斷面）上的平均紫外光強(qiáng)，然后乘以理論水力停留時間。
水流斷面上平均UV強(qiáng)度的計算是采用美國環(huán)保署為其發(fā)布的《城市污水消毒設(shè)計手冊》（EPA/625/1-86/021）編寫的計算軟件UVDIS計算理論劑量。該軟件綜合考慮了燈管的UVC輸出強(qiáng)度、電弧長、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，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)所實現(xiàn)的理想混合，實際接受到的輻照時間發(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)器的理論計算劑量與平行紫外光束儀器的UV劑量相同時，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)器的滅活曲線各點的斜率與平行紫外光束儀器測得的不同，但形狀相似。
應(yīng)用中，對不同型號（不同流量）的反應(yīng)器及目標(biāo)微生物，測出“微生物滅活率——理論計算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)計階段估算出系統(tǒng)殺菌效率的相對高低，利于設(shè)備的改進(jìn)和開發(fā)。不足之處是不能直接利用實驗成本非常低的平行紫外光束儀器的實驗結(jié)果，需要在二者之間通過實驗再建立一個一一對應(yīng)關(guān)系曲線圖。
（2）生物驗證劑量
生物驗劑量是將UV消毒反應(yīng)器看做一個“黑箱”，不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，力圖通過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)，并將實驗室研究用UV劑量與工程應(yīng)用中消毒反應(yīng)器的UV劑量統(tǒng)一成一個概念，以方便水廠設(shè)計人員的使用和理解。其方法是：首先將測試水樣連續(xù)流過UV消毒反應(yīng)器，改變流量，監(jiān)測不同流量下反應(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。對于城市污水處理廠最常用的模塊化開放渠道式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，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，該劑量對應(yīng)于一定的微生物滅活率。
該方法的優(yōu)點是非常方便設(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)。缺點是實驗費(fèi)用高昂，不利于技術(shù)的迅速更新。
但需要特別注意的是，以上測試過程旨在在UV消毒反應(yīng)器和平行紫外光束儀之間建立一一對應(yīng)的橋梁，因此整個實驗過程必須可控制性，即微生物的種類、濃度、水的透光率、SS等都必須可以通過嚴(yán)格的實驗程序進(jìn)行控制，目的在于保證實驗結(jié)果的可重復(fù)性，這是工程設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，實驗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證實驗標(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。目前在我國的流行的糞（總）大腸菌生物驗證曲線均來自國外某一污水處理廠的實際測試曲線，屬于工程竣工驗收的測試范疇，不滿足上述用于設(shè)計目的的UV消毒反應(yīng)器生物驗證測試要求，不能作為設(shè)計依據(jù)。實踐中也發(fā)現(xiàn)，在我國出現(xiàn)的國外同一型號的UV污水消毒反應(yīng)器，分別采用以糞大腸菌和總大腸菌測試的生物驗證曲線選型，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，也超過了采用理論計算劑量帶來的誤差，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，理論計算劑量（EPA UVDIS）和生物驗證劑量。
（4） 生物驗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） 生物驗證劑量的測定必須滿足嚴(yán)格的實驗程序要求，相關(guān)的參數(shù)必須有可控性和重顯性，實際運(yùn)行的污水處理廠糞（總）大腸菌的生物驗證曲線不能作為設(shè)計依據(jù)。
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