二次供水系統中UV消毒裝置的開發
二次供水系統雖然有效地解決了高層建筑供水在水量和水壓上的需求，但出水水質下降，普遍存在的問題是細菌學指標超標，余氯量也基本為零。
改善二次供水系統的水質問題，除加強管理、改進水箱材質和構造外，其根本的措施是進行二次消毒處理。目前對水進行消毒處理的方法主要有物理法和化學法，而化學法中常用的消毒劑均為有毒氣體，考慮到在居民樓內二次供水系統的安全性以及避免形成消毒副產物，各種化學消毒法均不宜采用。物理法中加熱法、超聲波法、紫外線照射法、磁場、高壓靜電場、高頻場均可殺菌消毒，考慮到安全性和技術條件的成熟程度，試驗選中了紫外線照射工藝。近年來，國外對紫外線消毒效果予以充分重視，特別是發現自來水中存在隱孢子蟲屬后，把紫外線消毒工藝作為自來水消毒的最后一道把關的工序，并即將正式列入美國供水法規。
紫外線殺菌消毒原理是利用適當波長的紫外線能夠破壞微生物機體細胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子結構，造成生長性細胞死亡和(或)再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。經試驗，紫外線殺菌的最有效波長范圍為254～257 nm，試驗采用的ZX型高壓汞燈可滿足其要求。
1 試驗裝置
1.1 靜態裝置
靜態試驗的目的是測試水在靜止狀態下滅菌率與紫外線輻射半徑、輻照時間的關系。裝置由不銹鋼鏡面板制成，鏡面板的作用是把穿透水體的紫外線重新反射回水體。紫外線燈管浸沒在水中，以燈管為中心，調整燈管周圍可調擋板，達到調整輻射半徑和水體容積的目的。在各種輻射半徑和輻照時間下，測定輻照前后水中細菌學指標的變化，并算出滅菌率，從而確定滅菌規律。
1.2 動態裝置
動態裝置是根據靜態試驗獲得的參數，用不銹鋼鏡面板制作。按居住樓設計秒流量計算法計算出調節水箱最大供水流量，以此流量和停留時間(輻照時間)確定動態裝置的凈容積。為保證殺菌效果，將裝置分為三格，每格內設一支紫外線燈管，讓水順序流過三格，延長其受輻射時間。
2 試驗結果
2.1 靜態試驗結果
以國產500WZX型紫外線燈管分別對輻射半徑為0.05、0.075、0.10、0.125、0.15、0.175、0.20、0.225 m的靜止水體進行殺菌試驗，分別測得開始時刻及各輻照歷時后的細菌個數，并計算出其殺菌率(%)，結果見表1。
表1 靜態試驗的輻射半徑、輻照歷時與殺菌率
|
輻射半徑(cm) |
輻照歷時(s) |
|||||||||||
|
0 |
3 |
5 |
8 |
10 |
12 |
15 |
18 |
20 |
25 |
30 |
40 |
|
|
殺菌率(%) |
||||||||||||
|
5 |
0 |
60 |
89 |
98 |
100 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
7.5 |
0 |
53 |
80 |
87 |
98 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
0 |
45 |
77 |
84 |
95 |
98 |
|
|
|
|
|
|
|
12.5 |
0 |
42 |
75 |
80 |
91 |
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
0 |
40 |
74 |
79 |
89 |
|
|
|
|
|
|
|
|
17.5 |
0 |
40 |
72 |
77 |
87 |
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
0 |
36 |
68 |
73 |
84 |
|
|
|
|
|
|
|
|
22.5 |
0 |
35 |
61 |
65 |
78 |
|
|
|
|
|
|
|
試驗中細菌學指標檢測方法用平皿計數法測量細菌總數，用多試管發酵法和膜濾法測量總大腸桿菌數，并用兩種方法互相校核。
表1 靜態試驗的輻射半徑、輻照歷時與殺菌率
2.2 動態試驗結果
動態試驗在某高層建筑14樓頂水箱內進行，水箱水經本裝置處理后進入管網，在13層水龍頭處分別取不同出水流量下的水樣進行化驗，最大流量要大于供10層樓居民用水的設計秒流量(設定下部4層為市政管網直接供水，不經過調節水箱)，細菌學指標監測方法與靜態試驗相同。結果如表2所示。
表2 不同流量時的滅菌率
|
用水量(L/s) |
原水細菌(個/mL) |
出水細菌數(個/mL) |
滅菌率(%) |
原水大腸菌(個/L) |
出水大腸菌(個/L) |
滅菌率(%) |
|
0.21 |
62 |
0 |
100 |
52 |
1 |
98.1 |
|
0.41 |
62 |
0 |
100 |
52 |
1 |
98.1 |
|
0.90 |
62 |
0 |
100 |
52 |
1 |
98.1 |
|
0.54 |
120 |
3 |
97.5 |
92 |
2 |
97.8 |
|
1.24 |
120 |
5 |
95.8 |
92 |
2 |
97.8 |
|
5.4 |
120 |
8 |
93.3 |
92 |
2 |
97.8 |
|
2.4 |
210 |
12 |
94.3 |
140 |
1 |
99.3 |
|
3.8 |
210 |
20 |
90.5 |
140 |
2 |
98.6 |
|
7.04 |
210 |
24 |
88.6 |
140 |
2 |
98.6 |
3 分析與討論
3.1 靜態試驗結果分析
靜態試驗結果表明，在靜止水體中的紫外線殺菌率與輻射半徑、輻照歷時有關。在不同的輻射半徑中，當輻照歷時相同時，滅菌率隨輻射半徑增大而降低。而要達到100%的滅菌率，需要的輻照歷時隨輻射半徑的增加而增加，而且隨著輻射半徑的增大，所需輻照歷時增加趨勢加速，所以紫外線輻照滅菌應設計在合理的輻射半徑范圍內。當輻射半徑一定時，滅菌率則隨輻照歷時延長而明顯增高。
上述分析表明要提高殺菌率必須減小輻射半徑而延長輻照歷時。在實際運行中，水流經滅菌箱體時的流速v、箱體的斷面積A(決定輻射半徑)與用水量Q之間的關系為Q=vA；滅菌箱體長度L與水流速度v、輻照歷時t之間的關系為L=vt。在水量一定時，增大斷面積A，可減小流速v。降低流速v意味著流過L長度所需時間延長，水在滅菌箱中的輻照歷時延長，有利于滅菌率，但同時因斷面積A增大，使輻射半徑增大，又不利于提高滅菌率。
因此，應該在按設計秒流量計算出的流量條件下，依據靜態試驗結果，選擇最佳的輻射半徑和輻照歷時設計動態裝置。
3.2 動態試驗結果分析
動態裝置的殺菌率隨流量的增大而降低，但只要流量在設計秒流量范圍內，出水的細菌學指標都能滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—85)。裝置的設計秒流量為5.14 L/s，其尺寸足以保證水流經滅菌箱時的停留時間。另外，當原水中細菌總數為210 個/mL、大腸菌數為140個/L、出水量為7.04 L/s(超過設計秒流量)時，出水細菌總數為24 個/mL、大腸菌數為2 個/L，仍能滿足細菌學指標要求，說明該裝置具有相當的抗沖擊負荷能力。
4 結論
根據靜態試驗的參數及建筑給水設計秒流量計算設計出的動態裝置，能夠滿足高層建筑用戶用水時對調節水箱出水的二次消毒要求，其水質細菌學指標達到國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—85)。由于紫外線消毒不產生二次污染，保證了用水的安全性和消毒場所的安全性，尤其是該裝置采用了自動水力開關系統，可根據用戶用水與否、用水量大小自動啟閉裝置內的紫外線燈管電路，實現了自動運行，并節省電耗。該裝置進、出水口的合理布置使調節水箱不再形成死水區，改善了水箱水質。裝置的特定接頭和浸沒式安裝，不需改動原調節水箱的管道，方便于在原調節水箱(水池)內安裝。
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