紫外線消毒技術在飲用水中應用的影響因素
摘要：由于其消毒效果好且不產生有害的消毒副產物等優點，紫外消毒技術在自來水工藝中的運用近些年來越來越受重視。尤其在針對賈第蟲和隱孢子蟲方面，紫外線消毒技術被證實具有很好的處理效果。本文中將通過對混凝絮凝后的水質分析，研究紫外線消毒技術在自來水工藝中運用的影響因素。結果表明：化學水質參數(比如：pH,，溫度， 堿度，總無機碳等)不對其效果產生影響;而濁度>3NTU時會明顯降低UV的消毒效果，懸浮物質的存在降低了紫外線穿透率，從而使滅活效果降低。此外水處理化學藥劑和紫外燈套管的結垢也被認為對UV消毒效果影響嚴重。
關鍵詞：紫外燈,濁度,化學藥劑,紫外燈套管的結垢
紫外線滅菌與其他大多數化學消毒藥劑不同，并不通過電子得失發生氧化還原反應進行，它是通過紫外光光化學反應來破壞病毒、細菌和其它微生物的遺傳物質DNA，使其失去活性無法復制再生從而達到消毒的目的。紫外燈消毒早先廣泛的應用于污水處理系統，尤其是應用于灌溉的再生水。直到上個世紀90年代，UV消毒技術才被廣泛的應用于飲用水處理系統，這主要歸功于1998年新的研究證明用很低的紫外劑量(40to70mJ/cm)就可對賈第蟲和隱孢子蟲進行滅活。并且由于反應原理的不同，紫外線消毒不產生有害的衍生物，消毒后的水也不產生異味。美國環保署(USEPA)的有關技術經濟評估表明紫外線消毒比加氯消毒和臭氧消毒可以更為經濟有效地控制這些原生動物，且不會產生消毒副產物。
一般來說，飲用水處理系統中，溫度，pH，堿度，總無機碳等化學水質參數對紫外線消毒的影響是可以忽略不計的。但是當水中含有高濃度的鐵，鈣，苯酚，懸浮物，和自然有機物時，紫外線的消毒效果將大受影響，因為這類化合物的存在降低了紫外線強度，從而使滅活效果降低。而美國環保署(USEPA)的關于飲用水處理系統中紫外消毒應用的調查也只限于濁度低于1NTU的進水。因此本文將更進一步的了解濁度以及其他化合物對紫外線消毒影響的原理和條件，以便于更好的應用紫外消毒技術。
1.懸浮物
吸光率和散射率是降低紫外線穿透率的兩大重要因素，而水中的懸浮物可以吸收紫外線從而降低紫外線的穿透率，并且懸浮物與水中的其他微生物粘合后形成防護層阻礙了紫外線的傳遞，這兩種情況下紫外線被懸浮物吸收而滅活將不起作用。因此紫外線的吸光率被認為是計算紫外線有效劑量的重要參數。懸浮物的存在還造成了紫外線的散射，其中包括光源方向的反散射，這種散射也會降低紫外線的強度，不過散射不會使紫外線滅活失效。
在飲用水處理系統中，Christensen和Linden的研究證明當濁度低于3NTU時紫外線劑量的損失可以忽略不計，當濁度以1-10NTU遞加時，其紫外線平均劑量的損失將從5%到33%依次遞加。國內的紫外燈消毒系統的應用于沉淀池或濾池之后，其進水濁度低于3NTU，懸浮顆粒本身對紫外線的效果的影響可忽略，因此更多的研究重點將放在懸浮顆粒和微生物結合體的影響上。
1.1懸浮物的大小
飲用水處理系統中現有的懸浮顆粒從0.03μm開始大小不等，小顆粒懸浮物只會吸收紫外光以降低紫外線有效劑量，而大顆粒懸浮物將包裹住微生物形成保護層阻礙紫外光的傳遞。大量關于微生物臨界顆粒體積(CPS)的研究證明當懸浮顆粒的大于其CPS時，將會嚴重影響該微生物滅活效果。而Bermanetal.研究也表明當微生物與體積大于7μm的懸浮顆粒粘合時，它的抗紫外線能力是它與小顆粒懸浮物粘合是的3-5倍，即使是體積小于2μm的懸浮顆粒，仍然能對微生物形成保護層。
1.2懸浮物與微生物的相互作用
飲用水系統中，懸浮物的種類一般包括泥土，化學混凝劑和絮凝劑，活性碳顆粒，藻類等。混凝劑和絮凝劑的添加有利于水中濁度的下降，但同時病毒作為一種生物膠體，易受靜電吸引力影響，依附在表面帶正電荷的絮凝劑和混凝劑上，這類結合體通過沉淀和過濾系統后將會大大降低紫外線消毒效果。而活性炭顆粒具有極好的吸附能力，經檢驗證明85%的活性炭顆粒將吸附低于50種細菌，而8%的活性碳顆粒將吸附更多細菌，這類結合體都具有很高的抗紫外線能力。目前為止還沒有一種很有效的方式可以數值化測定這種結合體對紫外線劑量的具體影響。
2.水處理化學藥劑
總體來說，大多數水處理化學藥劑不吸收紫外線，它們對紫外線穿透率的影響可以忽略。Cushingetal.研究了大量水處理化學藥劑包括：鋁離子，氨，磷酸鹽，氫氧化物，二價鐵離子，都對紫外線穿透率沒有影響，但是有幾種化學劑被他認為會減少紫外線穿透率：
1)三價鐵離子是紫外線消毒系統中的重要影響參數，其極易形成保護層附于微生物表面，又有很強的紫外線吸收能力，將會極大程度上消減紫外線穿透率。但是三價鐵離子只存在于低溶解氧的水中，因此濾后水中的三價鐵離子含量很低。
2)高錳酸鹽具有很強的紫外線吸收能力，不過一般而言高錳酸鹽被投加到的源水中去除水中的異臭異味，在過濾后的水中含量不高。
3.石英燈管結垢
影響紫外線消毒效果的另一個重要因素是石英燈管表面的積聚的有機物和無機物結垢。紫外燈裝在石英套管內并與水體隔開，潔凈石英套管在波長為253.7nm的紫外線穿透率不應小于90%。紫外燈石英套管與水體接觸，接觸面會結垢。之前的研究表明燈管結垢一般和進水的硬度，以及水中的金屬物質含量(如：鐵離子)有關，水中的膠體和鐵含量高時，因紫外燈管外套石英管表面帶負電荷，會吸引水中的陽離子(Ca,Mg,Fe)而在其表面結垢，水的硬度影響可吸收紫外光的金屬化合物的溶解度而在表面生成碳酸鹽結垢，這會極大地影響紫外線的穿透率。
燈管結垢速度的快慢的取決于水質以及燈管類型，Mackeyetal.研究證明總硬度低于140mg/L，鐵離子含量低于0.1mg/L時，傳統燈管清洗方案(清洗頻率為1次/15分鐘到1次/1小時)既可以消除燈管結垢對紫外線消毒效果的影響。多個相關研究證實選擇中壓燈所提供的紫外線強度和燈管溫度足夠應對大多數有機物結垢問題。
4.控制和解決影響因素的方法
飲用水處理系統中添加過濾系統(如：沙濾池)，過濾系統嫩很好的去處大多數影響紫外線消毒效果的因素，如懸浮顆粒，金屬離子等，而濾后水的濁度一般認為不會超過1NTU，其對紫外線的影響可以忽略不計。
紫外燈管的清洗分為人工清洗、在線機械清洗、在線機械加化學清洗等，在線機械加化學清洗被認為是最有效的清洗方式，清洗燈管的藥劑一般為檸檬酸或磷酸。清洗后的紫外線穿透率將恢復到原先的98%。
5.總結
1)在飲用水處理系統中，懸浮顆粒和微生物的結合體被認為是主要的影響因素。懸浮顆粒的大小和它與微生物的相互作用都一定程度上影響了了紫外線的穿透率。
2)水處理化學藥劑如三價鐵離子和高錳酸鹽都很大程度上消弱了紫外線的消毒效果，但是在濾后水中，他們的含量很低，作用可忽略不計。
3)石英燈管結垢在也是重要影響因素，其結垢的速度取決于水質的控制和燈管的選擇。
4)通過增加過濾系統和按時清洗紫外燈管可以有效地改善這些影響因素，以便于更有效的應用紫外線消毒系統。
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