紫外线消毒技术在饮用水中应用的影响因素
摘要：由于其消毒效果好且不产生有害的消毒副产物等优点，紫外消毒技术在自来水工艺中的运用近些年来越来越受重视。尤其在针对贾第虫和隐孢子虫方面，紫外线消毒技术被证实具有很好的处理效果。本文中将通过对混凝絮凝后的水质分析，研究紫外线消毒技术在自来水工艺中运用的影响因素。结果表明：化学水质参数(比如：pH,，温度， 碱度，总无机碳等)不对其效果产生影响;而浊度>3NTU时会明显降低UV的消毒效果，悬浮物质的存在降低了紫外线穿透率，从而使灭活效果降低。此外水处理化学药剂和紫外灯套管的结垢也被认为对UV消毒效果影响严重。
关键词：紫外灯,浊度,化学药剂,紫外灯套管的结垢
紫外线灭菌与其他大多数化学消毒药剂不同，并不通过电子得失发生氧化还原反应进行，它是通过紫外光光化学反应来破坏病毒、细菌和其它微生物的遗传物质DNA，使其失去活性无法复制再生从而达到消毒的目的。紫外灯消毒早先广泛的应用于污水处理系统，尤其是应用于灌溉的再生水。直到上个世纪90年代，UV消毒技术才被广泛的应用于饮用水处理系统，这主要归功于1998年新的研究证明用很低的紫外剂量(40to70mJ/cm)就可对贾第虫和隐孢子虫进行灭活。并且由于反应原理的不同，紫外线消毒不产生有害的衍生物，消毒后的水也不产生异味。美国环保署(USEPA)的有关技术经济评估表明紫外线消毒比加氯消毒和臭氧消毒可以更为经济有效地控制这些原生动物，且不会产生消毒副产物。
一般来说，饮用水处理系统中，温度，pH，碱度，总无机碳等化学水质参数对紫外线消毒的影响是可以忽略不计的。但是当水中含有高浓度的铁，钙，苯酚，悬浮物，和自然有机物时，紫外线的消毒效果将大受影响，因为这类化合物的存在降低了紫外线强度，从而使灭活效果降低。而美国环保署(USEPA)的关于饮用水处理系统中紫外消毒应用的调查也只限于浊度低于1NTU的进水。因此本文将更进一步的了解浊度以及其他化合物对紫外线消毒影响的原理和条件，以便于更好的应用紫外消毒技术。
1.悬浮物
吸光率和散射率是降低紫外线穿透率的两大重要因素，而水中的悬浮物可以吸收紫外线从而降低紫外线的穿透率，并且悬浮物与水中的其他微生物粘合后形成防护层阻碍了紫外线的传递，这两种情况下紫外线被悬浮物吸收而灭活将不起作用。因此紫外线的吸光率被认为是计算紫外线有效剂量的重要参数。悬浮物的存在还造成了紫外线的散射，其中包括光源方向的反散射，这种散射也会降低紫外线的强度，不过散射不会使紫外线灭活失效。
在饮用水处理系统中，Christensen和Linden的研究证明当浊度低于3NTU时紫外线剂量的损失可以忽略不计，当浊度以1-10NTU递加时，其紫外线平均剂量的损失将从5%到33%依次递加。国内的紫外灯消毒系统的应用于沉淀池或滤池之后，其进水浊度低于3NTU，悬浮颗粒本身对紫外线的效果的影响可忽略，因此更多的研究重点将放在悬浮颗粒和微生物结合体的影响上。
1.1悬浮物的大小
饮用水处理系统中现有的悬浮颗粒从0.03μm开始大小不等，小颗粒悬浮物只会吸收紫外光以降低紫外线有效剂量，而大颗粒悬浮物将包裹住微生物形成保护层阻碍紫外光的传递。大量关于微生物临界颗粒体积(CPS)的研究证明当悬浮颗粒的大于其CPS时，将会严重影响该微生物灭活效果。而Bermanetal.研究也表明当微生物与体积大于7μm的悬浮颗粒粘合时，它的抗紫外线能力是它与小颗粒悬浮物粘合是的3-5倍，即使是体积小于2μm的悬浮颗粒，仍然能对微生物形成保护层。
1.2悬浮物与微生物的相互作用
饮用水系统中，悬浮物的种类一般包括泥土，化学混凝剂和絮凝剂，活性碳颗粒，藻类等。混凝剂和絮凝剂的添加有利于水中浊度的下降，但同时病毒作为一种生物胶体，易受静电吸引力影响，依附在表面带正电荷的絮凝剂和混凝剂上，这类结合体通过沉淀和过滤系统后将会大大降低紫外线消毒效果。而活性炭颗粒具有极好的吸附能力，经检验证明85%的活性炭颗粒将吸附低于50种细菌，而8%的活性碳颗粒将吸附更多细菌，这类结合体都具有很高的抗紫外线能力。目前为止还没有一种很有效的方式可以数值化测定这种结合体对紫外线剂量的具体影响。
2.水处理化学药剂
总体来说，大多数水处理化学药剂不吸收紫外线，它们对紫外线穿透率的影响可以忽略。Cushingetal.研究了大量水处理化学药剂包括：铝离子，氨，磷酸盐，氢氧化物，二价铁离子，都对紫外线穿透率没有影响，但是有几种化学剂被他认为会减少紫外线穿透率：
1)三价铁离子是紫外线消毒系统中的重要影响参数，其极易形成保护层附于微生物表面，又有很强的紫外线吸收能力，将会极大程度上消减紫外线穿透率。但是三价铁离子只存在于低溶解氧的水中，因此滤后水中的三价铁离子含量很低。
2)高锰酸盐具有很强的紫外线吸收能力，不过一般而言高锰酸盐被投加到的源水中去除水中的异臭异味，在过滤后的水中含量不高。
3.石英灯管结垢
影响紫外线消毒效果的另一个重要因素是石英灯管表面的积聚的有机物和无机物结垢。紫外灯装在石英套管内并与水体隔开，洁净石英套管在波长为253.7nm的紫外线穿透率不应小于90%。紫外灯石英套管与水体接触，接触面会结垢。之前的研究表明灯管结垢一般和进水的硬度，以及水中的金属物质含量(如：铁离子)有关，水中的胶体和铁含量高时，因紫外灯管外套石英管表面带负电荷，会吸引水中的阳离子(Ca,Mg,Fe)而在其表面结垢，水的硬度影响可吸收紫外光的金属化合物的溶解度而在表面生成碳酸盐结垢，这会极大地影响紫外线的穿透率。
灯管结垢速度的快慢的取决于水质以及灯管类型，Mackeyetal.研究证明总硬度低于140mg/L，铁离子含量低于0.1mg/L时，传统灯管清洗方案(清洗频率为1次/15分钟到1次/1小时)既可以消除灯管结垢对紫外线消毒效果的影响。多个相关研究证实选择中压灯所提供的紫外线强度和灯管温度足够应对大多数有机物结垢问题。
4.控制和解决影响因素的方法
饮用水处理系统中添加过滤系统(如：沙滤池)，过滤系统嫩很好的去处大多数影响紫外线消毒效果的因素，如悬浮颗粒，金属离子等，而滤后水的浊度一般认为不会超过1NTU，其对紫外线的影响可以忽略不计。
紫外灯管的清洗分为人工清洗、在线机械清洗、在线机械加化学清洗等，在线机械加化学清洗被认为是最有效的清洗方式，清洗灯管的药剂一般为柠檬酸或磷酸。清洗后的紫外线穿透率将恢复到原先的98%。
5.总结
1)在饮用水处理系统中，悬浮颗粒和微生物的结合体被认为是主要的影响因素。悬浮颗粒的大小和它与微生物的相互作用都一定程度上影响了了紫外线的穿透率。
2)水处理化学药剂如三价铁离子和高锰酸盐都很大程度上消弱了紫外线的消毒效果，但是在滤后水中，他们的含量很低，作用可忽略不计。
3)石英灯管结垢在也是重要影响因素，其结垢的速度取决于水质的控制和灯管的选择。
4)通过增加过滤系统和按时清洗紫外灯管可以有效地改善这些影响因素，以便于更有效的应用紫外线消毒系统。
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