循環水紫外線消毒器殺菌系統研究和應用技術

近20 年來水產養殖，循環水的研究和應用越來越受到人們的重視。隨著水資源的日益短缺和對傳統池塘養殖水排放限制越來越嚴格，迫切需要研究和發展水產養殖的循環水養殖模式。在一個循環水水產養殖系統中，不可避免地產生魚類的排泄物和餌料殘渣物。如果沒有合適的處理措施，這些廢物的累積會造成不健康的水體環境，導致魚的生長速度減慢，餌料轉化效率低，魚類疾病和死亡率增高。在過去20 年里，美國和歐洲的科學家們對循環水養殖系統進行了很多研究。進入21 世紀后，隨著我國工業廢水處理技術的日益提高，紫外線消毒器殺菌技術在中國得到了較快的發展 ，但針對循環水水產養殖紫外線消毒器殺菌系統的性能的研究還比較少。而對于飲用水消毒和污水處理的飲用水紫外線消毒器和污水紫外線消毒器國內外早已進行了系統研究和實用，

紫外線消毒器廠家石家莊凌卓環保設備有限公司針對循環水紫外線消毒器殺菌系統的性能的目的是：探明循環水系統中的紫外線小區設備的殺菌效果；建立循環水紫外線消毒器殺菌系統的數學模型，并通過實驗數據對模型進行驗證；利用數學模型模擬分析各種條件下的紫外線殺菌性能，為循環水水產養殖系統紫外線殺菌器消毒的優化設計和運行提供依據。

1 理論分析細菌核苷酸吸收一定量的紫外線后會使其遺傳物質的遭到破壞，并導致細胞分裂停止。紫外線殺菌效應通常用細菌濃度（即：單位體積菌落形成單元的數量）的減少率來衡量，在數學上一般以一價反應的形式來描述，即 d d τ ave τ N kI N τ 

（1）式中，Nτ為殺菌τ時間后細菌濃度，CFU/100mL，（CFU 為colony forming unit，即菌落形成單元）；τ為液體流 農業工程學報 2011 年 258 過紫外設備的曝光時間，s；k 為一價失活速率常數，m 2 /J； I ave 為紫外線輻照度平均值，W/m 2 。如果在紫外殺菌前的初始細菌濃度為Nμ，則對方程（1）積分，得細菌濃度為 e ave kI N N  

（2） 紫外線消毒器紫外線殺菌器設備內的平均輻照度可以用比爾定律計算 [6] 。對一個單管式圓柱形燈管來說（圖1），在半徑為r 處的 紫外線輻照度可以表示為 100 - 2π r o r PT r r I rL 

（3）根據體積平均值的計算方法，對于變量X，其平均值 d X V X V ，則平均紫外線輻照度I ave 可由下面公式求得 100( ) 2 d ( 1) 100 ln o o R r r R r ave r L L r I rL r P I T V V T   

（4）式中，P 為紫外線消毒器紫外線殺菌器設備的輸出功率，W；I r 為在半徑為 r 處的紫外線輻照度，W/m 2 ；T r 為UV 254 （254 nm 波長的 紫外線）通過 1 cm 厚度水的透射率，cm -1 ；L 為紫外線 設備的有效長度，m；V L 為紫外線設備的有效容積，m 3 ； R 為燈殼內表面的半徑，m；和r o 為燈管外表面半徑，m。本研究使用了功率為 25 和 40 W 的紫外線設備進行了試驗，其相對應的R 和r o 分別為0.0254 和0.011 m，見圖1。注：R 為燈殼內表面半徑，m；ro 為燈管外表面半徑，m；r 為燈管外表面至燈殼內表面之間任意點至圓心的半徑，m；dr 為半徑微元圖1

單燈管管道式紫外線消毒器紫外線殺菌器設備示意圖 Fig.1 Cylindrical geometry of single lamp UV unit 紫外線設備可以看成是一個近似于活塞流式的反應器，液體流過紫外線設備的平均曝光時間可通過反應器的凈容積除以流體的速率來獲得。經過紫外線設備處理的水中細菌濃度，由方程（2）可得 100( ) 1 exp ( / ) exp( ) 100 ln o R r r ave L r T N N kI V Q N kP Q T。

（5）式中，Q 為通過單燈管管道式紫外線消毒器紫外線殺菌器設備處理的水的流量，m 3 /s。假設在循環水紫外線小區殺菌系統中細菌濃度是均勻的，則細菌增加率或減少率將取決于細菌的來源和去除的一種平衡。細菌來源包括系統內源產出（如養殖魚類的排泄）和進水，去除則包括紫外線殺菌和排水。基于系統內細菌數量守恒，可得如下方程 d ( ) ( ) d e S i Q N Q N N N N N t V V

（6）式中，N 為系統細菌濃度，CFU/100 mL；t 為系統殺菌時間，s；N S 為系統的內源產出菌數速率，CFU/ （s100mL），包括魚類的排泄和系統內部的生長；Q e 為水體的交換率， m 3 /s；V 為循環水系統的水體總量，m 3 ；N i 為進水中細菌的濃度，CFU/100 mL。在穩定狀態下，把方程（5）代入方程（6）得（此時Nμ=N） 100( ) {1 exp[ ( 1)]} 100 ln o S e i R r e r r N V Q N N P k T Q T

（7）對于一個封閉單燈管管道式式的紫外線消毒器紫外線殺菌器消毒殺菌循環系統，Q e =0，由方程（7）可得 100( ) {1 exp[ ( 1)]} 100ln o R r S r r N Q k P V T N V T V Q

（8）本文把N S /N 定義為日殺菌倍數，從物理意義上講，它是一個系統中每日細菌產出量與細菌濃度的比例。日殺菌倍數越大意味著殺菌效率越高。Q/V 值代表通過紫外線裝置的循環率，P/V 值則表示每立方米水體的紫外線輸入功率。因此，方程（8）把紫外線殺菌效率描述為水體循環率、紫外線輸入功率比和水中紫外線（254nm 波長）透射率的函數，從而可以更有利于理解紫外線消毒器設備在循環水系統中的殺菌效果。

2 試驗研究 2.1 試驗設備和方法 紫外線殺菌試驗研究是在一個循環水系統中進行的，該系統包括一個水槽、循環水泵、單管式紫外線設備（Aqua Ultraviolet,），所示。每次試驗之前，把水槽清洗干凈，然后加入一定量的人造海水或去氯自來水。人造海水由復合粗鹽和去氯的自來水混合而成，鹽度為 15‰。每次試驗前，用商業清洗液對紫外燈的石英管外表面進行清洗，以消除管套紫外線對水產養殖循環水的殺菌效果污垢對曝光的影響。

紫外線殺菌試驗用的微生物來源于一個奶牛場的廢水塘，采集來的廢水中含有很高濃度的糞大腸菌群。每次試驗前先將一定數量的廢水加入到水槽中并均勻混合，通過加入不同的廢水量還可以調節紫外光 254nm 的透射率。水槽中有一個增氧充氣頭使水體的溶解氧保持在（9.3±0.4）mg/L。這個充氣頭同時也作為一個攪拌器使水槽中的細菌的濃度保持均勻。水槽中的水由水泵抽送，經過一個單向閥后，通過 2 種路徑返回到水槽：溢流路徑和紫外線殺菌路徑。每個路徑都裝有球形閥，以便根據試驗要求來調節通過紫外設備的水的流量。試驗從紫外燈打開時開始計時，在不同的曝光時間從水槽中采水樣檢測。在上述所有的試驗中，水體的溫度和 pH 值分別保持在（13.22.0）C 和（8.150.20）。水樣的糞大腸菌群濃度由 9222D 標準規定的膜過濾方法測定。

消毒作為水工業領域的*的工藝環節，污水紫外線消毒器和自來水紫外線消毒器對于保障污水處理廠和自來水廠水質的重要性不言而喻，近年來，隨著飲用水質問題的凸顯以及污水處理廠建設的加快，人們對紫外線消毒器等消毒設備、系統的處理效果、穩定性要求越來越高，這種情況下紫外線消毒技術的優勢便逐漸顯現。傳統氯消毒不能滿足飲用水標準中的微生物指標，還會產生致癌的消毒副產物，紫外線消毒將微生物滅活；可以較好地抑制微生物的遺傳毒性，紫外線搭配氯胺等其它消毒方式在供水領域優勢較為明顯，不僅消毒效果良好，還能保證管網水質的穩定性。改進消毒方法，控制有毒副產物的產生，是未來水凈化技術的關注點之一。目前國外很多國家和地區的水廠已使用紫外線消毒器搭配氯消毒的消毒方式，國內水行業對紫外消毒的研究與應用情況正在逐步改進中。多級屏障消毒策略可以滿足安全供水的需要，根據水質和配水管網的特點使用紫外線搭配氯或氯胺的消毒工藝，其*性越來越明顯。

飲用水紫外線消毒器和污水紫外線消毒器紫外線殺菌技術給廣大水處理業內人士提供了*的水消毒技術，對推動紫外線消毒技術在國內供排水行業的科學應用做出了積極的貢獻，經過紫外線消毒器廠家與科研機構的共同努力會讓紫外線消毒技術在我國水工業得到更快、更好的應用發展。