紫外線消毒器系統中強度分布計算與生物驗證

紫外線消毒器消毒機理是利用254nm及其附近波長區域的紫外線對微生物DNA的破壞，阻止蛋白質合成而使細菌不能繁殖。由于紫外線消毒器具有殺菌廣譜性強、處理效率高、運行成本低、不產生消毒副產物等突出優勢而越來越受到人們的關注，并被廣泛應用于消毒飲用水和污水處理等行業，統稱生活飲用水紫外線消毒器和污水紫外線消毒器（或再生水紫外線消毒器、中水回用紫外線消毒器、中水紫外線消毒器、回用水紫外線消毒器）

目前，上常用的消毒用的飲用水紫外線消毒器和污水紫外線消毒器紫外線發生器大規模的低壓汞燈其波長維持在253.7nm。同時，新型中壓紫外線消毒器( 1~ 5k ) W系統也越來越多地應用于水處理行業。紫外線消毒設備的消毒效果與紫外線劑量 (UV dose)的大小直接相關。紫外線劑量的定義為單位面積上接收到的紫外線能量 (城市給排水紫外線消毒設備規范，2005)。 在理想推流狀態下 (在實際的紫外線消毒器反應器中不可能達到)， 紫外線劑量等于紫外線強度 (UVin tensity)乘以水在反應器里的停留時間， 這樣得到的劑量稱為設備紫外線平均劑量 (R eactor A verage Dose) (城市給排水紫外線消毒設備規范，2005)。 因此，在紫外線反應器的設計中，計算紫外線強度的分布對于確定如何在反應器中zui有效的布置燈管具有重要的意義。紫外線強度的計算需要把光學原理和幾何學應用于反應器。多點源疊加近似法 (MPSS) ( James 2000)把一個線光源分成反應，器軸上的一系列等空間點源，被證明是合適的計算方法。

實際上，因為影響紫外線消毒器消毒效果的因素很多，如顆粒物濃度、大小分布、微生物在反應器中的路徑、水的透光率等等，通常通過理論計算而得到的設備紫外線平均劑量無法準確地反映紫外線反應器實際的消毒效果。決定一個紫外線消毒系統消毒效果的是反應器所能實現的設備紫外線有效劑量 (Reactor E ffect ive Dose)，即由反應器的生物驗證實驗實際測得的紫外線劑量，也稱當量滅活劑量 (equ iva lent reduct ion dose ERD)。要達到某一特定的消毒要求，紫外線反應器的有效紫外線劑量必須達到設計紫外劑量 (Design UV Dose)。 而設計紫外劑量的選取依據則是通過平行光管試驗得出的微生物 (例如大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、MS2大腸桿菌、噬菌體等)達到一定滅活率時所需要的紫外生化劑量 (Colli ated Bea Dose)，并考慮一定的安全系數得來的(通常這一安全系數要求紫外系統必須按峰值流量設計，而不是平均流量) (城市給排水紫外線消毒設備規范，2005)。針對一個實際的飲用水紫外線消毒反應器內的紫外劑量分布同時進行理論計算和生物驗證，比較2種方法得到的結果，并分析差異性原因和影響因素，期望為紫外線消毒器反應器設計提供參考。

實際上紫外線消毒器的反應器受水力條件等多方面的影響，很難達到理想推流狀態。對于大流量的情況，理論計算的結果與生物驗證比較接近，這是因為流量大的時候紫外線殺菌器反應器中的水流更接近理想推流狀態，此時，停留時間成為紫外線劑量的主要影響因素之一。生物驗證曲線的變化率明顯低于理論計算的情況，這說明，紫外線消毒器的反應器內各種復雜的因素減輕了流量對紫外線劑量的影響。

紫外線劑量隨流量的增加而降低。在透光率為80% 時，紫外線劑量隨流量的增加改變不大，也就是說，即使水流中的微生物在紫外線殺菌器反應器中停留比較長的間也不能夠達到有效的滅活效果，這可能是因為某些微生物受到了顆粒物的保護，避開了紫外線的照射，此時透光率成為影響紫外線劑量的主要因素。在流量為2 5Q 時，透光率對于劑量的影響不。在流量比較大、透光率比較低的情況下，理論計算的數值比較接近于生物驗證數值，兩者的相對誤差較小。這進一步說明，相對低的透光率和相對短的停留時間成為紫外線劑量的主要影響因素。由于不*的混合狀態和紫外線殺菌器反應器內部的其它影響因素，紫外線消毒器的反應器有效劑量要小于通過理論計算而得到的設備紫外線平均劑量。紫外線消毒器的紫外線的劑量應該由實際使用中的生物驗證來決定。

紫外線的內部強度分布存在比較大的差別。在2根燈管之間管壁附近區域的強度zui小， 而在紫外線殺菌器的反應器中部的大部分區域紫外線強度都在平均強度以上。

生物驗證結果顯示，紫外線劑量隨流量的增加而降低，呈乘冪的關系在透光率為 80% 時，透光率成為影響紫外線劑量的主要因素。在流量比較高的情況下 ( 2.5Q )， 流量成為影響紫外線劑量的主要因素。

對比生物理論計算和生物驗證對比發現，生物驗證曲線的變化率明顯低于理論計算的情況，這說明紫外線消毒器的反應器內各種復雜的因素減輕了流量對紫外線劑量的影響。統計學分析結果顯示， 在流量大透光率低的情況下，理論計算的數值比較接近于生物數值。