杨杉 杨冬梅 张吉库 孙宇
【摘 要】本文采用的是强化反射、导流式的DR型紫外线消毒器进行消毒实验。通过改变紫外线照射强度和原水在消毒器内的停留时间，来控制紫外线剂量的大小，进而研究不同紫外线剂量下消毒器对枯草芽胞杆菌和大肠杆菌的去除效果，以及反射材料对紫外线的强化作用，综合消毒和节能的效果，确定最佳的工艺参数。
【关键词】紫外线消毒；工艺参数；灭活效果；大肠杆菌；枯草芽孢杆菌
0 引言
随着我国经济的发展和国民生活水平的提高，人们对饮用水水质要求越来越高，传统消毒工艺不能满足日益提高的公共安全卫生标准，紫外线消毒技术越来越受到水处理行业的认可。本课题引入一种新型消毒器——DR型紫外线消毒器，D代表导流式（diversion），R代表反射（reflect）。它采用了全新的导流式设计，能够减小水层厚度，避免短流现象的发生 [1]。另外，反射材料可以提高紫外线的辐射强度，本课题在消毒容器内壁增加抛光铝反光板，以提高消毒效率，节省时间和能源。
1 实验装置与方法
1.1 DR型紫外线消毒器
DR型紫外线消毒器整体分为两部分，外部筒体和内部核心构件。外部筒体采用有机玻璃制成，底端设进水口，对侧顶端设出水口，出水口下方设5个等间距的取样口。内部核心结构是一个整体，由法兰盘，石英套管，中心柱，承托底座等构成。法兰盘与外部筒体连接，其上外环均匀设置6支石英套管，6支紫外线灯放置于石英套管中，灯管功率均为20W。筒形抛光铝反光板附着在外部筒体的内壁上。仪器具体参数所示。
水箱中配置好的原水通过自吸泵流入消毒器的进水口，中途用流量计控制进水流量。水在消毒器内流动过程中开启灯管进行消毒，消毒后再从对侧上端的出水口流出。在5个取样口分别取水进行细菌检测。其中电控箱上有6个按钮，分别与6个灯管对应连接，用来控制灯管的启闭情况。
1.2 实验方法
实验原水是在装有自来水的水箱中分别加入一定浓度的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的菌液配制而成的。紫外线消毒效果取决于紫外线剂量的多少，它是由紫外线强度和照射时间共同决定的。两者乘积即为紫外线剂量[2]。用数学表达式为：
I—紫外线强度，mW/cm2；
t—辐射时间，本试验指水力停留时间，s。
紫外线强度是由开启的灯管数控制的，本实验分别开启2个对位灯管、4个等间距灯管和全部6个灯管时，对应的紫外线强度分别为I2=1.28mW/cm2、I4=2.72mW/cm2、I6=4.41 mW/cm2。紫外线强度的值是用UVC-254型紫外线强度仪在仪器内部不同角度放置进行多次测试的结果取平均值得到的。紫外线照射时间是由装置的进水流量决定的。本实验通过调节流量计将流量分别控制在2m3/h、1m3/h、0.75m3/h。不同流量下不同的水力停留时间与三种紫外线强度可以组合出多种紫外线剂量，用来观察消毒效果的变化趋势。一般消毒效果用去除率来表示，数学表达式为：
式中：V—微生物去除率；
N0—消毒前，水中微生物的数量；
N—消毒后，水中微生物的数量。
水样中大肠杆菌与枯草芽孢杆菌的计数方法分别采用品红亚硫酸钠滤膜法和平板计数法。
2 实验结果及讨论
2.1 不同紫外线剂量与大肠杆菌去除率的关系
大肠杆菌去除率随紫外线剂量的增加而增加。开2个位置相对的灯管时，即紫外线强度I2=1.28mW/cm2，当水力停留时间达到11s附近，大肠杆菌去除率达到90%。11s之后，去除率上升趋势减缓，停留时间达到21s左右，去除率能达到99%，这时紫外线剂量为26.88mJ/cm2。开启4个等间距放置的灯管时，即紫外线强度I4=2.72mW/cm2，停留时间达到7s附近，大肠杆菌去除率达到90%。10s左右，去除率就能到99%，此时紫外线剂量为27.2 mJ/cm2。6支灯管全开时，即紫外线强度I6=4.41 mW/cm2，停留时间短短5s就能达到90%的去除率，7s左右去除率已达到99%以上，此时的紫外线剂量为30.87 mJ/cm2。
综合三组实验，紫外线剂量达到26.88～30.87mJ/cm2，大肠杆菌去除率达到99%以上，继续增加到35.28 mJ/cm2时，大肠杆菌100%去除。
2.2 不同紫外线剂量与枯草芽孢杆菌去除率的关系
与大肠杆菌类似，紫外线照射初期，枯草芽孢杆菌的去除率随照射剂量的增加而增大，但大肠杆菌灭活效果要优于枯草芽孢杆菌[]。紫外线强度I2=1.28mW/cm2，当水力停留时间长达25s，枯草芽孢杆菌去除率达到90%。紫外线强度I4=2.72mW/cm2，停留时间达到11s附近，枯草芽孢杆菌去除率达到90%。23s左右，去除率达到99%，此时紫外线剂量为62.56 mJ/cm2。紫外线强度I6=4.41 mW/cm2，停留时间只需7s就能达到90%的去除率，15s左右去除率已达到99%以上，此时的紫外线剂量为67.91mJ/cm2。综合三组实验，紫外线剂量为62.56～67.91mJ/cm2附近时，枯草芽孢杆菌的去除率可以达到99%。
2.3 外加强化反射材料对消毒效果的影响
拋光铝板作为一种反射材料，附着在消毒器内壁筒体上，可以对紫外线起到强化反射的作用，从而提高紫外线强度。同样开启6个灯管时，有无铝板对大肠杆菌的消毒效果影响的对比。停留时间在4s以内，外加铝板后去除率提高幅度较大，能达到16%～29%。之后，随着停留时间增加，去除率提高幅度减小，5s时，外加铝板使去除率提高了8%，增加到10s时，去除率仅提高了1%。不加铝板时，使大肠杆菌的去除率达到100%需要15s，而加铝板后只需10s。由此看来，相同条件下，外加铝板后消毒时间有所缩短，起到了节约能耗，提高效率的作用。
3 DR型紫外线消毒器最佳参数的确定
是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标，所以，一般用能近似代表水样中细菌总数的枯草芽孢杆菌，作为指示生物衡量紫外线消毒效果。最新版《生活饮用水卫生标准》中规定，大肠杆菌群在饮用水中不得检出，细菌总数不得超过100CFU/ml[4]。针对本实验原水中10000CFU/ml左右的水质，紫外线剂量达到35.28 mJ/cm2时，大肠杆菌去除率达100%。紫外线剂量继续增加到67.91mJ/cm2时，枯草芽孢杆菌去除率达到99%，这时细菌总数不超过100CFU/ml，符合要求。
由此得出，本消毒器在饮用水处理中的最佳参数为紫外线剂量为67.91 mJ/cm2，即6个灯管全部开启，停留时间为15s。
4 结论
1）抛光铝板能起到强化反射紫外线的作用，使消毒时间缩短1/3左右，提高了消毒的效率，节约了电耗。
2）枯草芽孢杆菌比大肠杆菌有更强的抵御紫外线的能力，更难灭活。衡量紫外线消毒效果应以枯草芽孢杆菌为指示生物。
3）DR型紫外线消毒器能使出水达到饮用水卫生标准的最佳紫外线剂量是67.91mJ/cm2，即6个灯管全部开启，停留时间为15s。
【参考文献】
[1]张永吉，刘文君.紫外线对自来水中微生物的灭活作用[J].中国（下转第185页）（上接第318页）给水排水，2005（09）.
[2]李张卿，刘文君，孙文俊，等.紫外线消毒反应器的生物验证试验研究[J].中国给水排水，2008 （1）：48-50.
[3]张吉库，杨燕斌，王晓梅，王吉刚. CS型紫外线消毒器对城市污水消毒效果研究[J]. 节能，2012 （11）：48-51.
[4]朱晓辉，郄燕秋，刘文君，吕东明. 新《生活饮用水卫生标准》揭示了饮用水安全消毒的必要性[J].中国给水排水，2008，34（11）：25-26.
[责任编辑：张涛]
