出自：《楓林學苑—同濟大學博士生論文集》 (ISBN 7-5439-1531-6/T.597) ， Vol IV ， pp367-371 ，上海科學技術文獻出版社
發表時間：2000-6

高乃云 彭海清 范瑾初
（同濟大學環境科學與工程學院）

　　摘要 近年來，紫外線消毒在給永工程中得到較多的應用．本文針對紫外線淮毒的特點，就紫外線；苣毒原理和優缺點加以闡述．對消毒器的設計，從構造形式， Uv 劑量，原水水質和設計要點等方面予以介紹，以期提高消毒效果。
　　關鍵詞 紫外線 消毒器 UV 劑量 低壓汞燈 輻射紫外線 (UV) 消毒的特點是所需時間很短，可以在以秒計的時間內有效地殺滅水中的細菌和病毒，與其它方法相比，既經濟又安全，因此經常用在供氯不方便、小型給水以及特種工業用水，如制藥和化妝品工業的循環蒸餾水、啤酒生產用水和瓶裝飲用水的消毒。

一、外線消毒原理

　　紫外線是一種電磁波，波譜可以分成四區：真空 UV 、 UV-A 、 UV-B 和 UV-C 。 UV-A又稱長波 UV ，波長介于 325 和 390nm 之間，很少有殺菌價值。 UV-B 又稱中波 UV ，波長介于 295 和 325nm 之間，如熒光燈發出的波。太陽光中也有中波，如果充分曝曬，也有殺菌作用。 UV-C 或稱短波 UV ，能有效殺菌，最佳的 UV 殺菌作用是在波長 265nm 處。地球表面上天然 LW-C 的是極少的，所以須采用其它方法產生 UV 光。這就是紫外線殺菌燈，它的殺菌波長是 253 ． 7nm ，非常接近于 265nm 時的最佳殺菌效果。飲用水消毒中的微生物有細菌、病毒、真菌、原生動物和藻類等。微生物是由細胞壁、細胞質膜和細胞基因物質、核酸等組成。 UV 對基因物質或 DNA( 脫氧核糖核酸 ) 產生影響。當 UV 光透射過細胞壁和細胞質膜時，可將微生物 DNA 的分子重新排歹：．于是微生物不能繁殖。如果細胞不能繁殖，微生物就趨于死亡。

二、紫外線消毒的優缺點

　　紫外線消毒的優點是 〔 1 〕 ：對環境無害，無需運輸和貯存危險藥劑，水中不投加化學藥劑，無消毒副產物，水的嗅味、 pH 或導電性等不起變化，易于自動化操作，維護簡便，只需定期清洗和更換燈管，初期投資低，運行費用低于臭氧和氯消毒時。與氯和臭氧消毒時的比較見表 1 。
　　紫外線消毒的缺點是：所處理水中不能含有可掩護微生物免受紫外線輻射的顆粒物質，處理后水缺乏剩余消毒能力。紫外線輻射只能消滅不可見的微生物，也就是說，不能使肉眼可見的微生物死亡。

三、紫外線消毒器

　　國內外已有多種型號的紫外線消毒器產品，構造各有特色，適用的流量范圍很廣。消毒器的主要組成部分是光源和反應室，光源用以產生輻射消毒所需的能量，反應室提供輻射消毒所需的水流接觸時間。
1．光源
　　作為紫外線殺菌的輻射光源，應在其殺菌光譜范圍內有較高的輻射功率，并且耗電省。目前采用兩種光源，即殺菌效率 ( 所放出的殺菌能量與燈管、鎮流器等所耗總電能之比 )在 90 ％以上的低壓汞燈以及效率在 6 ～ 12 ％的中高壓汞燈。

表1 UV、Cl₂和O₃的比較

　　低壓汞燈的構造和操作方式，與熒光燈相類似，唯一的差別是汞燈用石英或其它透過紫外線的玻璃做成燈管，而熒光燈用普通玻璃燈管，且管壁內有熒光涂層，將紫外光轉變為可見光。紫外線的殺菌效果在波長介于 250 ～ 265nm 時為最大，但在波長 290 — 300nm 時突然下降，而低壓汞燈在波長為 253 ． 7nm 時輸出最大的輻射能量，所以是理想的殺菌光源。在科學研究和水處理工程中應用最廣。高壓汞燈的輻射功率衰減較快，比低壓汞燈約快 10 倍以上，影響了高壓汞燈的運行時間，中壓和高壓汞燈雖然有很大的輻射功率，但是它的老化速度比低壓汞燈為快。各種汞燈都應配以合適的鎮流器，低壓汞燈應有合適的啟動器。鎮流器的主要作用是限制汞燈的操作電流在額定值范圍內。鎮流器應工作有效，保證汞燈的較長使用壽命，保證在輸入電壓波動 i10 ％時還能穩定運行。

2．反應室 [2]

　　水處理用的紫外線消毒器可以連續運行或間歇運行。它由紫外光源 ( 一個或多個紫外燈管 ) 和反應室組成。在光源輻射下在反應室中完成光化學反應，可使水中的微生物死亡。反應室可以做成水面式或淹沒式，根據水流條件又可分成重力式和壓力式。常用的是在壓力下運行的淹沒式。淹沒式可將紫外燈管直接放在水中，如小型紫外線飲用水消毒器。但低壓汞燈在溫度為 40~C 左右時，使用效果較好。如直接浸在水中，因水溫過低輻射功率會大大衰減，影響殺菌效果。所以比較合適的做法是將低壓汞燈放在能透過紫外光的石英套管內，以免與水直接接觸。水面式消毒器一般在反應室上方，設置圓形或拋物線形反射罩和低壓汞燈，汞燈在水面：不和水接觸，消毒器在重力下運行。鋁是反射罩的最合適材料，優點是易于成型、輕巧、反射能力強，如鋁的質地純凈還可防腐蝕。反應室設計時，流量是決定性的因素，不能估計過大：因為反應室中的水流停留時間很短，不希望流量頻繁變動而影響消毒效果。實用上應盡量保持穩定的流量，至少不應超過最大流量。此外，由于光照強度隨著與汞燈距離的平方而衰減，所以反應室的大小應考慮室內各點的水流能獲得足夠的輻射能量。

3． UV 劑量

　　為保證紫外線有效殺菌必須有充分的輻射強度 I 和足夠的光照時間 t ，兩者的乘積稱為 UV 劑量，它是紫外線消毒器的主要設計因素〔3〕：

　　D=It

　　式中：Ｄ－UV劑量，mW·S/cm2；
　　　　　I——單位面積的輻射能量，或輻射功率除以汞燈管表面積，mW/cm2；
　　　　　t-時間，s。

　　所處理的水質相同時，采用高輻射強度的光源作用較短時間，與低輻射強度的光源作用較長時間相比，只要 UV 劑量相同，殺菌效果是相接近的：UV 劑量和微生物殘存比的關系見表 2 ，可見 UV 劑量越大，剩余的微生物比例越小。

四、進水水質要求

根據光化學作用的原理，殺滅微生物的能量等于被微生物吸收的能量，如果有足夠的紫外線輻射能量與微生物接觸，就可將水消毒到任何所需的程度。因此，所處理水中不應有可掩護微生物的顆粒物質，以免降低輻射能量和消毒效果。為了保證紫外線的有效殺菌作用，必須將原水預處理，如混凝、沉淀、過濾等，以去除懸浮物、膠體和金屬離子后再用紫外線消毒。如果水質已達到要求，例如過濾后水或城市自來水，即可進入紫外線消毒器進行消毒。水中的鐵錳可使燈管和石英套管產生銹斑，需要適當預處理以消除銹斑問題。鈣和鎂硬度也會使燈管和石英套管的表面結垢，根據水質情況可適當加以處理。紫外燈管的最佳操作溫度約在 40 ℃ 左右，當水溫過高或過低時紫外光的輻射能量會有波動。石英套管可將燈管和水分隔開宋，不致直接接觸，還可以減輕水溫波動時對消毒效果的影響。

五、設計要點 [5]

1. 紫外輻射的波長宜為 253 ． 7nm ，消毒器中任何點的最小 UV 劑量為 16.0 mW.s ／ cm 2 。
2. 無論是水面式或淹沒式消毒器，從燈管表面到消毒器壁的最大水深不宜超過 7.5cm 。

表2 UV劑量和微生物殘存比關系

3 ．淹沒式消毒器中的紫外燈管必須外加石英套管或同樣光學性質的高硅玻璃套管，以保持燈管的合適操作溫度在 40 ℃ 左右。
4 ．在進水消毒以前，燈管須有 5min 的預熱時間，處理后水才可供飲用。
5 ．消毒器的設計應考慮不拆開就可清洗套管和水的接觸面上所積污物。
6 ．消毒器應安裝自動流量控制閥，以免進水流量超過最大設計流量時，造成水流停留時間太短，影響消毒效果。

參考文獻：

[1] 嚴煦世,范瑾初.給水工程.中國建筑工業出版社，1995
[2] All Maorsi ETAL.Ulfraviolot offers reliable disinfection,NewWorld Water.1997.57-64
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[4]Kreft ET AL,Hydraulic Studies and Cleaning Evalucation of UV Disinfecting Units,J.WPCF,58,12,1129-1137
[5]Cgo.Clifford White.The Handbook of Chlorination and Alternative Disinfectante.Van NOstrand Reinhold,1992