发达国家给水厂紫外线消毒器系统的设计方法

    zui近几年紫外线消毒器的应用的越来越广，从饮用水紫外线消毒器到污水紫外线消毒器都有用到。紫外线消毒器厂家石家庄凌卓环保设备有限公司希望通过以下发达国家紫外线消毒器的使用情况和其规划分析、设计使用情况来帮助我们做紫外线杀菌消毒的同行，以次达到借鉴和参考的作用。

紫外线消毒器的历史

    紫外线消毒器杀菌消毒的历史要早于氯杀菌消毒，但是因为紫外线灯管的技术落后，灯管的有效使用时间短，辐照量小，使用成本高等原因而没有得到市场的认可，但是其杀菌消毒的效果和杀菌消毒后没有二次污染的优点使人们一直记在心里。随着技术的发展，紫外杀菌灯管的有效使用寿命已经能够达到12000小时以上，辐照强度也达到了所需要的要求，zui主要的是杀菌消毒的成本变的比氯杀菌消毒的成本还要低，这又使人们重新审视紫外线消毒器和氯消毒的优缺点了。

    通过分析以前的历史然后借鉴，经过紫外线消毒器厂家石家庄凌卓环保设备有限公司的实际案例和研究分析，从而得到更适合中国的紫外线消毒器和了解紫外线消毒器未来的发展方向。

1、紫外线消毒器系统的规划分析

在美国，由于“第二阶段长期强化地表水处理法规"在2012年以前将全面生效，很多市政给水厂都正在升级改造，紫外线消毒技术作为控制“两虫"有效的方法，成为主流的消毒工艺。对于不同的水厂，由于原水水质和处理工艺的不同，紫外线消毒系统的设置也不尽相同，需要进行相应的紫外消毒系统规划分析，确定消毒目标和所需剂量，为后续的设计参数拟定提供依据。 

首先，要对水源水中的病原体进行监测和分析，然后根据原水中的浓度和前处理单元的处理情况来确定消毒目标。美国EPA对带有过滤单元时不同原水隐孢子虫浓度提出了相应的去除率要求(见表1)。另外，由于有些地区的水源保护得很好，一些水厂没有设计过滤单元，对此种情况美国EPA也给出了消灭“两虫"所需的紫外线剂量(见表2)。

表1美国EPA要求的原水中隐孢子虫浓度相对应的去除率(有过滤系统) 

 表2灭活“两虫"所需的紫外线剂量 

在确定了消毒目标及所需剂量后，还需要考虑如何将紫外线消毒系统综合到整个水厂的处理系统中。由于紫外线消毒不具有持续抑制病原体的能力，在使用紫外线的同时需要投加对病原体有持续抑制能力的消毒剂(如氯或氯胺)以保证管网的生物稳定性，因此设置紫外线消毒系统时还必须考虑对其他消毒剂的影响。由于紫外线会对氯有光分解作用，通常要将加氯点放在紫外线消毒之后，也就是说将紫外线消毒系统置于滤池或者澄清池之后、氯消毒池之前。另外，也要考虑上游处理工艺对紫外线消毒的影响，良好的前处理(如预氧化、强化絮凝和沉淀)对可溶解性颗粒物的去除可提高紫外线穿透率，进而降低紫外线消毒系统的成本。 

2初步设计  

2.1确定主要设计参数 

紫外线消毒的主要设计参数包括紫外线穿透率(UVT)、设计流量、灯管老化和结垢系数等。 

①紫外线穿透率(UVT) 

紫外线穿透率(UVT)是消毒系统的重要设计参数之一。对于低压灯紫外线消毒器系统来说，只需测量水中254nm的UV穿透率。但是对于中压灯紫外线消毒器系统，200～300nm之间的UVT值也是很有必要的，因为中压灯所发出的光谱中包括了这个有效消毒的波长范围。对于一个UVT值很稳定的水厂，只需监测1～2个月就足够了。如果水源的水质会随着季节的变化而变化，则需要更长时间的测量(6～12个月或更长)。然后根据测量的数据来作一个累计的UVT频率百分比曲线。由于流量zui大和UVTzui小的情况很少同时出现，故在选择UVT作为设计参数时一般是用P=95%累计频率的数值作为设计值。UVT值的设定对紫外线消毒系统的规模是有很大影响的，如对某种型号的反应器，UVT值从85%提高到90%，同样达到40mJ/cm2的剂量，它的处理能力可以提高40%。 

②设计流量紫外线消毒器系统设计流量中必须有平均流量、zui大流量和zui小流量。对于单个滤池就可以按照单个滤池的出水流量来考虑;对于几个滤池的联合出水情况，应按照所有滤池的处理流量来考虑(但不包括备用滤池的流量);对于在清水池后紫外线消毒器的系统，设计流量可按照送水泵站的流量来选择。美国EPA规定紫外线消毒器反应器不能在高于验证的流量下运行，因此需要以设计zui高流量来确定反应器的数量。另外，反应器数量除了满足zui高流量的运行要求外，还必须保证至少有一台备用。设计zui小流量主要考虑运行时可以关闭部分反应器来提率，同时节能和降低运行费用。 

③灯管老化和结垢系数紫外线灯需要石英套管来保护，套管在水中结垢会影响紫外线的传播。影响套管结垢的主要因素有:灯管的运行温度和水中的一些化学成分。一般来说，灯管运行温度高的结垢速度较快，水中钙、铁、铝、锰和碳酸根等离子含量高的结垢速度也会较快。另外，与套管的结垢系数和清洗系统也有关系。灯管在使用过程中会老化，因此要考虑到灯管在使用寿命期内的老化系数。套管的结垢系数和老化系数需要通过验证来确定，根据美国国家水研究院NWRI(2003)的报告，结垢系数和老化系数的乘积一般在0．4～0．9之间，这个系数可以用来计算经过验证的反应器剂量是否高于设计剂量。

2.2紫外线消毒器系统验证 

美国在LT2ESWTR法规中规定对于每个自来水紫外线消毒项目，必须要对紫外线消毒器的反应器进行验证以满足特定水厂的水质情况和设计剂量要求，并且在实际运行时不能超过验证的范围。现在被认可的验证方法主要是用生物剂量测试，紫外线消毒器的反应器可以在现场和在第三方专门的验证设施进行验证，但是必须要求独立的和专业的第三方进行全过程的参与或见证。如果在第三方的设施进行验证，实际反应器安装水力学条件必须要与验证时的实际情况一致或更好。 

紫外线的生物验证剂量计算见下式:

Dval=REDcal/BRED×(1+Uval)         (1)

式中Dval———经过验证的剂量  

REDcal———经过计算且与平行光试验对比的微生物灭活等效剂量 

BRED———目标病原体与验证用微生物对紫外线灭活易感性的偏差系数。 

如果验证用微生物比目标病原体更加易感，BRED可以取值为1;如果相反，该值就大于1，具体见UVDGM附录表格G－1到G－17。如采用多波长的中压汞灯，还需考虑多波长的因素，具体详见UVDGM附录D的D4．3部分 

Uval———验证试验不确定性系数。 

与测试时的QA/QC和反应器剂量的监控方法有关，另外，由于生物验证的一些缺点(如耗时、费用高和QA、QC要求高等)，在USEPA的UVDGM中也提出了随着研究的深入将来可以用荧光微粒的光化学方法或计算流体动力学(CFD)仿真模拟的方法来进行验证〔3〕。 

3.详细(施工图)设计 

3.1紫外线消毒器系统的水力设计 

根据初步设计的结果确定紫外线消毒的位置和设备，需要更详细地对系统的水力条件进行评估。在多数的情况下，系统会设计成多个并行且有同样处理能力的紫外线反应器组。每个反应器组包括进出水管段、进水闸阀、流量计、紫外线反应器、排气阀、出水闸阀或流量控制阀、下游水位控制等。反应器组通常由配水、集水主管道或渠道组成，设计时需要根据上下游的自由液面计算现有上下游的水力高程，同时确定紫外线消毒系统的水头损失(通常需要2．5～15kPa)。如果水头足够，就可以直接安装;如果不够，可通过增大管径、改变管道走向、改变滤池或清水池的运行方式或者增设加压泵(一般选用低水头大流量泵)来满足系统的水头要求。 

3.2运行方法的选择 

紫外线反应器的运行是根据剂量监控方式并基于验证报告的数据进行的。紫外线监测主要有两种方法:紫外线强度设置和计算剂量方法。采用后者可以做到流量同步和剂量同步，节约电能和费用，这种控制方法需要测量流量、UVT和紫外线的强度，因此需要比较好的配水设计、流量测量和强度测量。大多数厂家的设备都有相似的监控手段和报警条件，设计人员需要知道紫外线消毒控制系统各个单元必要的补充控制方法和在各种报警条件下所采取的措施。 

3.3供电系统的配置和备用电源 

由于不同的紫外设备需要不同的电源条件，设计供电电压和容量时必须要和紫外线设备的商沟通。由于紫外线反应器在运行过程中的变化会导致运行的功率、电流和电压谐波失真，从而影响其他电器和电子系统(如变频器和PLC等)，需要采取措施把紫外线反应器的供电系统和水厂其他供电系统相隔离。紫外线反应器的连续运行很大程度上取决于电源的质量，在外网供电质量不能够满足消毒连续性运行的要求时，需要设置备用电源或电源调节设备。 

3.4紫外消毒间的布置 

由于此阶段已经大体确定了可能的紫外线设备供货商，将会比初步设计阶段获得更加详细的紫外消毒设备信息，施工图设计时需对空间限制和特殊的安装条件进行考虑，包括管道、阀门和流量计的布置，如:在流量计前后所需要的直线管段;电源柜和控制柜与反应器间需有足够的空间以保证开启柜子时安装和维护人员无障碍操作，同时还要考虑电源配线的长度不能超过厂家规定的长度(一般要小于7．5m);对于一些需要进行非在线化学清洗等维护的紫外线反应器，还要考虑清洗系统所需的空间;紫外线反应器的前后取样口和紫外线UVT分析仪等也需要考虑。 

4案例分析 

佐治亚州Clayton郡水务局的Freeman水厂供水规模是1200×104加仑(4．5×104m3/d)，净水工艺为常规处理工艺，改造前采用二氧化氯预氧化方式去除嗅味和色度，采用游离氯消毒。该水厂于2002年进行了包括紫外线消毒系统在内的升级改造，紫外线消毒器作为多级消毒屏障中的一级，消毒的目标是2．5-lg隐孢子虫灭活率。 

在选择紫外线消毒器厂家时，中压灯和汞齐灯系统商均参加了投标。采用全寿命期费用(包括建设费用和运行维护费用)的分析方法，zui终选择采用某紫外线消毒器厂家的汞齐灯反应器。主要设计参数如表3所示。 

表3Freeman水厂紫外线消毒器系统设计参数

由于从滤池出水堰到清水池之间的水头可以满足紫外线消毒器系统的水头损失要求，所以整个水厂的水力高程保持不变。在每个反应器的上游各装一个电磁流量计来监测流量，安装在线UVT分析仪和紫外线强度传感器来计算紫外线剂量。虽然该水厂在此之前没有出现过停电事故，为保证水厂紫外线消毒系统的安全稳定运行，也设计安装了一个不间断电源(UPS)。整个Freeman水厂紫外线消毒器系统的造价约为217万美元，包括了构筑物、紫外线反应器、管道、阀门、电源系统、仪器仪表、控制系统和其他辅助设备。 

结语

在紫外线消毒器系统的设计中要根据原水水质和净水工艺拟定消毒目标，并通过验证确定紫外线消毒器反应器的设计有效剂量及其他关键参数。选择紫外线消毒器系统的安装位置时，要根据水厂的实际情况做详细的水力学条件和费用分析，同时提供不低于紫外线消毒器反应器验证时的水力学条件