紫外线消毒以及氟胺分解
紫外线消毒以及氟胺分解
紫外线杀菌，主要是通过细菌和病毒受到紫外光照射后，紫外光谱能量被细胞核吸收，使其核酸结构被破坏，从而使各种细菌、病毒丧失复制和繁殖能力，达到灭菌效果根据对消毒原理的研究和紫外线技术在水处理领域内的广泛应用，足以证明在游泳池池水消毒中紫外线技术可以大规模推广和使用。所以，本手册对紫外线应用于游泳池池水的消毒、氯胺分解以及水质穿透率的提升等作用仅作简易介绍，以供专业人员设计参考以及对技术的进一步讨论和完善。
紫外线(UV)的性质
1.紫外线是一种肉眼看不见的光线，它是介于X射线和可见过之间的光波，波长范围在100m至4m间，其光谱如图10-13所示.
2.根据不同的波长，紫外线图(UV)可以分为四个波段:
1)UVA波紫外线，称长波紫外线:波长为315～400mm;
2)UVB波紫外线，称中波紫外线:波长为280～315m;
3)UVC波紫外线，称短波紫外线:波长为200～280nm;
4)VUV波紫外线，称真空紫外线:波长为100～200m
紫外线消毒和氯胺分解主要使用的是C波段和B波段。
3.对水的穿透力随着波长的增加而增强。
4.紫外线光源是依靠电子激发汞蒸气，电弧放电而产生的。以惰性气体在灯管内的压力可以分为:低压紫外线和中压紫外线两种类。
5.低压紫外线技术
低压紫外线灯即灯内所充情性气体压强低于大气压约为0.03MPa，成负压状态，单支灯管功率为50～270W，灯管所发射出的紫外线为185nm和254mm单色光谱。按照紫外线灯管的输出强度，低压紫外线技术可以为分为传统低压和低压高强(汞气灯)两种类型。低压高强灯技术，是基于传统低压紫外线技术研发而成，灯管依然仅发射单色紫外线光谱，单支灯管功率更大，在270～80W之间，紫外线强度更强。基于低压高强紫外线灯的特点，适宜用于大型市政污水处理的消毒工艺段。
6.中压紫外线技术
中压紫外线灯即灯管内部所充惰性气体压强等同于大气压，是低压灯的100倍，可以发射出波长范围更广的多波长紫外线，波长范围在170～370nm之间。单支灯管的功率远远大于传统低压紫外线技术，单支灯管的功率范围根据灯管在400W～10kW，依生产厂家规格型号而定。基于中压紫外线技术能发射出更广范围的紫外线光谱，单支灯管的紫外线强度更强，游泳池中一般都采用多波长范围的中压紫外灯系统，对泳池水进行消毒和氯胺的分解。全球范围内，中压紫外线技术还被广泛认可和应用于大型市政饮用水处理和瓶装水、饮料等工业行业。
紫外线消毒杀菌和氯胺分解的原理
1.紫外线消毒杀菌
在紫外线消毒杀菌的机理方面，比较普遍的观点是:细菌和病毒受到紫外光照射后，紫外光谱能量被细菌核(胸腺嘧啶以及胸腺二啶等)吸收，使微生物核酸结构遭到破坏遗传机制发生变化，导致细菌无法继续分裂和繁殖，最终死亡。
2.紫外线氯胺分解
氯在杀灭细菌的同时会与水中的有机物(如尿素)形成氯胺及三卤甲烷(THMs)其中，氯胺的挥发性很大是造成室内游泳池大厅内特殊气味的主要化合物，对人的眼, 耳、鼻、喉黏膜、皮肤等产生刺激，甚至会诱发肺结核。同时，挥发至空气中的氯胺会对游泳池内的钢结构造成严重腐蚀，例如1985年在瑞士由于氯胺对钢结构屋顶造成应力腐蚀，导致屋顶坍塌，致12人死亡;同样诱因导致游泳池屋顶应力腐蚀破裂，还在2001年在荷兰发生过。为避免氯胺对人们健康的危害，和进一步对人们游泳安全的考虑，游泳池水中的氯胺浓度受到了各个国家的重视，各个国家对氯胺都有上限要求，我国为0.40pm，英国为0.25pm，德国和丹麦则将氯胺上限设定为0.20pm。因此，有效控制氯胺浓度也成为设计和运行维护游泳池的一项重要参考指标。紫外线技术，在消毒杀菌的同时，可以有效地分解水中的氯胺浓度，将氯胺浓度控制在低于安全范围内(0.20～0.40ppm)。
3.紫外线光源由紫外线光源灯管提供。不同型号、规格的紫外灯管所提供的紫外光主波长不同，应根据需要选用。紫外线消毒所使用的有效波长大多在200～370nm之间，对于水中总有机碳(TOC)降解需要使用小于190m(185nm)短光波的紫外线。
1)低压紫外灯管在波长为253.7nm处，光电转换效率较高，但低压紫外线灯只输出单波长紫外线，波长为185nm和254nm。但是，研究证明单色光谱，对降低氯胺不起作用。
2)中压紫外灯管输出波长的范围较宽，在230～360nm之间，含有降低氯胺所需要的245nm、260、297nm及340nm的波长:
一氯胺( Monochloramine):245mm
二氯胺( Dichloramine):297nm
三氯胺( Trichloramine):260nm和340nm
通过光化学反应生成大量的羟基自由基，氧化氯胺和其他有机物，从而达到去除氯胺的目的。因此，中压紫外线设备较适宜用于游冰池的池水消毒和氯胺的去除。
4.紫外线消毒和氯胺分解效果与紫外线灯源发出的有效波长的能量转换率、紫外线弧长、水质的透射率、水层厚度、紫外线反应器进出口距离、反应器尺寸和照射时间等因素有关。紫外线剂量取决于紫外强度和照射时间，可用下式表示:
D=I・S・T10
式中D一紫外线剂量(mJ・S/cm2);
I一紫外线强度(mW/cm2)，与灯管种类、灯管老化系数、套管结垢系数有关
S-紫外线照射时间(s)，与反应器的设计、流量和流速有关;
T10一穿透率(％):与水中微生物、无机和有机物的含量有关。
穿透率是评估水质的标准之一，通过仪器测定得出。当紫外线穿过水层，由于水中的物质(有机或者无机物质)会吸收紫外线光强，从而降低紫外线的强度。穿透率的测试方法是由指定波长253.7mm的紫外线光源，穿过10mm或者40m厚度的去离子水，测得剩余紫外线强度为标样，视为总紫外线强度。之后，再用指定波长254mm的紫外线光源穿过10mm或者40mm厚度的待处理水，所得到的剩余紫外线强度与去总紫外线强度强度之比，为不同水质的紫外线穿透率，用百分比表示。而穿透率与浊度不完全相同，因为浊度仅是对水中悬浮物的表征，而不代表水中的溶解物质。如游泳池原水为市政供水或地下水，经过过滤器，穿透率一般大于90％。如果原水水质和预处理工艺符合上述描述，且现场无法测定水质穿透率的情况下，可采用90％作为经验值对紫外线设备进行选型和设计。
5.紫外线可以有效去除三卤甲烷(THMs)与氯胺生成过程相似，氯在系灭细菌的同时也会与水中的有机物形成三卤甲烷(THMs)，THMs则已被美国环保局(EPA)却认为有害健康的物质。长期饮用THMs超标的水，可能导致肺、肝及中枢神经系统的癌变，在泳池水中THMs的存在，可通过人的呼吸、皮肤的呼吸及滲透对健康构成一定危害。因此，为确保游泳者和工作人员的健康和安全，需要对水中三卤甲烷进行有效的控制
1)紫外线技术可以有效分解有机物，紫外线氧化有机的反应过程比较复杂，主要反应原理是紫外线提供能量推动化学反应发生，水中产生羟基自由基，羟基自由基氧化有很强的氧化能力，能够将有机物氧化成水和二氧化碳。有效的控制了水中的有机物浓度，方面降低生成三囟甲烷的可能性和浓度;另一方面，由于有机物的分解，可以有效提高泳池中水的透光率。数据证明，泳池水处理系统上的海诺威紫外线设备，在一周之内可以有效的将水的穿透率从90％提高至99.7％。
2)紫外线作为预消毒系统，可以有效的杀灭微生物，因此配有紫外线消毒器的泳池水处理系统，可以相对降低氯类长效消毒药剂的投加量。降低氯的投加量和水中有机物的含量，可以有效的防止氯和有机物的结合，最终达到分解三卤甲烷目的。
紫外线消毒的特征
1.杀菌效率高，杀菌速度快。据有关资料介绍，对常见的细菌、病毒的杀灭作用瞬间即可完成，一般室内池需要60mu/cm2紫外剂量，而室外池建议使用40m/cm2紫外剂量。
2.杀菌的广谱性较高。对所有细菌、病毒都能高效杀灭，特别是对于氯法无法杀灭的贾第鞭毛虫，隐性孢子虫，非结核性分枝杆菌和铜绿甲单胞菌等能有效去除。紫外线技术不仅可以用于饮用水的消毒，而且被广泛应用于废水的处理;不仅可以消毒淡水，还可以消毒海水，有极其广泛的应用领域。
3.紫外线消毒是一种物理方法，在消毒过程不添加任何化学物质。消毒过程中，不产生有毒及有害副产物，不改变被消毒水的成分和性质。因此，在保障消毒效果的同时对水体和周围环境(包括空气)不产生任何的二次污染。
4.工作效率不受水温影响。紫外线消毒方式适用于任何水温状况，消毒效果不受水温变化的影响，适宜的工况水温在15～55℃之向。内
5.设备在运行中不产生任何噪声，也不腐蚀设备，所以不会对周围环境和操作人员的安全产生影响。
6.占地面积小、运行安全、可靠，基本不需要日常的维护，维修简单而且费用较低。
7.消毒效果受水质紫外线穿透率影响较大(To)，但是不受浊度和色度等水质参数的直接影响，在对水进行紫外线消毒时需注意水中的悬浮物。所以，为保证消毒效果和防止灯管表面结垢影响紫外光的透出率，对水中的悬浮物浓度有一定的要求。
8.它的运行费用主要为电量。维修费用主要包括灯管和套管的更换费用和清洁剂费
9.紫外线可以氧化水中的有机物，还可以破坏部分能导致水中混浊物质的结构，从用、人工费等。而与过滤工艺相结合可以不断的提高水质的穿透率。根据相关报道，中压紫外线可以将水质的穿透率从75％提高到至少95％以上。
紫外线消毒在游泳池池水消毒中的应用
1.由于紫外线消毒在游泳池池水消毒中的应用，所以“游泳池池水采用紫外线消毒时，必须配合其他长效消毒剂同时使用。”《游泳池给水排水工程技术规程》CJJ1222008中第6.4.1条的规定，这是因为紫外线消毒属于一种物理消毒技术，不需要向水中投加任何化学药剂。在出水不受污染的条件下，可以一直保持水的无菌状态。实际上由于输送水的管道，空气中的尘埃，以及人带入池水中的污染杂质，都会使池水再次受到污染，因此，一方面紫外线消毒需根据循环水量选定，之后再增加长效消毒工艺单元，以确保池水不发生交叉感染
对婴幼儿亲水戏水池可以不增设长效消毒剂工艺单元，因为婴幼儿皮肤细嫩，对化学药剂更加敏感和无抵抗能力。长效的消毒剂容易带来意想不到的伤害，为了保持水的清洁卫生，可以采取增加循环水的循环周期的方法解决。
2.紫外线消毒效果取决于被消毒水的穿透率(T1o值)。因此，紫外线消毒器应装设在池水过滤设备之后的循环水管道上，理想的水质浊度应不超过3NTU。为了保证紫外线消毒器在检修时不影响游泳池的正常使用，建议紫外线消毒器设置旁通管。
3.紫外线消毒器的数量，应根据循环水量大小与产品规格系列可一个或数个并联方式配置。但紫外线的安装应保证被消毒水与紫外灯长度方向相平行，紫外线设备内部流速应小于3m/s
4.游泳池适宜用中压紫外线消毒器，而且对于室内泳池紫外线剂量不应小于60mJ/cm2，而室外泳池可以适当降低至40mJ/cm。中压紫外灯输出功率大，温度较高，灯管使用寿命因生产厂家的不同而不同，一般约为4000～8000h
紫外线消毒器的构造和配置
1.紫外线消毒器由紫外线灯管、反应器、清洗系统和电控装置等部分组成。反应器的内部结构设计和紫外线剂量的选定是消毒和氯胺分解的关键。
1)紫外线灯管和灯管外的石英套管应为耐高温材质。不同生产厂的灯管，其透光率、老化系数和结构系数都有较大的差别，透光率约为50％～90％，另外两个系数范围为0.5～0.8。选用时不能单纯只考虑生产厂对紫外灯管寿命的保证。
2)紫外线灯管的反应器内壁要求有很高的光洁度，能保证紫外线的反射率不小于85％。为此，反应器应尽量采用不锈钢材料制造，壳体耐压等级不应低于0.60MPa。
3)电控装置包括电源开关、指示灯、计时器、紫外线强度显示、水温感应器、远程控制开关及事故报警装置等。计时器可以记录系统运行时间，需更换灯管时可以予以提示。灯管在线强度检测装置采用湿探头，实际检测紫外线强度低于设定水平时，应发出警报;多灯管紫外线消毒器，应能对任何单支灯管的故障发出报警。建议将控制柜与紫外线反应器分开安装，以防止反应器漏水等原因造成控制系统失灵，造成人员伤害。英国海诺威泳池系列产品示意图如图10-14、图10-15所示。
英国海诺威公司为了方便设计和施工，特别设计了两种连接方式的中压紫外线系统，读者和设计工程师还可以根据实际项目参数和以下列表，对设备进行初步选型。涉及具体项目，应与海诺威公司进一步沟通，确定方案。
2.紫外线消毒器的出水口应设置内嵌式过滤网，以防止套管、碎片进入游泳池给游泳者造成伤害，据有关资料介绍:建议采用筛网目数为20的过滤网(英国海诺威公司可以随系统提供)，安装在出水管上，并在计算循环水泵的压力时应增加由此增加的水头损失。
3.为了避免由于水质硬度影响石英套管的特性和泳池水温的情况，应用于泳池和热水池的紫外线设备均配有在线的清洗系统，清洗系统大都采用机械式刮擦方式进行，有手动和自动的清洗系统。以避免非在线清洗方式对泳池日常运营的影响。
4.紫外线消毒器的电控装置配有可靠的安全的安全连锁
5.紫外线消毒器宜设置与中央控制系统结合的接口。
6.紫外线设备应安装在过滤器后，加热器之前，如图10-16所示。
