饮用水的紫外线消毒徐志通王颖提要介绍了饮用水的紫外线消毒原理、消毒器的基本构成、技术特点与维护管理。

关键词饮用水紫外线消毒紫外线用于饮用水消毒，具有消毒快捷，不污染水质等优点。

近年来在防止高位水箱二次污染中应用的较多，本文就其相关问题做一探讨。

1紫外线消毒原理水的紫外线消毒，是通过紫外线对水的照射进行的。

紫外线按波长范围分为A、B、C 三个波段和真空紫外线，A波段320nm～400nm，B波段275nm～320nm，C波段200nm～275nm，真空紫外线100nm～200nm。

水消毒用的是C波段紫外线。

光量子理论认为，光是物质运行的一种特殊形式。

是一粒粒不连接的粒子流。

每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量。

当紫外线照射到微生物时，便发生能量的传递和积累，积累结果造成微生物的灭活，从而达到消毒的目的。

生命科学揭示了核酸是一切生命体的基本物质和生命基础。

微生物体受到紫外线照射，吸取了紫外线的能量，实质是核酸对紫外线能量的吸收。

核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类，其共同点是由磷酸二脂键按嘌呤与嘧啶碱基配对的原则而连接起来的多核苷酸链。

图1是DNA和RNA的紫外线吸收光谱图，吸收光谱的范围在240nm～280nm，对波长260nm的紫外线有最大吸收。

紫外线一方面可使核酸突变、阻碍其复制、转录封锁及蛋白质的合成；另一方面，产生自由基可引起光电离，从而导致细胞的死亡。

图2是国产30W低臭氧低压汞灯的光谱分析图。

通常，水消毒用的紫外线灯的中心辐射波长是253.7nm。

显然，紫外线的杀菌效果取决于紫外线的辐射强度和照射时间的乘积，即辐照剂量。

表1列出了微生物不同杀灭率需要的紫外线辐照剂量值，试验水样染菌1×105cfj/L，水深2cm。

表1微生物不同杀灭率需要的253.7nm紫外线副照剂量/µW/cm2在饮用水紫外线消毒的实际应用中，考虑到消毒器的构造结构、水流分布、灯管使用过程中辐射强度的变化、进水水质、电源特性、环境条件，以及必要的安全系数，消毒器内最初的紫外线辐射强度和所能提供的辐射剂量应留有余量。

2消毒器的结构与部件饮用水紫外线消毒按水流状态分为敞开重力式和封闭压力式。

目前使用的以封闭压力式居多。

封闭式饮用水紫外线消毒器具用金属圆筒把消毒灯管和被消毒的水封闭起来。

筒体用不锈钢或铝制造，其内壁多做抛光处理，以提高对紫外线的反射能力，增强筒体内的紫外线辐射强度。

有的消毒器还在筒内加装了导流板，改变水流的运行状态，避免水流死角。

消毒器必须设有进水、出水和泄水管路，进水管上应设流量指示仪表，为简化消毒器的构造，也可以将泄水管和流量仪表安装在与消毒器相连的管路上。

消毒器的醒目位置应设有灯管点燃指示、点燃计时指示或紫外线强度指示仪表。

紫外线灯管是饮用水紫外线消毒器的核心部件，作用是把电能转化为紫外线的光能。

灯管内充有惰性气体和汞蒸气，低压紫外线灯管壳中的汞蒸气压力为0.8Pa。

管壳用一种能有效吸收200nm以下致臭氧紫外线辐射的石英玻璃制造。

管壳掺杂的石英玻璃对200nm以下紫外线有吸收能力，减少了紫外线灯管在使用过程中散发到空气中的臭氧量。

臭氧对人有一定的危害，建议饮用水紫外线消毒器使用低臭氧紫外线灯，低臭氧紫外线灯的臭氧产量很低，小于1mg/h，正常点燃1h后，距灯管正中法线距离1m处采样的臭氧浓度，用碘化钾法测定低于0.3mg/m3。

单灯管的消毒器内设一只灯管，灯管位于筒体断面的中央。

多灯管的消毒器中灯管的布置原则，是使筒体断面内各点具有大体相同的紫外线辐射强度。

国产直管型石英紫外线低压汞消毒灯执行国家行业标准YY/T0 160-94，表2列出了消毒灯的光电参数。

表2消毒灯的光电参数灯管的石英套管，透紫率不应小于80%，工作压力0.45MPa，试验压力0.68MPa。

为了提高饮用水紫外线消毒器设备的总出水量，可以采用多个单筒体的串联与并联组合方式。

实践证明，辐照剂照明相同时，两种组合方式的消毒效果无明显差别。

饮用水紫外线消毒器系列产品的规格，建议采用1、4、8、15、20、30、40、50 m3/h。

在额定的流量下应达到杀菌必须的辐照剂量。

消毒器选用的其他低压电器产品应符合各自的产品技术要求。

低压紫外线灯的启动电流与普通日光灯相同，其选用的镇流器对灯管的工作状况影响很大，并消耗电能。

产品标记均为40W、220V、50Hz，而内阻分别为40Ω和37Ω的两只镇流器，分别配用5只30W的紫外线灯，测定距灯管中心1m外的紫外线辐射强度，后面一组的值高出前一组18µW/cm2～30µW/cm2。

选用的镇流器应符合GB2313标准，选用的启辉器应符合ZBK 74 005标准。

3消毒器的主要技术特性3.1进水和出水水质GB 3838-88地面水环境质量要求，适用于集中生活饮用水水源地保护区的水体，总大肠菌群值应小于10 000个/L。

对于地面水源，在进行消毒做为饮用水之前，一般均经过混凝、沉淀、过滤等处理。

GB5749-85《生活饮用水卫生标准》中规定，要求经过净化处理即供生活饮用水的水源，总大肠菌群值不应大于1 000个/L。

饮用水紫外线消毒器的进水是以经过净化处理的地面水、城市建筑物水池或水箱的二次供水、可做为直接供给生活饮用水水源的井水，其水质应符合生活饮用水卫生标准的有关规定。

消毒器进水的细菌学指标，可以取总大肠菌群值小于1 000个/L，细菌总数小于2 000个/mL，色度小于15度，总铁含量小于0.3mg/L，浊度小于5度。

经过饮用水紫外线消毒器消毒后的出水，总大肠菌群值应不大于3个/L，细菌总数不大于100个/mL，其他水质指标应符合GB 5749-85有关规定，与进水相比也无明显变化。

3.2工作条件环境温度影响紫外线灯的辐射强度，从而影响消毒器的消毒效果。

温度在5℃～40℃的范围内对消毒效果的影响变化是随温度的降低，紫外线灯的输出会减少，低于5℃时甚至会造成灯管启动困难。

饮用水紫外线消毒器中，灯管套装在石英管内，其作用除了防止灯管破裂污染水质外，也有减少由于水温过低影响紫外线灯效率的功能。

因此，消毒器的进水温度和环境温度就在5℃以上。

消毒器工作环境的相对湿度宜小于65%，最高不大于90%。

过高的相对湿度，严重恶化了电气元件的工作条件，且空气中的中、小水滴增加，阻挡紫外线，使辐射强度减少。

我国电网的工频为50Hz。

当电源电压变化时，紫外线灯的辐射强度随电压的升高而增强，消毒器的能力加大。

消毒器的供电电压宜稳定在220V±10%的范围内，在此电源电压的波动范围内，消毒器的消毒能力将在15%～20%之间变化。

图3、4分别绘出了5只40W紫外线在不同温度和电压情况下平均辐射强度的变化曲线。

3.3消毒能力饮用水紫外线消毒器的消毒能力是指在额定进水量情况下对水中微生物的杀灭功能。

其物理表达式表示在该状态下的辐照剂量：W=IXV/Q×3.6(1)式中W——辐照剂量，µW/(cm2·s)；I——辐射强度，µW/cm2；V——消毒器的有效水容积，L；Q——消毒器的额定进水量，m3/h。

确定消毒器消毒能力的核心问题是如何决定辐照剂量。

从表1可以看出，杀灭不同微生物需要不同的辐照剂量，而存在于水中的微生物是各种各样的。

选定的辐照剂量过高会浪费不必要的能量，过低又达不到消毒的目的。

水的消毒应该侧重于杀灭通过水污染疾病的肠道细菌，一般认为饮用水紫外线消毒器所能提供的辐照剂量最小不小于9 000µW/(cm2·s)，产品出厂时应大于12 000µW/(cm2·s)。

在饮用水紫外线消毒器中，各点的紫外线辐射强度是不同的。

灯管发出的紫外线穿过石英套管造成一定的衰减，在穿过水层的强度随水层深度增加而减少，即存在下述关系：I=I0e-kd(2)式中I——不同水深的辐射强度，µW/(cm2·s)；I0——超始辐射强度，µW/(cm2·s)；k——水层深度，cm；d——水的吸取系数，cm-1。

上式中，水的吸取系数依次与浊度、色度、含铁量有关。

饮用水紫外线消毒器中有多只灯管的情况下，筒体断面内的紫外线辐射强度的分布计算比较复杂，保证各点强度大体一致是结构设计中的首要问题。

在消毒器的有效使用过程中，辐照剂量随时间的增加而减少，这主要是因为灯管的辐射强度的变化，消毒器筒体内表面和石英套管表面结垢造成紫外线的反射率和透紫降低也是一个重要的原因。

灯管的有效使用时间是指其辐射强度从出厂的标准值下降30%的累积时间，国产灯管的有效寿命应不低于1 000h，一般在3 000h以上，进口品质良好的灯管可达8 000h。

表3列出了合格与失效灯管的紫外线辐射强度。

表3合格灯管与失效灯管的辐射强度/µW/cm2消毒器在接近生产厂家规定的有效使用期前，应加强出水水质的监测，及时更换失效的灯管。

在实际运行中，在必要情况下，使用按上述标准值失效的灯管，适当地减少消毒器的进水量，保证必需的辐照剂量，仍然可以获得满意的水质，一般30W的灯管辐射强度不宜小于50µW/cm2。

3.4微生物受紫外线照射后的光复活在饮用水紫外线消毒器中，各种不同的微生物均由于紫外线的照射受到损伤以致死亡。

但任何生物均对损伤有一定的修复能力，微生物也不例外。

微生物的紫外线损伤能被可见光所逆转称为光复活，有效的波长范围包括330nm～480nm的可见光和近紫外光。

修复情况因微生物的种类和受紫外线的打击的程度而异。

一些缺乏光复活酶的微生物无光复活能力。

紫外线的注量增加，光复活率降低，当照射剂量达到60 000µW/cm2时，大肠杆菌的光复活消失。

光复活的机制是：在光复活酶的作用下，连接在一起的可以逆转的光产物胸腺嘧二聚体解聚而形成单体，使DNA恢复正常功能和结构以及在DNA复制时将损伤部位忽略和绕过，实现切割修复和重组修复。

为了避免光复活现象，饮用水紫外线消毒器应保证一定的紫外线辐照剂量，消毒器应安装在水箱的出水管上，经消毒后的水随取随用，避免与光长时间接触。

4监测4.1灯管紫外线辐射强度紫外线辐射强度用紫外线辐射强度测定仪测定，仪器应经国家法定单位校准，并在校准有效期内使用。

测定时灯管应处水平位置，仪器接受探头置于灯管表面正中法线1m处。

环境温度为25℃±3%、相对湿度不超过65%，测定前灯管的稳定放电时间不小于10min，电测仪表的精度不低于0.5级，镇流器符合GB2313要求，电源电压220V±2%、50Hz。

4.2消毒器辐射照度测定消毒器的辐射照度时使用的仪器和测定条件同4.1。

仪器探头置于消毒器的测试孔处，距水面的距离小于5cm。