紫外线消毒技术发展及在二次供水领域的应用

【摘要】阐述当前水环境现状及紫外线消毒技术发展趋势，研讨二次供水水质特点及污染状况，介绍紫外线物理方法置于管网末梢消毒的优势及应用。
【关键词】 紫外线，消毒技术，二次供水，发展应用
（一）当前水环境状况
据世界卫生组织（WHO）报告：*80％ 的疾病与水有关。目前已发现由于饮用水不符合卫生要求而导致的消化道疾病、结石病、皮肤病、肿瘤、心脑血管病、妇科病及其它传染病多达50多种……！
另据有关部门对我国100多个大中城市2～7年水质进行监测的有关数据表明：全国76个城市地下水受到严重污染，占总数的64％；39个城市地下水受到轻度污染，占总数的33％；水污染已经成为我国zui主要的环境问题。
水是自然环境中化学物质迁移和循环的重要介质。人类活动所产生的污染物很大一部分是以水溶液的形式排放，从而使各类物质很容易进入环境水体并导致水体污染，甚至造成病原体污染。污染过的水通过饮用、洗漱、洗生菜等各种途径进入人体。有多种传染病均可经水传播，其中如痢疾、急性腹泻、伤寒、传染性肝炎、脊髓灰质炎等的发病率和死亡率都是很高的；而水中有毒有害的化学成分亦与某些肿瘤发病有关。有调查数据表明，饮水中可确认的致癌物有20种，疑致癌物有23种，促癌物有18种，致突变物有56种。因此，水的质量好坏将直接影响人们的身体健康。
随着人口和经济的迅速增长，一方面人类对水的需求量和品质要求越来越高；另一方面水体的污染范围和程度也越来越大。这一日渐严重的矛盾，将成为制约我国社会经济可持续发展的主要因素。
（二）紫外线消毒技术发展
解决水质污染的主要途径即在于运用工程技术手段，通过物理和化学等多种方法进行处理，加工成符合生活和使用要求的成品水；将使用过的废水处理成符合循环使用或排放要求的水质，以满足与用水相关的各类需求。
紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用自1993在美国Milwaukee密尔沃基市爆发隐孢子虫病后倍受推崇和青睐，美国国家环保暑在实验证实氯消毒不能有效杀灭隐孢子虫卵囊，而研究发现紫外线对隐孢子虫卵囊有很好的杀灭效果，在常规消毒剂量范围内紫外线消毒不产生有害副产物后，仅仅5年就批准了紫外线消毒在饮用水中的应用，美国对新技术在饮用水处理中的应用历来比较迟缓、保守，但对紫外技术的应用则采取了异乎寻常的快速行动。如近两年美国大型水厂西雅图水厂、纽约自来水厂等都相继建成紫外线消毒系统。因此，经过多年的发展，城市给排水紫外线消毒技术在国外发达国家已经成为一项成熟与可靠的技术，应用实例增加十分迅速。从国外的发展趋势看，紫外线水消毒正在成为水净化处理中重要的手段之一。
紫外线的灭菌作用zui早在20世纪初由英国学者贝纳德和莫加报道，开始应用为二十世纪六十年代。早期主要是低压汞灯（LP），至九十年代中压汞灯（MP）和脉冲汞灯（P-UV）也得到研究应用。而用于消毒的紫外线是UVC区，即C波段253 .7nm。紫外线水质消毒是利用紫外线光子能量破坏水体中的各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA 结构，使病毒、细菌以及其它致病体丧失复制繁殖能力。
由于紫外线对隐孢子虫的杀灭作用和不产生副产物，因此紫外线消毒在给排水处理中显示了很好的市场潜力。
紫外线对几种微生物的杀灭剂量（μw.s/㎝2）
不同杀灭率时的照射剂量
微生物                99.0％     99.9％    99.99％
腊样杆菌芽胞          28170     73300     190731
枯草轩菌黑色变种芽胞  26398     82632     253473
大肠杆菌              2025      7544      21807
白色葡萄球菌          6089      14113     32711
紫外线可以杀灭各种微生物，包括细菌、真菌、病毒、立克次体等，每种微生物都有其特定的紫外线死亡剂量阈值。一般来说，革兰氏阴性菌对紫外线zui敏感，其次为革兰氏阳性球菌，细胞芽胞和真菌孢子抵抗力zui强。病毒对紫外线的抵抗力介于细菌繁殖体和芽胞之间。杀菌剂量（K）是照射强度（I）和照射时间（T）的乘积，即K=IT。从理论上讲，高强度短时间或低强度（但需＞40μw/㎝2）长时间照射，均能获得同样的效果。
近年来，专业机构及美国国家环保暑，美国国家水研究院相继发布了一系列技术标准和规程，EPA、IUVA、NWRI等专业机构发布的相关技术标准和规程。例如：EPA 625/1-86/021，美国国家环保暑“城市污水消毒设计手册”（1986），NWRI-2—3-06 ；美国国家水研究院“饮用水及中水紫外消毒指南”（2003）， NSF/ANSI 55-2002：美国卫生基金会标准/美国国家标准“紫外线微生物水处理系统”（2002）。为此，紫外线协会（IUVA）在1999年成立。
紫外线水消毒技术约在5～6年前被引进，在我国还属于很新的技术。虽然我国整体引进、吸收和消化先进的科学技术方面有了长足的进步，但在个别领域与国外还存在很大的差距。
2006年以来，国家正式颁布了一系列与紫外线水消毒技术相关的标准和规范，如《城市给排水紫外线消毒设备》标准、《室外给排水设计规范》等，其中对紫外线水消毒技术制定了相应的设计、和检测技术要求，从根本上扭转了紫外线水消毒技术发展的被动局面。
随着国家环境保护建设的加强，污染防治力度逐步加大和环境法制建设的进一步完善，这将对设备企业更多、更系统地了解和掌握先进的紫外线水消毒技术，扩大该技术的应用范围，提高该技术的应用水平，缩小与国外先进技术的差距，促进我国紫外线水消毒技术的发展都将会产生极积的作用。
（三）紫外线消毒技术在二次供水领域的应用
由于国民经济的快速发展，各类大型及高层建筑日益增多，二次供水设施的使用也越来越普遍。二次供水是指生活饮用水经储存或加压再供给用户的一种供水方式。它可有效地解决管网水压偏低问题，并能满足高层建筑用水的需求。
有关二次供水的卫生安全问题，日渐成为公众注目的焦点。用二次供水来解决水源和水量不足的问题，与此同时二次供水又存在着水质二次污染的隐患，究其原因，主要是管网输送过程中管道破损，引起的滴漏，还有二次供水的高层蓄水箱（池）等卫生防护措施不到位，以及卫生管理制度不健全造成的，污染的水质饮用后将对人体造成极大的危害。
迄今为止，用于水质消毒净化处理的化学消毒剂没有一种对人是无毒的，使用氯制剂处理的水质中含有氯化副产物，即以三卤甲烷和卤乙酸分别代表了挥发性和非挥发性氯化副产物，具强致癌性，传统的水消毒采用氯及含氯化合物药剂，操作大多以人工投放方式或化学消毒设备进行，由于有机氯对人体具有致癌作用，这些已为越来越多的人们所认识。
当前二次供水主要采用：单设水箱供水方式；设水池，水泵和水箱的供水方式：设水池、水泵和水箱部分加压的供水方式；水池、气压罐给水设备的供水方式：水池、变频恒压设备的给水方式。
据国内研究表明：二次供水水质下降率占饮用水水质下降的70﹪，普遍存在的问题是细菌学指标超标。有关部门监测结果表明；自来水在水箱中贮存24/h后，余氯为零，特别是在夏天，水温较高，水中余氯迅速减小，不宜直接饮用。当水温低于10℃时，滞留时间超过48/h时；当水温在15℃时，滞留时间超过36/h，当水温大于20℃时，滞留时间超过24/h，细菌、总大肠菌群指标明显增加。
分析各类用于二次供水消毒设备进行优势比较，研究各种二次供水设施及水质特点进行对照，我们不难发现，运用紫外线这种行之有效的物理方法置于管网的末梢进行消毒具有极大的优势，它所独特的优越性即在于：对广谱细菌的杀伤力强，不改变水的理化指标和水质特性，无有害副产物产生，现消毒现饮用，接触时间短，既安全环保，又具经济性。它的优越性在二次供水、自备水源消毒领域更是其它消毒方法所*的，而它的实用性、经济性和环保性也是其它水消毒设备所不具有的。
紫外线系统对二次供水（低浊透明）水体进行消毒虽然具有极大的优势，但能的紫外线系统还须有相应的支撑要素，即紫外线系统良好的灭菌效果与辐射半径和辐照历时相关联，提高杀菌率必须减小辐射半径，使辐射层流值均≤2cm，并有效的控制过流水量，大幅延长水体过流行程和增加辐照时间，另外石英管外壁的清洗工作是运行和维修的关键，当水体流经系统时，其中有许多无机杂质会沉淀粘附在套管的外壁上，还因各类水质的不同（有机物含量较高）形成的污垢膜，微生物也极易形成生物膜，这些都会抑制紫外线的透射，影响系统装置消毒效果。
综上所述，由于环境污染的影响，人们逐步认识到安全用水的重要性，消费观念也正在发生着变化，因此，市场期待一种既能与二次供水设施工作环境相适应，又能够满足二次供水消毒技术要求的设备，其设计原则为：具有的结构设计，充分利用供水过程中低浊透明的良好外部条件，符合GB/T1983-2005《城市给排水紫外线消毒设备》国家标准要求，技术先进、功能完备的水消毒防护设备，使方便快捷与经济实用和环保安全结合在一起。
针对上述紫外线水消毒器装置存在的结构缺陷和问题，提供一种能够与供水管网设施相配套，适应国内给排水设施的特点，符合水消毒处理要求的设备，通过供水的自然压力使过流水体在有效时间内完成消毒过程。
该系统装置“立式、单腔体内置导流板封闭压力结构紫外线水消毒器”采用多灯辐射和过流式原理（水体呈倒U形过流），由立式、内置导流板封闭压力腔体装置、高强度单端紫外光源、新型数显电压、电流（一体）装置、数显紫外灯计时、累时装置，高性能变频镇流器、以及互为独立的前后腔机械清洗装置和紫外线传感监测装置组合而成。
系统装置进出水口可与符合国家标准的法兰盘进行连接，在承压>0.8MPa和流量不变的状态下，能够大幅延长水的过流时间，增加紫外线辐照强度，极大地提高杀菌效率，单台腔体系统装置即能满足净水处理需求（二次供水、自备水源蓄水设施），具有杀菌广谱、速度快、成本低、体积小、易安装、环保无副产物、不改变水质特性等特点。
随着近年来国家新颁标准和规范的实施，将对我国紫外线水消毒技术领域的发展产生重要作用，对于阻断因水质污染而引发的介水传染病，保障安全用水具有重大的社会意义，同时也给紫外线消毒技术在给排水领域的应用带来了巨大商机。并能产生极大的经济效益。