【极智课堂】李梦凯：紫外反应器设计要点简述

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本期，我们邀请到中国科学院生态环境研究中心副研究员李梦凯带来了“紫外反应器设计要点简述-紫外线消毒手册（9章）”的精彩主题分享，以下为主要内容：

一、介绍

本次分享主要内容是关于James Bolton教授在2008年编著的《紫外消毒手册》的第九章内容。

James Bolton教授是国际著名的光化学家，紫外消毒领域的权威，国家紫外线协会（IUVA）的创始人和首届执行主席。博士毕业于剑桥大学，先后在明尼苏达大学、加拿大西安大略大学和阿尔伯塔大学任教。James Bolton教授编著的很多本教材，在国际紫外线领域都备受推崇。

本次分享内容是按照James Bolton教授的教材编制的。主要是根据USEPA出版的UVDGM（第三、四章），对紫外反应器设计要点进行简述。

二、基础设计要点

消毒目标（Disinfection Goals）

在设计开始之前，应明确定义紫外线设备的目标。这将确保设计的反应器达到客户（如政府相关部门）的需求（法规规定的消毒效果、特定目标致病菌、符合总体消毒策略）。

法规要求（Regulatory Requirements）紫外线消毒的法规要求会有所不同。

不同国家，不同的目标水体，法规的要求是不一样的。要具体的查找法规要求，达到一个合格的紫外线消毒剂量。

目标病原体（Target Pathogen）：紫外线设施的设计也将取决于目标病原体，不同目标病原体所需紫外剂量不同。

并不是所有的工程项目都要求做广谱型消毒，任何一项消毒技术都不能高效灭活所有的致病微生物。在饮用水消毒领域提出了新的概念，也就是多重屏障消毒。利用多个消毒技术组合，对所有的致病微生物都能达到一个高效的灭活。

例如，传统以氯为消毒的水厂，在北美有很多案例，他们需要进行升级改造，以针对原水中的隐孢子虫，这时多数致病微生物都可以被氯消毒，紫外线的目的只是消毒隐孢子虫，在这种情况下，不需要遵循消毒标准时候中所规定40毫焦每平方厘米的要求了，只需要达到对隐孢子虫四个对数的灭活即可。

所以确定消毒目标时，以目标病原体的消毒剂量确定实际紫外线所需要的消毒剂量。

消毒方法（Disinfection Strategy）：公用事业通常旨在提供多重障碍来降低微生物风险，同时最大程度地减少DBP的形成（USEPA 2006）。

三、关键设计要点

紫外线透过率（UVT）

UVT是设计紫外消毒中最重要的水质参数。如果透过率很低，就无法辐射到距离灯管较远地方的细菌，会造成消毒的风险。

设计紫外线反应器时如选用保守的UVT范围（较低值），则多数时间能源浪费。如选用UVT过高，会导致消毒安全风险。

UVT测试波长需根据应用光源而定。UVT数据输入辐射场模型获得辐射强度分布数据，结合CFD模拟可获得辐射剂量数据。

Bolton教授研发UVCalc模型，可计算不同UVT值下，紫外辐射强度分布情况。2011年，我们研究组研发的荧光微探头技术，准确测定了不同UVT值下的辐射强度分布，对各模型进行了验证和改进。

结垢因子（Fouling Factor）

在紫外线反应器实际运行当中，紫外灯管的石英套管表面会发生明显的结垢现象。从而强烈的阻止UV辐射出来。

右下图为某地自来水紫外线消毒反应器中的测试数据，可以看到，如果不加清洗系统，两周内紫外线辐射强度就会衰减到原来的50%左右。套管结垢因子是反应器设计时必须考虑的一个因素。

套管和传感器窗口结垢（sleeve and sensor window fouling），结垢通常是由于具有低溶解度的化合物沉淀引起，其为溶解度随温度或ORP（氧化还原电位）升高而降低的化合物（例如铁化合物）。

因此，需要评估不同水体的套管结垢因子，套管结垢因子的评估方法是目前研究的难点。

下图左为美国Carolo公司相关套管结垢评估的测试装置，右图为中科院研发的紫外反应器结垢因子测试系统，将不同水的结垢因子测试出来，从而指导反应器设计。

紫外灯老化因子（Aging Factor）

随着紫外线设备运行时间的增加，紫外线灯、套管和传感器窗口会老化，这会导致紫外线剂量随时间的推移而减少。汞蒸气灯的紫外输出的降低取决于运行时间、开/关次数、水温等。

从左下图可以看出，紫外低压汞灯的运行光输出会随时间的延长而发生下降。水温对于紫外灯输出也有非常严重的影响，紫外线反应器使用过程中会经历冬天、夏天，也可能会用到南方、北方，水温是有区别的，这个因素也需要在设计中考虑到。

流量（Flow）

最大流量是最关键的设计参数，它将用于设计所需的紫外反应器的数量和灯管数量。平均流速和最小流速也有利于设计紫外反应器的调节能力以优化运行成本。根据流量的不同，可以设计相应的策略，开关灯管的数量不同，从而达到最优的运行模式。在这部分，UV LED 可以发挥非常大的优势，灯具的启动时间短，而且功率线性可调，这些都是LED有优化潜力的部分。

四、电源和电力系统

电源供电质量（Power Quality）：根据制造商的不同，紫外线设备对电源质量（例如电压骤降/骤升或电源中断）的要求不同。这些电源供电意外可能导致紫外灯失去光弧（即紫外光输出）。

电源（Power Supply）：电源应考虑所选紫外线设备的电源负荷要求，消毒目标和电源质量。除高负荷水泵外，来自紫外线反应器的电负载通常是水厂最大的电负荷。