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紫外线灯在水处理中的应用

　　水处理（water treatment）从处理对象分，它包括废水处理、城市供水处理、饮用水处理、纯净水处理、养殖场水处理；从原理上分，有消毒、杀菌、光分解降解及其它光化反应；从使用紫外线杀菌灯的方法来分，有直接把灯放入水中，称为浸没式；紫外线灯放入套管里使用，称为过流式。（目前主要采用的是过流式的方法。）
　　----紫外线杀菌灯在水处理主要应用它的杀菌功能，比如过流式的设备工作原理是这样的：经水泵产生压力的一定流速的水流流过能透紫外的石英套管外围，紫外线灯产生的254nm紫外线对水进行消毒、杀菌。其特点是水流流速很快，一般在石英外套流过的时间为不超过1秒因此要求杀菌灯的紫外线强度是很高的，一般要求在表面强度超过30000uw/cm2。要产生如此高的紫外线强度，需选用高强度大功率的紫外线杀菌灯。如果仍然想通过延长时间来提高消毒效果，那么一般选用较长的灯，做较长的设备，或在不锈钢外壁上处理成涡流旋转式结构，来延长水流过的时间。
　　----对于高档产品，过流式消毒方法不仅要配较复杂的结构；还有复杂的控制系统，如紫外线强度监测系统，水温监测系统，消毒时间累积，紫外线灯监控、故障报警、自动声光报警等系统。此外，过流式设备对环境与处理对象也有要求，如水的温度、水的透明度对消毒效果有很大的影响。紫外线杀菌灯工作时表面最佳温度为40℃，温度过高或过低都会影响紫外线输出效果；水的透明度越差，紫外线越易被吸收，利用率就越低。
　　----与过流式相比，浸没式结构简单。紫外线杀菌灯直接放在水中，这种方法可用于流动的动态水，也可用于静态水。这种处理方法要注意灯管有可能由于意外情况发生破裂；长时间处理，灯管表面会被水中藻类等污染物覆盖，将严重影响紫外线透出。
　　对不同对象的水体进行消毒，主要要了解水质变动情况和水对紫外线的透过率。
　　在水处理，除消毒杀菌外，紫外线灯还用于光催化反应，但目前只停留在试验室研究阶段。
　　2、产品的一般设计
　　----对设备的设计，除了相关结构和电控部份设计之外，一项重要指标是消毒效果，消毒效果我们一般用紫外线辐照剂量来衡量，即254nm紫外线辐照强度×照射时间。辐照强度可以根据外套管离灯管表面距离来测试强度，处理时间要根据水流量、水压力、进水管尺寸来定，也可实测。理论上，照射剂量要达到30000uw.s/cm2，剂量越高，对细菌杀灭率越高。
　　----实际上，照射剂量在系统工作时是很难测试的，主要是水体在设备中流过的时间往往难以估计和测试（这还和设备内部结构设计有关），所以通常用水流量和紫外线灯功率的比例关系来衡量消毒效果。
　　----水流量一定，则需要一定总功率的紫外线灯，但总功率一定，还有多种选择方案。如果选择总功率600瓦的紫外线灯，可选择30只20瓦的灯，也可选择20只30瓦的灯，还可选择6只100瓦的灯等。即使单只灯功率一定了，灯的长度还不一定。可选择较短的高强度灯，也可选择较长的高效率灯。具体设计时，考虑设备的长度、体积，如果允许设备长，不能太大，则采用细长的灯，这样支数相应减少，内腔空腔可缩小。相反，设备设计不能长，可大的，则选用紫外线灯管时，宜采用较小功率，支数较多的。对于选择支数较少紫外线灯时流过石英外套管的水层厚度要厚，紫外线在水中比在空气中更容易衰减，它的衰减系数比可见光在水中的衰减要大得多。只能允许水层厚度在1cm左右，如果更厚，则需浪费更多的紫外线来达到相同的消毒效果。即紫外线灯应用效率会降低。
　　2、 灯的选用
　　----在水处理中，尤其在废水处理中，应用高强度的紫外线灯是很有必要的。因为如果使用较多数量的紫外线灯，那么镇流器数量也多，线路更复杂，控制部分也更复杂，往往坏一只灯，就要停机更换，检修。而灯和镇流器使用数量越多，坏掉一只的概率也就越大。
　　----在传统的紫外线灯中，功率一般只能做到几十瓦，如传统规格40瓦、30瓦。如果用到大流量水处理，总功率需几千瓦，紫外线灯的数量要用到数十只到上百只，设备庞大，控制线路也很复杂。当用大功率的紫外线灯，如300瓦，那么，灯和镇流器数量将会大大减少，可简化设备。提高设备安全可靠性，降低设备的故障发生率。
　　----高强度的紫外线灯在水处理中使用，可分别选择有臭氧和无臭氧灯所谓有臭氧灯，指这种灯能透185nm谱线（汞的特征谱线），这种谱线在空气中能电离空气产生臭氧。据国外的试验研究，185nm的紫外线在水中能产生光化反应，即电离H2O产生-OH（羟基），-OH有很强的氧化性，可矿化分解水中的有机物，降低TOC。但是一般的低压汞灯，本身功率不大，185nm紫外线只占灯管所耗电能的20%，其效果不显著，只有大功率的紫外线灯才能表现出一定效果。
　　----在水处理除了应用紫外线灯消毒杀菌之外，还可用到紫外线灯的另外的作用原理。这就是光催化反应。这种原理现已被成功用于空气净化。我们在市场上看到的光催化空气净化器就是用到该原理。在饮用水和废水净化方面，国内目前有数十家大学和企业在研究，被认为是高效、最有前景的废水、废气治理方法，是国内外研究的热点。
　　----目前，光催化活性较好的是TIO2。理论上，波长小于387nm的紫外线都能对TiO2激化而产生羟基而起到催化氧化的作用。市场上，我们可看到两个波长的紫外线灯，一种是254nm，一种是365 nm的紫外线灯，这两种灯现都已成功用于光催化反应的应用中， 254nm的紫外线灯也就是通常的杀菌灯，是由汞原子发出的谱线。365nm谱线的灯，通常见到的是采用专用的黑色的透紫外线玻璃；另一种是采用石英玻璃，涂覆365nm的紫光粉，采用石英材料的透光率要高，但其成本也相应增高。
　　----用在水处理，通常选用254nm的紫外线灯做光催化反应，这实际用到了254nm的双重作用，一是直接杀菌，一是光催化产生羟基矿化降解和杀菌。
　　在空气净化方面，目前365nm的黑光管和254nm的石英灯都已有人成功运用，本公司已开发峰值波长为312nm的紫外线灯，该灯种光谱在UV-C、UV-B、UV-A等波段均有分布，可对光催化效率大大提高，是光催化应用首选灯种！
　　二、应用中的技术难点
　　1、 结构和控制
　　----在水处理主要用到紫外线灯的消毒杀菌功能，这种基本原理和方法在数十年就已被人发现。在欧美，紫外线消毒技术已是一种普及的技术。在我国，九十年代开始引进该技术。十年来，这种技术做为一种"高科技产品"被努力地推向市场。然而，到目前为止，紫外线消毒产品还远未在水处理应用中普及。
　　----没有普及化的重要原因之一是产品的结构和控制系统的设计不过关。以家用饮水机为例。据卫生部门的检测，通过饮水机放出的水，大多数都是细菌严重超标，一些名牌厂家的都是如此。细菌产生的主要原因就是饮水机内部长期不清洗而滋养了细菌。数年前，有人想把紫外线灯用到饮水机上，对系统环境和水进行消毒和保洁。可到现在，市场上也没看到饮水机用上紫外线灯。
　　----造成这种现象主要是遇到结构设计上的难题。紫外线在水中的穿透力很差，一般仅适合于10cm以内厚度的静态水层，随水层厚度增加，紫外线强度将大幅度衰减。因此紫外线对水消毒最适合薄层动态水。而普通的桶装饮水机中的水流入到内胆中是静态，而且储存时间无法确定，有可能只停留几秒种（连续接水饮用），也有可能停留较长时间。这就在时间控制上也增加了难度。
　　----有人想到，饮水机主要存在的是二次污染，不是桶装水带入的细菌，只要让内胆中的水不受二次污染就可以保持清洁。没有必要达到紫外线消毒杀菌的剂量。但是，桶装水不合格的报道我们经常见到。显然，仅仅是对内腔进行消毒显然是不够的！
　　2、 光催化反应
　　----光催化氧化反应机理很复杂。一些纳米材料如TiO2粉体复合光催化剂，被紫外线照射后，会产生"电子-空穴"对。空穴有很强的扑获电子的能力，遇到水分子后水分子被夺去电子形成羟基（-OH），羟基有很强的化学活性，它能破坏有机物的化学键，达到旷化分解有机污染物的目的。
　　----与其他的新技术、新方法一样，光催化有他的新颖、实用的一面，也有其局限性的一面。从目前的国内外的研究和一般客户的应用情况看，光催化有其以下的局限性：
　　----1、光催化不管用在空气还是用在水里，其"光解"的作用效率是"有限的"。不能夸大他的作用。它只能处理杂质含量很低的空气和溶液，而且处理时间较长。比如空气净化，只能用于污染气体（如家居室内）较轻的环境，而不能用于如废气、废水等的净化。
　　----2、光催化作用只能局限于光触媒表面附近。也就是说，杂质分子或离子只能经过光触媒表面才能被降解。因为光催化产生的活性离子羟基（-OH）从产生到消亡的时间非常短，（小于10-6秒），他既不能在水中"游泳"，也不能在空中"飞舞"。而象紫外线可以穿透一定水层（尽管它在水中衰减严重），臭氧、氯气可以溶解在水里，随水漂流，作用时间可达数十分钟。
　　----3、光催化活性易受外界因素影响。如水中某些离子对光催化分解有促进作用，也有些离子或分子对光催化有"中毒"作用。空气中的湿度对光催化效果也有影响。还有一点：必需有水分子光催化才能进行。在仪器设备工作过程中，光催化实际效果往往难以实测和加以判断。消费者难以通过"感性认识"来感触高科技的魅力！
　　----4、无法测定"光解因子"。以消毒杀菌为例，《消毒技术规范》介绍有生物灭菌试验方法。（这种试验方法程序复杂，成本较高，一般只有市级防疫部门试验室才有条件做。）通常情况，我们可测试消毒因子。如紫外线消毒，我们可测试254nm紫外线强度，化学消毒可测试化学因子如环氧乙烷、臭氧的浓度，而光催化反应，目前无法测试所谓"因子"，如羟基（-OH）浓度就无法测试，原因是一其存在时间很短，二也无恰当方法测试。是"摸不着、看不见"的东西。
　　----1、 产品技术优势
大功率高强度
　　----前面我们已经讲到，在水处理，由于他的使用特点要求紫外线有很高的寿命和可靠性。
　　- ----对于低压汞灯如荧光灯，功率一般只有几十瓦，如果把功率做到上百瓦，就被认为"有很高的技术含量"。因为功率做大，灯管的管壁负载就会增加，这样往往会缩短寿命，或者大大降低光的输出效率。
　　----大功率紫外线灯管我们现已可做到300瓦以上。这种灯的管流超过1A，功率密度要比普通灯显著大，达到1．2瓦/cm。300瓦紫外线灯在1．0米处254nm紫外线强度达到1200uw/cm2，相当于10只40瓦灯的紫外线强度，表面紫外线强度更是高达70000 uw/cm2（在此强度下消毒时间不超过0．5秒）。在高功率密度情况下，仍有较高的紫外线输出效率，而且可在较高管壁温度（超过100℃）条件下工作。使用漏磁变压器点灯，有很高的可靠性，灯管寿命达到5000小时以上。
　　--更大功率的紫外线杀菌灯我们正在研制，灯管电流超过2A，有更大的功率密度。