基本介紹
- 中文名：水處理殺菌燈
- 外文名：water treatment
- 工作原理：紫外線殺菌
- 優點：低耗能，高可靠性
水處理,一般設計,燈的選用,技術難點,結構和控制,光催化反應,產品技術優勢,大功率高強度,高可靠性,
水處理
從處理對象分，它包括廢水處理、城市供水處理、飲用水處理、純淨水處理、養殖場水處理；從原理上分，有消毒、殺菌、光分解降解及其它光化反應；從使用紫外線殺菌燈的方法來分，有直接把燈放入水中，稱為浸沒式；紫外線燈放入套管里使用，稱為過流式。（目前主要採用的是過流式的方法。）
----紫外線殺菌燈在水處理主要套用它的殺菌功能，比如過流式的設備工作原理是這樣的：經水泵產生壓力的一定流速的水流流過能透紫外的石英套管外圍，紫外線燈產生的254nm紫外線對水進行消毒、殺菌。其特點是水流流速很快，一般在石英外套流過的時間為不超過1秒，因此要求殺菌燈的紫外線強度是很高的，一般要求在表面強度超過30000uw/cm2。要產生如此高的紫外線強度，需選用高強度大功率的紫外線殺菌燈。如果仍然想通過延長時間來提高消毒效果，那么一般選用較長的燈，做較長的設備，或在不鏽鋼外壁上處理成渦流旋轉式結構，來延長水流過的時間。
----對於高檔產品，過流式消毒方法不僅要配較複雜的結構；還有複雜的控制系統，如紫外線強度監測系統，水溫監測系統，消毒時間累積，紫外線燈監控、故障報警、自動聲光報警等系統。此外，過流式設備對環境與處理對象也有要求，如水的溫度、水的透明度對消毒效果有很大的影響。紫外線殺菌燈工作時表面最佳溫度為40℃，溫度過高或過低都會影響紫外線輸出效果；水的透明度越差，紫外線越易被吸收，利用率就越低。
----與過流式相比，浸沒式結構簡單。紫外線殺菌燈直接放在水中，這種方法可用於流動的動態水，也可用於靜態水。這種處理方法要注意燈管有可能由於意外情況發生破裂；長時間處理，燈管表面會被水中藻類等污染物覆蓋，將嚴重影響紫外線透出。
對不同對象的水體進行消毒，主要要了解水質變動情況和水對紫外線的透過率。
在水處理，除消毒殺菌外，紫外線燈還用於光催化反應，但目前只停留在試驗室研究階段。
一般設計
----對設備的設計，除了相關結構和電控部份設計之外，一項重要指標是消毒效果，消毒效果我們一般用紫外線輻照劑量來衡量，即254nm紫外線輻照強度×照射時間。輻照強度可以根據外套管離燈管表面距離來測試強度，處理時間要根據水流量、水壓力、進水管尺寸來定，也可實測。理論上，照射劑量要達到30000uw.s/cm2，劑量越高，對細菌殺滅率越高。
----實際上，照射劑量在系統工作時是很難測試的，主要是水體在設備中流過的時間往往難以估計和測試（這還和設備內部結構設計有關），所以通常用水流量和紫外線燈功率的比例關係來衡量消毒效果。
----水流量一定，則需要一定總功率的紫外線燈，但總功率一定，還有多種選擇方案。如果選擇總功率600瓦的紫外線燈，可選擇30隻20瓦的燈，也可選擇20隻30瓦的燈，還可選擇6隻100瓦的燈等。即使單只燈功率一定了，燈的長度還不一定。可選擇較短的高強度燈，也可選擇較長的高效率燈。具體設計時，考慮設備的長度、體積，如果允許設備長，不能太大，則採用細長的燈，這樣支數相應減少，內腔空腔可縮小。相反，設備設計不能長，可大的，則選用紫外線燈管時，宜採用較小功率，支數較多的。對於選擇支數較少紫外線燈時流過石英外套管的水層厚度要厚，紫外線在水中比在空氣中更容易衰減，它的衰減係數比可見光在水中的衰減要大得多。只能允許水層厚度在1cm左右，如果更厚，則需浪費更多的紫外線來達到相同的消毒效果。即紫外線燈套用效率會降低。
燈的選用
----在水處理中，尤其在廢水處理中，套用高強度的紫外線燈是很有必要的。因為如果使用較多數量的紫外線燈，那么鎮流器數量也多，線路更複雜，控制部分也更複雜，往往壞一隻燈，就要停機更換，檢修。而燈和鎮流器使用數量越多，壞掉一隻的機率也就越大。
----在傳統的紫外線燈中，功率一般只能做到幾十瓦，如傳統規格40瓦、30瓦。如果用到大流量水處理，總功率需幾千瓦，紫外線燈的數量要用到數十隻到上百隻，設備龐大，控制線路也很複雜。當用大功率的紫外線燈，如300瓦，那么，燈和鎮流器數量將會大大減少，可簡化設備。提高設備安全可靠性，降低設備的故障發生率。
----高強度的紫外線燈在水處理中使用，可分別選擇有臭氧和無臭氧燈。所謂有臭氧燈，指這種燈能透185nm譜線（汞的特徵譜線），這種譜線在空氣中能電離空氣產生臭氧。據國外的試驗研究，185nm的紫外線在水中能產生光化反應，即電離H2O產生-OH（羥基），-OH有很強的氧化性，可礦化分解水中的有機物，降低TOC。但是一般的低壓汞燈，本身功率不大，185nm紫外線只占燈管所耗電能的20%，其效果不顯著，只有大功率的紫外線燈才能表現出一定效果。
----在水處理除了套用紫外線燈消毒殺菌之外，還可用到紫外線燈的另外的作用原理。這就是光催化反應。這種原理現已被成功用於空氣淨化。我們在市場上看到的光催化空氣淨化器就是用到該原理。在飲用水和廢水淨化方面，國內目前有數十家大學和企業在研究，被認為是高效、最有前景的廢水、廢氣治理方法，是國內外研究的熱點。
----目前，光催化活性較好的是TIO2。理論上，波長小於387nm的紫外線都能對TiO2激化而產生羥基而起到催化氧化的作用。市場上，我們可看到兩個波長的紫外線燈，一種是254nm，一種是365 nm的紫外線燈，這兩種燈現都已成功用於光催化反應的套用中， 254nm的紫外線燈也就是通常的殺菌燈，是由汞原子發出的譜線。365nm譜線的燈，通常見到的是採用專用的黑色的透紫外線玻璃；另一種是採用石英玻璃，塗覆365nm的紫光粉，採用石英材料的透光率要高，但其成本也相應增高。
----用在水處理，通常選用254nm的紫外線燈做光催化反應，這實際用到了254nm的雙重作用，一是直接殺菌，一是光催化產生羥基礦化降解和殺菌。
在空氣淨化方面，目前365nm的黑光管和254nm的石英燈都已有人成功運用，本公司已開發峰值波長為312nm的紫外線燈，該燈種光譜在UV-C、UV-B、UV-A等波段均有分布，可對光催化效率大大提高，是光催化套用首選燈種！
技術難點
結構和控制
----在水處理主要用到紫外線燈的消毒殺菌功能，這種基本原理和方法在數十年就已被人發現。在歐美，紫外線消毒技術已是一種普及的技術。在我國，九十年代開始引進該技術。十年來，這種技術做為一種"高科技產品"被努力地推向市場。然而，到目前為止，紫外線消毒產品還遠未在水處理套用中普及。
----沒有普及化的重要原因之一，國內生產的紫外線殺菌燈質量（主要是壽命）不過關。在水處理行業。由於設備一般都是24小時運轉，燈的壽命要求高。而國內生產的紫外線燈一般也就是1000-2000小時，而且可靠性不高，易出故障。如果用於空氣消毒，壞一隻燈可隨時更換；而在水處理設備里，如果壞一隻燈，要影響到整個設備、系統，還可能影響其他供水系統和用戶。可以說是安全質量事故。因此，紫外線殺菌燈的壽命和可靠性尤其重要。
----第二個原因是產品的結構和控制系統的設計不過關。以家用飲水機為例。據衛生部門的檢測，通過飲水機放出的水，大多數都是細菌嚴重超標，一些名牌廠家的都是如此。細菌產生的主要原因就是飲水機內部長期不清洗而滋養了細菌。數年前，有人想把紫外線燈用到飲水機上，對系統環境和水進行消毒和保潔。可到現在，市場上也沒看到飲水機用上紫外線燈。
----造成這種現象主要是遇到結構設計上的難題。紫外線在水中的穿透力很差，一般僅適合於10cm以內厚度的靜態水層，隨水層厚度增加，紫外線強度將大幅度衰減。因此紫外線對水消毒最適合薄層動態水。而普通的桶裝飲水機中的水流入到內膽中是靜態，而且儲存時間無法確定，有可能只停留幾秒種（連續接水飲用），也有可能停留較長時間。這就在時間控制上也增加了難度。
----有人想到，飲水機主要存在的是二次污染，不是桶裝水帶入的細菌，只要讓內膽中的水不受二次污染就可以保持清潔。沒有必要達到紫外線消毒殺菌的劑量。但是，桶裝水不合格的報導我們經常見到。主要原因是桶裝水在使用的過程中，空氣會攜帶灰塵和細菌進入桶內，細菌在水中會很迅速地進行繁殖，所以僅僅是對內腔進行消毒顯然是不夠的！
光催化反應
----光催化氧化反應機理很複雜。一些納米材料如TiO2粉體複合光催化劑，被紫外線照射後，會產生"電子-空穴"對。空穴有很強的撲獲電子的能力，遇到水分子後，水分子被奪去電子形成羥基（-OH），羥基有很強的化學活性，它能破壞有機物的化學鍵，達到曠化分解有機污染物的目的。
----與其他的新技術、新方法一樣，光催化有他的新穎、實用的一面，也有其局限性的一面。從目前的國內外的研究和一般客戶的套用情況看，光催化有其以下的局限性：
----1、光催化不管用在空氣還是用在水裡，其"光解"的作用效率是"有限的"。不能誇大他的作用。它只能處理雜質含量很低的空氣和溶液，而且處理時間較長。比如空氣淨化，只能用於污染氣體（如家居室內）較輕的環境，而不能用於如廢氣、廢水等的淨化。
----2、光催化作用只能局限於光觸媒表面附近。也就是說，雜質分子或離子只能經過光觸媒表面才能被降解。因為光催化產生的活性離子羥基（-OH）從產生到消亡的時間非常短，（小於10-6秒），他既不能在水中"游泳"，也不能在空中"飛舞"。而象紫外線可以穿透一定水層（儘管它在水中衰減嚴重），臭氧、氯氣可以溶解在水裡，隨水漂流，作用時間可達數十分鐘。
----3、光催化活性易受外界因素影響。如水中某些離子對光催化分解有促進作用，也有些離子或分子對光催化有"中毒"作用。空氣中的濕度對光催化效果也有影響。還有一點：必需有水分子光催化才能進行。在儀器設備工作過程中，光催化實際效果往往難以實測和加以判斷。消費者難以通過"感性認識"來感觸高科技的魅力！
----4、無法測定"光解因子"。以消毒殺菌為例，《消毒技術規範》介紹有生物滅菌試驗方法。（這種試驗方法程式複雜，成本較高，一般只有市級防疫部門試驗室才有條件做。）通常情況，我們可測試消毒因子。如紫外線消毒，我們可測試254nm紫外線強度，化學消毒可測試化學因子如環氧乙烷、臭氧的濃度，而光催化反應，目前無法測試所謂"因子"，如羥基（-OH）濃度就無法測試，原因是一其存在時間很短，二也無恰當方法測試。是"摸不著、看不見"的東西。
產品技術優勢
大功率高強度
----前面我們已經講到，在水處理，由於他的使用特點要求紫外線有很高的壽命和可靠性。
- ----對於低壓汞燈，如螢光燈，功率一般只有幾十瓦，如果把功率做到上百瓦，就被認為"有很高的技術含量"。因為功率做大，燈管的管壁負載就會增加，這樣往往會縮短壽命，或者大大降低光的輸出效率。
----大功率紫外線燈管我們現已可做到300瓦以上。這種燈的管流超過1A，功率密度要比普通燈顯著大，達到1．2瓦/cm。300瓦紫外線燈在1．0米處254nm紫外線強度達到1200uw/cm2，相當於10隻40瓦燈的紫外線強度，表面紫外線強度更是高達70000 uw/cm2（在此強度下消毒時間不超過0．5秒）。在高功率密度情況下，仍有較高的紫外線輸出效率，而且可在較高管壁溫度（超過100℃）條件下工作。使用漏磁變壓器點燈，有很高的可靠性，燈管壽命達到5000小時以上。
----更大功率的紫外線殺菌燈我們正在研製，燈管電流超過2A，有更大的功率密度。
高可靠性
----國產石英紫外線燈的突出問題是可靠性差，易出現的問題是慢性漏氣，這是石英紫外線燈的"超級殺手"。也是水處理行業領域最可怕的敵人。不難想像，當整個系統（比如：過濾、沉澱、離子交換、消毒殺菌、嚗氣、絮凝等設備）運轉時，突然一隻或幾隻紫外線燈熄滅，那么意味著，如不及時更換，消毒殺菌的效果要受到嚴重影響。另一方面，頻繁更換，也會增加成本。為防止此類現象發生，還要增加監視和報警系統。
