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紫外线灯在水处理中的应用
作者: 时间:2019-03-21

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UVC、UVB、UVA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106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。