紫外线消毒技术在游泳池系统中的应用

中国建筑设计研究院1中压紫外线消毒在游泳池系统中的应用赵昕1徐莹2高峰1钱江峰11中国建筑设计研究院,北京100044；2英国海诺威公司,北京市朝阳外大街乙12号昆泰国际大厦1601,100020摘要:中压紫外线消毒器能产生全波段的紫外线，不仅有良好的消毒效果，还具备降解游泳池水中的化合氯（氯胺）和三卤甲烷等附属作用，能有效提高游泳池水质；而且具备低能耗、低成本、无二次污染、对环境无害等优点，是替代传统氯消毒的理想工艺之一。关键词:游泳池中压紫外线（UV）消毒Abstract:MediumPressureUVlampsemitabroadspectrumofUVoutput,causepermanentirreversibleinactivationofmicroorganism,andalsoinitiatephoto-chemicalandphoto-oxidationreactionswithdestroyschloraminesandarangeofunpleasantcompounds,continuallyimprovingthewaterquality.UVisanidealdisinfectiontechnologytoreplacechlorination,thebenefitsofusingUVarelowpowerconsumption,lowrunningcost,environmentalfriendlyandnoby-productformedduringthedisinfectionprocess.Keywords:SwimmingPool,MediumPressureUV,Disinfection1．紫外线的基本概念：紫外线是太阳光中的一部分，是一种肉眼看不见的光线，其光谱为100nm～400nm，位于可见光和X射线之间，如下图一所示。根据不同的波长，紫外线可以分为四个波段：1）UVA波紫外线，称长波紫外线：波长为315到400nm；2）UVB波紫外线，称中波紫外线：波长为280到315nm；3）UVC波紫外线，称短波紫外线：波长为200到280nm；4)VUV波紫外线，称真空紫外线：波长为100到200nm。中国建筑设计研究院2图一太阳光谱图图二紫外线分类紫外线消毒杀菌的机理是：细菌和病毒受到紫外光照射后，紫外光谱能量为细菌核吸收，使其核酸结构遭到破坏，各种细菌、病毒等丧失复制繁殖能力，从而达到灭菌效果。不同波长的紫外线对物质的穿透能力不同，随着波长的增加而增强，所以UVA波段紫外线穿透能力最强，其次是UVB和UVC波段(如下图)。图三紫外线穿透能力中国建筑设计研究院3紫外线光源是依靠水银放电灯管产生的。以汞在灯管内的压力可以分为：低压、中压、高压等三种类型；按灯管输出的能力可以分为低强度和高强度二种类型。分类见下表：表1紫外线等的分类低压中压高压10-6bar汞汞荧光物质氙气/氩气蒸发态金属1-10bar汞金属卤化物氙气/氩气蒸发态金属10bar汞氙气2．低压和中压紫外线的比较其中就杀菌强度而言，由于低压紫外线灯的光电转换率高于中压和高压紫外技术，在一些工业水处理中多采用低压紫外线技术。但是，对于游泳池水消毒，中压紫外线有其特殊的优势：1）低压紫外灯管在波长为253.7nm处，杀菌效率最高。但他只是单一直线输出的单频谱，波长范围段；而中压紫外线灯波长范围宽广，对很多细菌都能杀灭，对于游泳池这种低负荷的轻微污染水体，足以能够满足杀菌效果。2）低压紫外线灯管由于只是单一直线输出的单频谱，因而对降低氯胺的作用不明显；而中压高强紫外灯管输出波长的范围较宽，他在230nm至310nm之间，含有降低氯胺所需要的245nm、297nm及340nm的波长。能通过光—氧化作用能有效促进氯胺和其他有机物的分解。基本反应方程式如下：一氯胺：2NH2Cl+HOClUVN2+3HCl+H2O(245nm)二氯胺：NHCl2+OH-UVCl2N-+H2OCl2N-+NHCl2UVCl2N-NHCl+Cl-Cl2N-NHCl-HClUVCl-N=N-ClUVN2+2Cl(297nm)三氯胺：2NCl3+6OH--HClUVN2+4OCl-+3HCl+2H2O(340nm)2HOClUV2HCl+O2中国建筑设计研究院4其中一氯胺的最佳分解波长在UVC段，二氯胺的最佳分解波长在UVB段，三氯胺的最佳分解波长在UVA段，所以只有中压紫外线才有分解化合氯的能力。不同价态的化合氯对不同紫外线的吸收率如下图：图四氯胺的吸收能力丹麦科技大学和德国的Heidelberg大学都有实验证实，中压紫外线技术在氯胺分解方面远远优于传统的低压紫外线技术。实验地点是在丹麦Gladsaxe运动中心，实验采用同样功率(1200W)的中压和低压紫外线,对泳池中的氯胺进行光分解，中压紫外线有效分解氯胺可达到74%（mg/L级）1。3）有效改善泳池水质的紫外线穿透率。穿透率是评估水质的标准之一，当紫外线穿过水层，由于水中的物质（有机或者无机物质）会吸收紫外线光强，从而降低紫外线的强度。因此，紫外线穿透率的测试方法是由指定波长254nm的紫外线光源，穿过10毫米或者40毫米厚度的去离子水，测得剩余则外线强度为标样，视为总紫外线强度。之后，再用指定波长254nm的紫外线光源穿过10毫米或者40毫米厚度的待处理水，所得到的剩余紫外线强度与去总紫外线强度强度之比，为不同水质的紫外线穿透率，用百分比表示。而穿透率与浊度不完全相同，因为浊度仅是对水中悬浮物的表征，而不代表水中的溶解物质。紫外线可以氧化水中的有机物，还可以破坏部分能导致水中混浊物质的结构，从而与过滤工艺相结合可以不断的提高水质的穿透率。根据相关报道，中压紫外线可以将水质的穿透率从75%提高到至少97%以上。4）温度对杀菌效果的影响。一般游泳池的水温是26～28℃或更高，高于一般消毒剂和消毒方式的作用评估温度（一般自来水和污水都比此温度低）。紫外线的发生量受温度影响的曲线如下，从下面的曲线可以看出，低压紫外线灯的发生效率受温度的影响较大，而中压中国建筑设计研究院5紫外线灯的发生效率基本不受温度影响。图五紫外线随温度的关系曲线3．中压紫外线消毒的特性对比于传统的氯消毒，中压紫外线有许多无法媲美的优点：1）强杀菌性。杀菌效率高、杀菌速度快，对常见的细菌、病毒的杀灭作用一般在几秒的时间内即可完成。2）杀菌的广谱性高。对所有的细菌和病毒都能高效杀灭，能够永久灭活抗氯性微生物组织，例如嗜肺军团菌、大肠杆菌、假单胞菌、隐孢子虫、阿米巴虫和细菌等，紫外线通过破坏这些微生物的DNA和DNA修复酶来达到灭活效果。3）在消毒过程中不会产生有毒及有害副产物，不改变被消毒水的成分和性质，对水体和周围环境不产生二次污染；降低氯的投放量，降低余氯，使泳池水中的氯含量降低，减少了消毒副产品，令泳池环境更健康。4）中压紫外线具备降解化合氯的能力，包括一氯胺、二氯胺、三氯胺等，这样有效杜绝了致癌物质三卤甲烷(THMs)的产生，杜绝了化合氯对人体的影响。在减少泳池中刺鼻气味的同时，有效的改善了游泳者嬉戏和运动环境，并且大大提升了泳池工作人员的工作环境。5）中压紫外线消毒技术占地面积小、运行安全、可靠、维修简单、费用低。可见，中压紫外线消毒具有高效率杀菌、广谱性杀菌、无污染、运行安全可靠等优点，并且不会形成有毒副产物，因而目前工程应用也越来越多。但是中压紫外线也存在不足之处，将紫外线消毒技术应用于泳池中还需注意以下问题：1）紫外线消毒只是具有瞬时杀菌效果而无持续杀菌能力。所以当游泳池池水采用紫外中国建筑设计研究院6线消毒时，必须配合其他长效消毒剂同时使用，在紫外线消毒之后应再增加长效消毒设备。由于婴幼儿皮肤细嫩，对化学药剂无抵抗能力，容易带来意想不到的伤害，所以对婴幼儿亲水戏水池可以不增设长效消毒剂，为了保持水的清洁卫生，可以采取增加循环水的循环周期的方法解决。2）为保证消毒效果，泳池所需紫外线剂量也不应小于602/cmmJ，且应保持有一定的富裕量。3）为了保证紫外线消毒的效果，所有的紫外线消毒器应设置湿式在线检测探头，如果紫外线灯的辐射量低于设定水平应发出警报。多管紫外线发生器应具有当任何单个灯管故障时报警的功能。4）紫外线灯管表面的污垢会影响消毒效果，用于游泳池的紫外线消毒器必须配备在线自动清洗装置。4.结论传统氯消毒技术因在消毒过程中产生二氯胺、三氯胺、三卤甲烷等诸多副产物，会对人体的健康造成一定的危害。中压紫外线消毒技术具有高效杀菌、无污染、运行安全可靠等优点，并且不会形成有毒副产物。是理想的氯消毒是替代工艺之一。参考文献：1.G.Kristensen,etc.,FullscaletestofUV-basedwatertreatmenttechnologyesatGladsaxeSportCenter-withandwithoutadvancedoxidationmechanisms,SwimmingPoolandSpainternationalconference2009