當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對(duì)產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動(dòng)著各行各業(yè)人們的心。在此形勢下，中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)、極智頭條，在國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開啟疫情期間知識(shí)分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時(shí)艱！

本期，我們邀請到中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員李夢凱帶來了“紫外反應(yīng)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡述-紫外線消毒手冊（9章）”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：

一、介紹

本次分享主要內(nèi)容是關(guān)于James Bolton教授在2008年編著的《紫外消毒手冊》的第九章內(nèi)容。

James Bolton教授是國際著名的光化學(xué)家，紫外消毒領(lǐng)域的權(quán)威，國家紫外線協(xié)會(huì)（IUVA）的創(chuàng)始人和首屆執(zhí)行主席。博士畢業(yè)于劍橋大學(xué)，先后在明尼蘇達(dá)大學(xué)、加拿大西安大略大學(xué)和阿爾伯塔大學(xué)任教。James Bolton教授編著的很多本教材，在國際紫外線領(lǐng)域都備受推崇。

本次分享內(nèi)容是按照J(rèn)ames Bolton教授的教材編制的。主要是根據(jù)USEPA出版的UVDGM（第三、四章），對(duì)紫外反應(yīng)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡述。

二、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

消毒目標(biāo)（Disinfection Goals）

在設(shè)計(jì)開始之前，應(yīng)明確定義紫外線設(shè)備的目標(biāo)。這將確保設(shè)計(jì)的反應(yīng)器達(dá)到客戶（如政府相關(guān)部門）的需求（法規(guī)規(guī)定的消毒效果、特定目標(biāo)致病菌、符合總體消毒策略）。

法規(guī)要求（Regulatory Requirements）紫外線消毒的法規(guī)要求會(huì)有所不同。

不同國家，不同的目標(biāo)水體，法規(guī)的要求是不一樣的。要具體的查找法規(guī)要求，達(dá)到一個(gè)合格的紫外線消毒劑量。

目標(biāo)病原體（Target Pathogen）：紫外線設(shè)施的設(shè)計(jì)也將取決于目標(biāo)病原體，不同目標(biāo)病原體所需紫外劑量不同。

并不是所有的工程項(xiàng)目都要求做廣譜型消毒，任何一項(xiàng)消毒技術(shù)都不能高效滅活所有的致病微生物。在飲用水消毒領(lǐng)域提出了新的概念，也就是多重屏障消毒。利用多個(gè)消毒技術(shù)組合，對(duì)所有的致病微生物都能達(dá)到一個(gè)高效的滅活。

例如，傳統(tǒng)以氯為消毒的水廠，在北美有很多案例，他們需要進(jìn)行升級(jí)改造，以針對(duì)原水中的隱孢子蟲，這時(shí)多數(shù)致病微生物都可以被氯消毒，紫外線的目的只是消毒隱孢子蟲，在這種情況下，不需要遵循消毒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)候中所規(guī)定40毫焦每平方厘米的要求了，只需要達(dá)到對(duì)隱孢子蟲四個(gè)對(duì)數(shù)的滅活即可。

所以確定消毒目標(biāo)時(shí)，以目標(biāo)病原體的消毒劑量確定實(shí)際紫外線所需要的消毒劑量。

消毒方法（Disinfection Strategy）：公用事業(yè)通常旨在提供多重障礙來降低微生物風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)最大程度地減少DBP的形成（USEPA 2006）。

三、關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

紫外線透過率（UVT）

UVT是設(shè)計(jì)紫外消毒中最重要的水質(zhì)參數(shù)。如果透過率很低，就無法輻射到距離燈管較遠(yuǎn)地方的細(xì)菌，會(huì)造成消毒的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)紫外線反應(yīng)器時(shí)如選用保守的UVT范圍（較低值），則多數(shù)時(shí)間能源浪費(fèi)。如選用UVT過高，會(huì)導(dǎo)致消毒安全風(fēng)險(xiǎn)。

UVT測試波長需根據(jù)應(yīng)用光源而定。UVT數(shù)據(jù)輸入輻射場模型獲得輻射強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)，結(jié)合CFD模擬可獲得輻射劑量數(shù)據(jù)。

Bolton教授研發(fā)UVCalc模型，可計(jì)算不同UVT值下，紫外輻射強(qiáng)度分布情況。2011年，我們研究組研發(fā)的熒光微探頭技術(shù)，準(zhǔn)確測定了不同UVT值下的輻射強(qiáng)度分布，對(duì)各模型進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)。

結(jié)垢因子（Fouling Factor）

在紫外線反應(yīng)器實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，紫外燈管的石英套管表面會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)垢現(xiàn)象。從而強(qiáng)烈的阻止UV輻射出來。

右下圖為某地自來水紫外線消毒反應(yīng)器中的測試數(shù)據(jù)，可以看到，如果不加清洗系統(tǒng)，兩周內(nèi)紫外線輻射強(qiáng)度就會(huì)衰減到原來的50%左右。套管結(jié)垢因子是反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)因素。

套管和傳感器窗口結(jié)垢（sleeve and sensor window fouling），結(jié)垢通常是由于具有低溶解度的化合物沉淀引起，其為溶解度隨溫度或ORP（氧化還原電位）升高而降低的化合物（例如鐵化合物）。

因此，需要評(píng)估不同水體的套管結(jié)垢因子，套管結(jié)垢因子的評(píng)估方法是目前研究的難點(diǎn)。

下圖左為美國Carolo公司相關(guān)套管結(jié)垢評(píng)估的測試裝置，右圖為中科院研發(fā)的紫外反應(yīng)器結(jié)垢因子測試系統(tǒng)，將不同水的結(jié)垢因子測試出來，從而指導(dǎo)反應(yīng)器設(shè)計(jì)。

紫外燈老化因子（Aging Factor）

隨著紫外線設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，紫外線燈、套管和傳感器窗口會(huì)老化，這會(huì)導(dǎo)致紫外線劑量隨時(shí)間的推移而減少。汞蒸氣燈的紫外輸出的降低取決于運(yùn)行時(shí)間、開/關(guān)次數(shù)、水溫等。

從左下圖可以看出，紫外低壓汞燈的運(yùn)行光輸出會(huì)隨時(shí)間的延長而發(fā)生下降。水溫對(duì)于紫外燈輸出也有非常嚴(yán)重的影響，紫外線反應(yīng)器使用過程中會(huì)經(jīng)歷冬天、夏天，也可能會(huì)用到南方、北方，水溫是有區(qū)別的，這個(gè)因素也需要在設(shè)計(jì)中考慮到。

流量（Flow）

最大流量是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，它將用于設(shè)計(jì)所需的紫外反應(yīng)器的數(shù)量和燈管數(shù)量。平均流速和最小流速也有利于設(shè)計(jì)紫外反應(yīng)器的調(diào)節(jié)能力以優(yōu)化運(yùn)行成本。根據(jù)流量的不同，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的策略，開關(guān)燈管的數(shù)量不同，從而達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行模式。在這部分，UV LED 可以發(fā)揮非常大的優(yōu)勢，燈具的啟動(dòng)時(shí)間短，而且功率線性可調(diào)，這些都是LED有優(yōu)化潛力的部分。

四、電源和電力系統(tǒng)

電源供電質(zhì)量（Power Quality）：根據(jù)制造商的不同，紫外線設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量（例如電壓驟降/驟升或電源中斷）的要求不同。這些電源供電意外可能導(dǎo)致紫外燈失去光弧（即紫外光輸出）。

電源（Power Supply）：電源應(yīng)考慮所選紫外線設(shè)備的電源負(fù)荷要求，消毒目標(biāo)和電源質(zhì)量。除高負(fù)荷水泵外，來自紫外線反應(yīng)器的電負(fù)載通常是水廠最大的電負(fù)荷。

五、水力設(shè)計(jì)和位置布局

水力設(shè)計(jì)（Hydraulics）：水力設(shè)計(jì)會(huì)影響紫外線反應(yīng)器的性能和水力狀況，紫外線設(shè)施的水頭損失主要包括：（1）紫外線設(shè)備水頭損失（0.5-3 ft 之間）；（2）進(jìn)出水管道的水頭損失。

進(jìn)出水管道設(shè)計(jì)必須使紫外反應(yīng)器的輻射劑量大于生物驗(yàn)證時(shí)的輻射劑量。

管道配置和設(shè)施布局（USEPA, 2006）：紫外線反應(yīng)器的數(shù)量，容量，尺寸和配置；水平/垂直安放；反應(yīng)器和電控系統(tǒng)的距離；相鄰反應(yīng)器間有足夠的距離，以便進(jìn)行維護(hù)（如更換紫外燈）；前后連接水管對(duì)紫外反應(yīng)器水力學(xué)的影響；起重設(shè)備及存放備件和化學(xué)品的空間（如果需要）。

六、費(fèi)用預(yù)算

紫外線反應(yīng)器的費(fèi)用預(yù)算通常包括：基建費(fèi)用以及運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。

基建費(fèi)用：紫外線反應(yīng)器、建設(shè)（如有必要）、泵（如有必要）、電氣和測試儀器設(shè)備、現(xiàn)場安裝、承包商的間接費(fèi)用和利潤、中試測試（如有必要）、驗(yàn)證費(fèi)用（如有必要）、工程費(fèi)用、法律費(fèi)用和管理費(fèi)用。

運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用：每年維護(hù)人工、能耗、設(shè)備（紫外燈）更新費(fèi)用。

七、 利用模型優(yōu)化設(shè)計(jì)紫外反應(yīng)器

CFD模型（流場）與輻射模型（光場）耦合不僅能夠估計(jì)某一反應(yīng)器的等效劑量（RED）并與生物劑量測試相互比對(duì)，而且還能獲得UV劑量分布曲線，進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

當(dāng)紫外反應(yīng)器無法遵循UVDGM設(shè)計(jì)建議時(shí)，可用模型評(píng)估消毒效果。如：

（1）通過模型可以評(píng)估，如進(jìn)出水管道結(jié)構(gòu)無法遵循UVDGM的設(shè)計(jì)時(shí)，水力學(xué)對(duì)紫外反應(yīng)器的消毒效果的影響。

（2）通過模型可以評(píng)估，如紫外線廠商選用新的紫外線燈管/套管，紫外消毒器消毒效果的變化。

關(guān)于中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心

問答環(huán)節(jié)

1.目前紫外消毒及高級(jí)氧化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用最新進(jìn)展有哪些？目前UV LED在水處理領(lǐng)域進(jìn)展如何？

李夢凱：國外紫外線消毒應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)最前沿的進(jìn)展主要在于消毒安全性方面的進(jìn)一步提高，讓大家對(duì)紫外線消毒更加有信心。

新冠疫情過程當(dāng)中。有很多關(guān)于消毒技術(shù)的討論。關(guān)于紫外線的一個(gè)突出問題，是大家對(duì)紫外線并不是很信任，在消毒過程中，由于對(duì)紫外線不了解，對(duì)它的運(yùn)行不熟悉而導(dǎo)致一些問題。在紫外消毒過程中，如何保障消毒安全性，發(fā)展監(jiān)控技術(shù)、檢測技術(shù)是目前最為急需的一些前沿?zé)狳c(diǎn)。

高級(jí)氧化技術(shù)方面，現(xiàn)在主要還是尋找應(yīng)用，能夠如何高效的去除水中的微量污染物。包括飲水中微量污染物，市政污水中一些微量有毒有害的物質(zhì)，再生水當(dāng)中的一些處理，這都是最前沿的。國際上大量科學(xué)家都在嘗試采用這種高級(jí)氧化技術(shù)。

LED近些年發(fā)展非常迅速，國際紫外線協(xié)會(huì)特別重視發(fā)展LED，他們最新的研究成果主要在一些小型的，比如分散式的水處理，家庭式水處理以及特殊場合水處理，比如太空領(lǐng)域的水處理的一些設(shè)備，由于空間有限，用小型的UV LED效果非常好。

在常規(guī)水消毒，比如飲用水、污水、再生水領(lǐng)域，由于UV LED效率比較低，發(fā)展還是比較緩慢。希望UV LED的光電轉(zhuǎn)換效率能夠進(jìn)一步提高，相信未來五到十年，就能夠有很好的應(yīng)用。

2.作為國際著名的生態(tài)環(huán)境研究機(jī)構(gòu)，如何看待UVLED在水處理市場應(yīng)用前景？

李夢凱：水處理領(lǐng)域來看，前景寬廣，UVLED有很多獨(dú)特優(yōu)勢，比如光譜非常靈活，可以調(diào)制不同的輸出波長，對(duì)一些細(xì)菌病毒的滅活非常有優(yōu)勢。體積小，在反應(yīng)器設(shè)計(jì)光場均勻分布情況下，效果有很大優(yōu)勢。無汞環(huán)保，啟動(dòng)快，可以靈活調(diào)節(jié)消毒劑量，效果明顯。

3.紫外線殺菌燈存在結(jié)垢等因素會(huì)降低輻照劑量，那么應(yīng)該過量照射多少來保證有效殺菌呢?您也提到過度照射會(huì)有不必要能耗,大致紫外燈的安置密度要比殺菌額定高多少比例比較合適？

李夢凱：這是大家都很關(guān)注的點(diǎn)。首先我們要關(guān)注UVT、套管污染以及燈管這三項(xiàng)主要的因素，盡量通過實(shí)驗(yàn)或者評(píng)估來預(yù)估問題有多少，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是最科學(xué)的方式。

但實(shí)際安裝的時(shí)候會(huì)遇到?jīng)]有辦法測試的問題，在我國的消毒標(biāo)準(zhǔn)里實(shí)際是有建議的，也就是紫外線消毒老化系數(shù)，一般評(píng)估一個(gè)值以及套管污染有一個(gè)建議值。大家可以查閱一下相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

紫外線消毒是科學(xué)含量比較高的技術(shù)，建議還是進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，包括UVT，燈管兒老化。套管污染，這三項(xiàng)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，獲得一個(gè)值，是最科學(xué)保險(xiǎn)的方法。大量消毒設(shè)施沒有進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，這也導(dǎo)致紫外線消毒被很多專家學(xué)者誤會(huì)。

4.您提到電壓因素以及供電系統(tǒng)因素會(huì)導(dǎo)致光源失效，那么實(shí)際這些水廠采用哪些手段來監(jiān)測紫外燈是否達(dá)標(biāo)，畢竟在模型里電壓等供電問題是最不可控的。

李夢凱：這是一個(gè)運(yùn)行過程中的長期監(jiān)測。一般來說，反應(yīng)器安裝有一些紫外線的監(jiān)測探頭，一旦燈管發(fā)生問題不亮了，或者亮度沒有達(dá)到要求，那么紫外線探頭會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，然后在線輸出輻射劑量。在大型飲用水廠、污水廠等安全要求比較高的領(lǐng)域，是有備用模塊的。如果一旦發(fā)生燈管出現(xiàn)問題或是消毒不達(dá)標(biāo)的情況，他們會(huì)及時(shí)啟動(dòng)備用模塊，保證消毒效果。

5.請問國際水廠是否都已經(jīng)采用紫外線方式殺菌？ 國內(nèi)水廠或污水廠 目前主要?dú)⒕峭ㄟ^什么方式，是否有用到這套紫外線殺菌？

李夢凱：紫外線水消毒中的應(yīng)用情況，要分不同地區(qū)來看。歐洲的基礎(chǔ)設(shè)施包括管網(wǎng)建設(shè)非常好，他們對(duì)于消毒的要求非常高，紫外線推廣非常廣，大概有3000多個(gè)，應(yīng)用也非常早。

北美方面，2006年美國推行USEPA規(guī)定之前，大概有10%的飲用水廠采用紫外線消毒。推行標(biāo)準(zhǔn)出來之后，就推薦采用紫外線了，應(yīng)用更加廣泛、。

國內(nèi)而言，紫外線技術(shù)推廣還比較慢的，對(duì)紫外線的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還比較缺乏。目前為止，應(yīng)該大概有20多座飲用水廠使用紫外線消毒，大部分都集中在東部發(fā)達(dá)地區(qū)。對(duì)于飲用水要求比較高，對(duì)于消毒副產(chǎn)物對(duì)身體的危害認(rèn)識(shí)比較清楚，所以紫外線用的非常好。但要在西部以及一些分散性供水還有很大的市場和前景。

我國市政污水市場非常大，“十一五“、”十二五”這十年我國大概建成了三四千座紫外線消毒設(shè)施。由于紫外線污水消毒的管控不是很嚴(yán)格，所以運(yùn)行沒有嚴(yán)格按照消毒手冊上說的進(jìn)行。導(dǎo)致消毒效果問題很多。國內(nèi)對(duì)于紫外線消毒是否能在污水當(dāng)中應(yīng)用有很多質(zhì)疑，我們也在努力的在做這些事情，能夠讓紫外線更好的應(yīng)用。

6.紫外透線透光率UVT的測試有標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備在市場出售嗎？

李夢凱：關(guān)于UVT測試，實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備用最傳統(tǒng)的儀器就可以，把波長調(diào)到要求的253.7nm或是278nm、265nm都是可以的，測試樣品裝的就是一厘米的，測出來數(shù)據(jù)就是我們的位置。

長期的在線監(jiān)測UVT，在我們運(yùn)行當(dāng)中也是很需要的。這個(gè)儀器現(xiàn)在只有254的。其它波長的uvb在線監(jiān)測現(xiàn)在恐怕還沒有，主要是相關(guān)的光源可能還不是很好，開發(fā)是我個(gè)人的理解。

7.UV LED畢竟不是253.7nm的波長，能正常供貨的在278nm左右，在278nm的的紫外消毒比汞燈需要的劑量是高了，還是低了，大概相差比例是多少？

李夢凱：根據(jù)不同的致病微生物有不同，區(qū)分細(xì)菌還是病毒、或是大型原生動(dòng)物，消毒目標(biāo)不同，結(jié)果也不同。對(duì)于細(xì)菌來說，278nm應(yīng)該比254nm要低一些。對(duì)病毒來說，要比254nm略好一些，需要根據(jù)實(shí)際情況來討論。

8.紫外線輻照劑量在不同的應(yīng)用場合劑量大不相同，這個(gè)一般有什么行業(yè)參考標(biāo)準(zhǔn)，如果實(shí)際評(píng)估殺菌效果，把紫外燈模組化、模塊化設(shè)計(jì)、應(yīng)用在不同的應(yīng)用場景，會(huì)不會(huì)是一個(gè)簡單高效的方案？

李夢凱：關(guān)于消毒標(biāo)準(zhǔn)，我們國家在2005年頒布了《GB/T 19837-2005 城市給排水紫外線消毒設(shè)備》，做了相關(guān)規(guī)定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)該沒什么問題，如果有特殊要求，比如滅活隱孢子蟲，可以按照相應(yīng)的要求。

目前，紫外線消毒基本都模塊化了，按照不同的流量安裝不同的模組模塊。基本上都是這樣設(shè)計(jì)的。

（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減，僅供參考）