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紫外線消毒設(shè)備劑量認(rèn)定方法、驗證及現(xiàn)狀
閱讀：1274 發(fā)布時間：2020-12-251、主要的紫外線消毒效果認(rèn)定方法
目前，認(rèn)定紫外設(shè)備消毒性能，即其投射的紫外線劑量的方法主要以下幾種：計算模型法、化學(xué)法、生物法、熒光微球法、紫外線強(qiáng)度監(jiān)控法。
1.1、計算模型法
計算模型法是理論方法，包括紫外線強(qiáng)度分布模型和計算流體力學(xué)模型。其中，紫外線強(qiáng)度模型是基于光學(xué)和幾何學(xué)原理，通過計算紫外線在反應(yīng)器中的輻照情況，獲得紫外線強(qiáng)度分布模型，從而推算紫外線劑量。常見的紫外線強(qiáng)度分布模型MPSS、MSSS、LSI、RAD-LSI和DO。
1970年，Jacob和Dranoff開發(fā)了MPSS模型，將線光源等分成n段相等的特點光源，采用多特點源疊加的方法計算反應(yīng)器接收到的紫外線強(qiáng)度。1997年，Blatchley在MPSS基礎(chǔ)上提出LSI模型，該模型不考慮紫外線在傳播介質(zhì)中的吸收，改進(jìn)了MPSS模型限個特點的限制，將MPSS模型中的特點光源個數(shù)趨近于窮，簡化計算。2000年，James R Boltan提出MSSS模型，采取分段等分的方式，將光源等分成若干個圓柱形立體光源，再采用多段疊加的方式計算接收特點的光強(qiáng)，是MPSS模型的擴(kuò)展，且MSSS模型除了考慮介質(zhì)對紫外線的吸收外，還增加了反射和折射的影響。RAD-LSI模型是LSI模型的改良，將近燈管區(qū)域部分采用線光源的模型計算紫外線強(qiáng)度。DO模型是求解熱輻射的方法，考慮熱量通過各介質(zhì)時的吸收與分散，限。針對紫外線強(qiáng)度分布模型，市場上開發(fā)了計算軟件，常見的UV Calc軟件（James R Boltan開發(fā)）和UVDIS軟件（美EPA開發(fā)）等。其中，很多紫外設(shè)備使用UVDIS軟件，用這個軟件計算出來的紫外線劑量也叫UVDIS劑量，它實際上是基于紫外線光強(qiáng)均勻分布以及所微生物顆粒的暴光時間，也是均勻分布的假設(shè)。
流體力學(xué)模型是基于模擬流體流動的計算機(jī)技術(shù)，計算微生物通過紫外線消毒系統(tǒng)的軌跡，研究反應(yīng)器的水力性。在20世紀(jì)80年代，Romero等就已經(jīng)建立了關(guān)于環(huán)形紫外線消毒系統(tǒng)的流體動力學(xué)控制方程，后期隨著計算機(jī)的普及，人們開始用CFD技術(shù)建立流體模型，解決涉及流體工程的問題。目前，常見的CFD軟件Phoenics、Cham、Fluent等。Unluturk等使用CFD技術(shù)計算紫外消毒系統(tǒng)的效果，結(jié)果顯示，消毒效果的預(yù)測與模型的建立、參數(shù)的設(shè)定很大的關(guān)系。Lyn等在二維模型中加入了拉格朗日算法和顆粒流數(shù)值，結(jié)合紫外線強(qiáng)度分布模型，對比了歐拉的預(yù)測方案和拉格朗日粒子軌跡方法。
建立好紫外線光強(qiáng)分布模型和CFD模型后，將二者進(jìn)行耦合，利用消毒動力學(xué)參數(shù)，計算紫外線設(shè)備效劑量，后用試驗對其進(jìn)行驗證和完善。
1.2、化學(xué)驗證法
化學(xué)法是利用化學(xué)反應(yīng)來測量紫外系統(tǒng)的消毒效果的。選擇合適的化學(xué)物質(zhì)，加入到紫外設(shè)備進(jìn)水中，通過檢測經(jīng)過紫外線消毒設(shè)備前后化學(xué)物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的情況，計算照射到水中上的紫外線劑量，得到紫外系統(tǒng)的消毒效果?；瘜W(xué)物質(zhì)要求具感光性、在紫外線的輻照下可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，且易定量檢測等特點。常用的感光物質(zhì)碘化鉀、尿苷、碘酸鉀等?；瘜W(xué)驗證往往于驗證高劑量區(qū)間的紫外設(shè)備。
1.3、生物驗證法
生物驗證法是上認(rèn)可的劑量認(rèn)定方法，很多制定了手冊，將其作為方法來規(guī)范認(rèn)定紫外線消毒設(shè)備的劑量。
生物驗證是通過向紫外線消毒系統(tǒng)加入目微生物，測定目微生物的滅活率，反推紫外設(shè)備的劑量及消毒性能的。先，用紫外平行光儀均勻照射已知濃度的目微生物樣品，檢測照射后微生物濃度以確定滅活率。根據(jù)紫外強(qiáng)度、暴光時間等試驗因素，計算微生物的紫外線照射劑量，終得到目微生物的紫外線劑量-滅活率曲線。然后，進(jìn)行紫外線反應(yīng)器的測試，將驗證微生物加入到紫外線消毒系統(tǒng)的上游，在確定流量、UVT、UV功率等條件下，測定目微生物的滅活率。根據(jù)檢測結(jié)果以及上述紫外線劑量-滅活率曲線，可得在不同紫外燈輸出功率和不同紫外線穿透率條件下，紫外線水消毒設(shè)備處理流量-劑量關(guān)系曲線，如圖1所示。圖1中UVT為水體紫外穿透率，橫坐為設(shè)備所處理的流量，縱坐為設(shè)備的實際劑量。
圖1紫外設(shè)備處理流量與劑量關(guān)系曲線
圖1曲線類似于泵的工作曲線，因此也可以看作紫外設(shè)備的工作曲線。了紫外設(shè)備的處理流量-劑量曲線，用戶和設(shè)計院就可以很容易地核算紫外設(shè)備所提供的設(shè)備方案是否能滿足處理負(fù)荷下的目劑量，從而確保所選擇的紫外設(shè)備的消毒性能滿足要求。當(dāng)然，考慮到實際運(yùn)行中燈管老化和燈管套管表面結(jié)垢因素，在劑量計算中需要用可靠的老化系數(shù)和結(jié)垢系數(shù)進(jìn)行修正，以確保紫外設(shè)備的消毒性能在運(yùn)行中不受這些因素的影響。老化系數(shù)與結(jié)垢系數(shù)如何取值，也相關(guān)的規(guī)范和，可以參考本文2節(jié)的相關(guān)。
1.4、熒光微球法
熒光微球法與化學(xué)法類似，使用熒光微球，通過檢測經(jīng)過紫外線消毒設(shè)備前后微球發(fā)光的情況，計算照射到微球上的紫外線劑量。熒光微球是由殊材料制成，在紫外線的輻照下，可以產(chǎn)生發(fā)光基團(tuán)，且其發(fā)光強(qiáng)度與接收到的紫外線劑量成線性關(guān)系。因此，通過檢測微球經(jīng)過紫外線系統(tǒng)后發(fā)出熒光的強(qiáng)度來計算紫外線效果。
1.5、熒光探頭監(jiān)測法
原位熒光微探頭具近似360°響應(yīng)的性，將此探頭置于管式紫外線設(shè)備腔體內(nèi)，檢測不同位置的紫外線強(qiáng)度，實現(xiàn)腔體內(nèi)紫外線強(qiáng)度在線分布檢測，模擬水中致病菌接受紫外輻射的效果，進(jìn)而通過計算預(yù)測其劑量。
通過總結(jié)幾種主要的紫外線劑量認(rèn)定方法，發(fā)現(xiàn)計算模型法雖然可以通過直接假設(shè)或模擬紫外消毒系統(tǒng)中紫外線強(qiáng)度分布和流場分布，快捷地計算設(shè)備的紫外線劑量，但其模型中的一些假設(shè)或參數(shù)往往與實際不符。因此，依靠理論模型計算得出紫外消毒系統(tǒng)的效果與實際劑量是偏差的，別是光強(qiáng)分布模型中的UVDIS計算得到的劑量遠(yuǎn)高于設(shè)備的實際劑量，導(dǎo)致消毒不達(dá)和供水安的風(fēng)險。計算流體力學(xué)模型法雖然定性趨勢上與實際劑量變化趨勢相同，但量上存在偏差，因此這種方法一般多用于紫外消毒器流場與燈管排布的優(yōu)化設(shè)計，但不用于設(shè)備實際劑量的計算。用探頭測定光強(qiáng)，進(jìn)而計算劑量或者直接采用功率去計算劑量也法準(zhǔn)確計量微生物接受到的實際劑量。目前，為法規(guī)制定和執(zhí)行部門所接受、也是可以的方法的是生物驗證法，很多已將其列為紫外設(shè)備實際劑量認(rèn)定的方法。對于飲用水，主要西方和我都要求紫外設(shè)備必須經(jīng)過行業(yè)內(nèi)立三方的生物驗定劑量驗證，并用驗證得到的設(shè)備流量-劑量曲線來進(jìn)行設(shè)備規(guī)模設(shè)計，沒經(jīng)過生物驗證的設(shè)備是不能的，這是出于確保供水安的需要。
目前，美的Hydroqual和Carollo咨詢以及加拿大的Dillion都是紫外行業(yè)內(nèi)比較*的經(jīng)驗和資質(zhì)做紫外設(shè)備生物驗定劑量驗證的立三方單位。我這方面尚處于起步階段，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院也在籌備建立我一個紫外設(shè)備生物驗證平臺，以促進(jìn)紫外線消毒技術(shù)在我得到健康發(fā)展，公眾利益。
2、生物驗證規(guī)范
基于公眾利益的必要性，各政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)針對紫外設(shè)備生物驗證方法推出了各自的驗證規(guī)范體系。*的飲用水驗證規(guī)程O-Norm（奧地利）、DVGW（德）、NSF（美）、UVDGM（美），其中運(yùn)用多的是德的DVGW和美的UVDGM指南。雖然這些規(guī)范所差異，但根本要求是相同的，即都要求紫外設(shè)備的劑量用生物驗證法認(rèn)定。
對比內(nèi)外驗證，美UVDGM手冊適用范圍相對較小。UVDGM手冊主要針對公共供水系統(tǒng)消毒，手冊中涵蓋了實施紫外線消毒系統(tǒng)的許多方面，但并沒面所類型的紫外線消毒系統(tǒng)、設(shè)計替代方案以及驗證協(xié)議。德DVGW適用于所紫外線殺菌設(shè)備，目病原體涵蓋范圍廣。中《紫外線水消毒設(shè)備紫外線劑量測試方法》（ 32092—2015）分別對飲用水、再生水和污水規(guī)范了不同的目微生物，涉及范圍廣。表1為內(nèi)外驗證的對比，這些規(guī)范指導(dǎo)原則不同，但都推動了紫外線技術(shù)在部范圍內(nèi)的推廣和運(yùn)用，為公共飲用水安做出了貢獻(xiàn)。