随着工业生产的不断发展，水资源的污染和短缺问题日益严重。为了保障工业生产过程中的水质安全，紫外线杀菌技术作为一种高效、环保的水处理方法，逐渐得到了广泛应用。紫外线杀菌是物理消毒手段，主要是基于紫外光对微生物基因组（DNA）的损害，使其失活，抑制DNA 复制，最终导致它们丧失繁殖能力并因此而消亡。自1910 年Cemovedeow 和Henvi 首次利用紫外线消毒方法净化饮用水后，这项技术便迅速地在水质处理行业得到推广。如今，欧美众多国家的净水设施中已普遍使用这种技术，西欧地区约有1/4 的废水处理中心采用了紫外线杀菌法，美国则是将紫外线消毒工艺视为最优的饮水消毒方案。相比较而言，我国在这方面的发展相对滞后，直到2005 年才逐渐在新兴的自来水工厂及污水处理场所引入这一技术。本文将详细介绍工业紫外线杀菌水处理的特点、应用领域、实际案例及结论。
1 紫外线杀菌原理及工艺流程
1.1 项目概况
某电厂锅炉补给水系统，目前采用添加氧化性和非氧化性化学杀菌剂进行杀菌，不仅每年需要花费大量的化学药剂成本，同时由于微生物对化学杀菌剂具有耐药性，传统的药剂方案已无法有效保护反渗透膜的污堵，并且会导致反渗透膜需经常进行在线或离线化学清洗，从而严重影响反渗透膜的使用寿命，增加电厂的运行成本。另外，由于微生物的快速繁殖，反渗透保安过滤器还需频繁更换滤芯。总之，由于膜的生物污堵，不仅影响这些设备的使用寿命，同时也增加了高压泵的能耗，也会造成脱盐率的下降，甚至影响反渗透膜产水。根据生产需要，本项目拟针对锅炉补给水系统研发一套适用于现有水源的中压石英内胆紫外光场杀菌工艺系统，并在电厂应用。本次采购项目为前期取样检测、系统改造设计、设备供货、安装、施工（含原有系统及设备或管线的割除）、调试、试运行、消缺直到验收合格。用高强度中压石英内胆紫外光场杀菌设备代替大部分的氧化性和非氧化性杀菌剂，减少保安过滤器滤芯更换频率和反渗透膜的清洗频率，延长膜的使用寿命，减少运行和维护费用，由于减少了反渗透膜的生物污堵，反渗透膜的产水率及产水品质也能增加并维持稳定，减少后续化学除盐系统中TOC 的去除压力，并由此减少浓盐水废水，降低废水处理成本。因此，实施技术改造，水处理反渗透前加装紫外光场杀菌装置，是非常必要的。某电厂于2010 年末和2011 年初分别投产2 台640MW 机组，设计水源采用贵溪城市污水处理后中水，至今制水设备已运行13 年。在2023 年11 月15 日前，化学水处理反渗透保安过滤器前加装以色列中压紫外线杀菌装置1 套，功率为4×4.2kW。
1.2 中压紫外线杀菌原理
紫外线光源是依靠水银放电灯管产生的，根据其灯管中的汞气压等级，市面上的紫外线灯具主要有3 种：低压灯，低压高强度灯，中压灯。其中，低压紫外线是指灯泡内填充的惰性气体压力小于大气压力大约0.013MPa，每根灯管的输出功率可达320W，当灯管里的汞蒸气受到激发时，它能发出253.7nm 和185nm 两种紫外线。这两种紫外线的辐射能够与附近的汞离子发生共振吸附作用，从而使得这些汞原子继续释放更多的紫外线，以此实现杀菌效果。中压紫外线是指灯管内部填充的惰性气体压力等于大气压力，介于0.2 ～0.4MPa，比低压时的100 倍还要多，因此它能发射更为广泛的多种波长的紫外线，覆盖200 ～400nm 的波段。这种紫外线能够阻止微生物有机体的复制，进而达成灭菌的目标。此外，每根灯管的中压紫外线输出的功率通常是400W ～10kW。
低压紫外线紫外光谱为单光谱，即253.7nm；中压紫外线则能释放更广泛的光谱，影响各种类型的微生物及其各个组成部分。不同的微生物和不同部分，对不同波长紫外线的吸收能力及敏感程度有很大的差别。例如，大肠杆菌最易被265nm 的紫外线吸收，隐孢子虫则是260nm，MS2 噬菌体的最佳接收点位于270nm。由于中压紫外线覆盖较广泛的波段，因此它能在多种类型微生物及其各部分实施破坏力，这使得它的杀菌效果更为全面。同时，除了DNA 之外，中压紫外线还能攻击细胞壁、核糖酸等非DNA 成分，这种方式有助于解决使用低压紫外线灭菌后细菌再生的难题。
1.3 中压紫外线杀菌系统组成
中压紫外线杀菌系统由镇流器、紫外灯、接线箱、控制器和客户控制系统组成，具体如图1 所示。
该系统采用全内反射技术，紫外光子会在腔体内反复全反射，其特点有：特制光学石英腔体内套；充分利用紫外能量；紫外剂量的均匀分布；保证灭活效率；降低能耗。
1.4 中压紫外线产水中的杀菌流程
根据项目公司需求现状，选用型号为RZ163-12 的中压紫外线除菌装置，其杀菌流程如图2 所示。
采用全内反射紫外线杀菌技术是应用石英制作的反射层，可以将紫外灯的能量重复利用并杀菌，保证通过腔体处理水更大概率灭活微生物。在保护反渗透膜的另一方面，全内反射中压紫外线杀菌设备同时具备消除余氯作用，可以分解城市水的余氯量。其光分解反应方程式如下：
2(OCl—)+2(hv)(UVphotons紫外线光子)2Cl—+O2(g)
2HOCl+2(hv)(UVphotons紫外线光子)2HCl+O2(g)加臭氧
式中，hv 表示光子的能量；g 表示气体。
中压紫外线照射水中OCl—和HOCl 后，会逐渐分解转换为Cl—和HCL，这样通过加紫外线装置，能大量降低再生水含余氯量，减少再生水作为生产水含有余氯对地下生产钢管的腐蚀，并避免余氯对反渗透膜的氧化破坏。
在这一过程中，安装高压紫外线设备的作用如下：①降低了活性炭之后生产流程中的微生物负担与压力；②有助于减少过滤器上附着的微生物生成生物膜的可能性；③能有效防止膜孔被微生物破坏的风险并避免其渗透；④提升膜片的使用年限及其通过水的表面积；⑤能够减少反渗透膜的清洁次数；⑥能缓解后期使用臭氧消毒所带来的压力，从而减少臭氧的使用量，同时优化工厂的工作条件。
2 杀菌效果及成本分析
2.1 杀菌效果
对中压紫外杀菌装置出水进行取样测试，对比装置处理前后水样的菌落总数，其结果见表1。
根据表1 中的数值，中压紫外杀菌装置处理后的水样中所检测出来的菌落总数为1CFU/mL，较之处理前的水样菌落灭杀效果显著。第三方检测报告见表2，改造后再生水菌落和水处理菌落降低明显，可忽略不计。
2.2 运行效果
2023 年11 月15 日，中压紫外杀菌装置安装投产后，评估工作随后开展，对其运行效益进行分析，结果如下：
（1）产水量最大上升到62.8t/h（额定为65t/h），比2019 年最大产水56.04t/h 增加6.76t/h。反渗透产水增加，系统脱盐率向增大趋势发展，经计算由86.15%上升到96.61%，接近反渗透系统脱盐率标准值97%。并且，在增加紫外线杀菌装置后，由于3 套反渗透膜运行数据正常已运行20 个月没有进行化学清洗，没有更换保安过滤器滤芯；而改造前反渗透膜化学清洗周期为2 个月内，1 个月内必须更换保安过滤器滤芯。这对于已运行7 年的反渗透膜实为不易。
（2）对生产车间及设备的影响。①减少了刺激性气味。车间不投加次氯酸钠后再没有刺激性气味，运行人员随时进入车间检查，并且原来污染和腐蚀设备经过擦拭后腐蚀层变浅，设备环境改善明显。②降低了设备腐蚀。再生水经过紫外线杀菌后，水中微生物大量降低，并且由于上游再生水不投加次氯酸钠，游离氯含量基本为零，对地下钢管阻止生物和氯腐蚀起积极作用。③排除了设备隐患，减少水管泄漏问题。2019—2020 年已多次发生地下生产水管泄漏问题，2023年11 月安装紫外线装置后至今生产水管未泄漏，说明再生水的水质得到很大改观。
紫外线杀菌技术经过20 年的发展，在国外各个领域得到了广泛应用，但在我国工业水处理中的应用不多。由于紫外线杀菌技术具有其他杀菌技术无法比拟的杀菌效果和技术特点，预计该项技术将发展成为我国工业水处理领域的主流杀菌技术。通过本文分析和讨论，可知紫外线杀菌应用于工业水处理系统中技术可行、性价比高、综合效益显著，具有极大的发展潜力。特别是在循环水系统中，紫外线杀菌具有反复、连续杀菌的功能，更适合采用该技术。这为传统的工业循环水杀菌工艺提出了一条新的技术路径，具有良好的应用前景。
