李文明 常小輝

1.艾歐史密斯（中國(guó)）熱水器有限公司 江蘇南京 210038

2.艾歐史密斯（中國(guó)）環(huán)境電器有限公司 江蘇南京 211200

1 引言

目前市場(chǎng)上的家用凈水器種類(lèi)較多，如微濾凈水器、超濾凈水器、反滲透凈水器等。反滲透凈水器的水系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，其預(yù)處理和后處理等過(guò)濾單元與超濾凈水器、微濾凈水器都基本相似，在細(xì)菌污染和防控方面有其共性，本文以反滲透凈水器為代表，分析其污染情況，并提出防控措施。

凈水器是用來(lái)凈化水的，其自身潛在的污染問(wèn)題往往容易被人們忽視。其實(shí)在凈水器的每個(gè)過(guò)濾單元中都有可能潛在滋生細(xì)菌，如：凈水器的預(yù)處理和后處理系統(tǒng)中PP棉濾芯、碳棒濾芯、管路、接頭等零部件，自身無(wú)抑菌功能，可能會(huì)滋生細(xì)菌；微濾芯、超濾芯或反滲透膜濾芯處理過(guò)的凈化水，如果儲(chǔ)存或使用不當(dāng)，也有可能被污染。以反滲透（RO）凈水器為例，有桶RO凈水器的水箱長(zhǎng)期儲(chǔ)存凈化水，不易清潔，時(shí)間長(zhǎng)了后，水箱里會(huì)滋生細(xì)菌，影響水質(zhì)；即濾型RO凈水器雖然沒(méi)有水箱，反滲透膜可以過(guò)濾掉細(xì)菌和病毒，但是從反滲透膜出水口到龍頭這一段水路，如果長(zhǎng)時(shí)間不用水，也容易滋生細(xì)菌，出水有細(xì)菌污染的風(fēng)險(xiǎn)。

UV紫外殺菌作為一種成熟的技術(shù)方案在水處理行業(yè)已使用很長(zhǎng)時(shí)間，UV殺菌屬于物理殺菌，是利用紫外射線對(duì)水中各種細(xì)菌病毒等微生物進(jìn)行高效滅活，阻止細(xì)菌在水中的繁殖，以達(dá)到凈化效果。傳統(tǒng)UV汞燈是熱光源，有熱輻射，壽命短，尺寸大，效率低，不環(huán)保等缺點(diǎn)，正在被市場(chǎng)淘汰；而UVLED燈不但有傳統(tǒng)UV汞燈同樣的殺菌效果，而且還能克服傳統(tǒng)UV汞燈的不足。如何讓UVLED技術(shù)替代傳統(tǒng)UV汞燈在凈水器中得到應(yīng)用，預(yù)防和控制凈水器潛在細(xì)菌污染問(wèn)題，筆者以反滲透（RO）凈水器為例，進(jìn)行不同實(shí)施方案的研究。

2 UVLED技術(shù)特點(diǎn)

UVLED（Ultra Violet Light Emitting Diode）即紫外發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料［1］。UVLED的光是冷光源、無(wú)熱輻射，被照物品表面溫升低，壽命長(zhǎng)，燈的使用壽命是傳統(tǒng)UV汞燈10倍以上。UVLED的光線能量高度集中在某些特定的紫外光譜段，效率高；而傳統(tǒng)UV汞燈發(fā)出的光看上去亮度很高，但由于它的光譜很寬，熱量很高，真正起有效作用的紫外光譜段只占其中一部分能量，有相當(dāng)大一部分是在可見(jiàn)光段(雜光)和紅外光譜段（導(dǎo)致熱量產(chǎn)生），沒(méi)有起到紫外殺菌作用。UVLED在瞬間開(kāi)啟時(shí)，不需要預(yù)熱即可瞬間達(dá)到最大紫外輸出功率，使用壽命不受開(kāi)關(guān)次數(shù)影響。UVLED不含汞，使用過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生臭氧，是一種更安全、更環(huán)保的紫外殺菌光源。

3 反滲透凈水器細(xì)菌污染分析

反滲透凈水器能夠有效去除自來(lái)水中的細(xì)菌，但是在安裝和使用一段時(shí)間后，凈水器可能會(huì)出現(xiàn)細(xì)菌污染，出水微生物（菌落總數(shù)、總大腸菌群等）不達(dá)標(biāo)情況；如果凈水器長(zhǎng)時(shí)間放置不使用，那么微生物污染會(huì)更嚴(yán)重。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，凈水器出水的菌落總數(shù)不超過(guò)100CFU/mL。有桶凈水器帶有儲(chǔ)水桶，由于拆卸不方便，用戶(hù)很少清潔儲(chǔ)水桶，自來(lái)水經(jīng)過(guò)反滲透膜后，水中余氯被過(guò)濾，失去抑菌環(huán)境，滋生的細(xì)菌在無(wú)活性氯的環(huán)境下，在桶體表面粘附、繁殖，并分泌粘液，隨著時(shí)間推移，細(xì)菌和粘液在表面不斷的積累，從而導(dǎo)致凈化水菌落總數(shù)超標(biāo)問(wèn)題［2］。用盛滿(mǎn)純水的水箱進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)水箱放置三天后，水箱里的總菌落數(shù)由5CFU/mL很快上升到106CFU/mL，超過(guò)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，隨著時(shí)間的推移總菌落數(shù)將不斷上升，變化曲線如圖1所示；無(wú)桶式反滲透凈水器，凈化水從RO膜出水端到龍頭之間要經(jīng)過(guò)后置活性炭濾芯和水管等涉水材料，其中顆粒活性炭材料對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，會(huì)加重微生物污染。用5臺(tái)600G即濾型RO機(jī)樣機(jī)測(cè)試，機(jī)器放置12小時(shí)（模擬過(guò)夜）后，無(wú)殺菌處理，開(kāi)機(jī)接取第一杯500ml水，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有三臺(tái)機(jī)器總菌落數(shù)超過(guò)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，其中一臺(tái)樣機(jī)總菌落數(shù)超標(biāo)高達(dá)538CFU/mL，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)不難看出，家用反滲透凈水器雖然有很好的過(guò)濾效果，但是在實(shí)際使用過(guò)程中還會(huì)有潛在的出水細(xì)菌污染問(wèn)題，利用UVLED技術(shù)可以便捷有效的解決這個(gè)問(wèn)題。

4 UVLED技術(shù)在反滲透凈水器中應(yīng)用

反滲透凈水器一般有兩種型式，一種是有桶機(jī)型，RO膜出水流量小，凈化水先儲(chǔ)存在水箱里，使用時(shí)再?gòu)乃淅锓懦觯瑏?lái)滿(mǎn)足用水需求；另一種是無(wú)桶機(jī)型，RO膜出水流量大，需要用凈化水時(shí)，直接開(kāi)機(jī)制水［3］。有桶式RO機(jī)（水箱型）長(zhǎng)期使用的儲(chǔ)水箱是滋生細(xì)菌的主要場(chǎng)所，可以把UVLED設(shè)計(jì)在水箱內(nèi)部，進(jìn)行定期殺菌；無(wú)桶式RO機(jī)（即濾型）后置活性炭濾芯對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，如果機(jī)器停用一段時(shí)間，從反滲透膜到龍頭出水前這一段水路有潛在的細(xì)菌滋生，可以將UVLED燈設(shè)計(jì)在龍頭末端，采用過(guò)流方式，進(jìn)行有效殺菌，來(lái)保證出水水質(zhì)。

表1 即濾型RO機(jī)靜置12小時(shí)后，無(wú)殺菌處理，開(kāi)機(jī)第一杯水總菌落數(shù)測(cè)試

圖1 水箱內(nèi)總菌落數(shù)隨時(shí)間變化曲線

4.1 UVLED技術(shù)在有桶式RO機(jī)中的應(yīng)用

有桶式RO機(jī)的凈化原理一般是自來(lái)水先經(jīng)過(guò)預(yù)處理濾芯過(guò)濾，截留水中懸浮物、泥沙、鐵銹等固體雜質(zhì)，并去除水中有機(jī)物、余氯等物質(zhì)；然后通過(guò)反滲透RO膜凈化，去除水中重金屬離子、細(xì)菌、病毒等有害物質(zhì)；再用后置活性炭吸附異色異味后注入儲(chǔ)水箱，需要用水時(shí)從水箱里直接放出。UVLED燈在水箱中可以有多種固定方式，不同的固定方式，殺菌效果差別很大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行效果對(duì)比測(cè)試，找出最優(yōu)的固定方式，這樣才能充分利用紫外輻射能量，提高殺菌效果。

4.1.1 UVLED燈不同固定方式分析

UVLED燈固定在水箱低部，燈光從下向上輻射，燈光照射時(shí)有一個(gè)輻射角度，在輻射角度內(nèi)的殺菌效果好，在輻射角度外稱(chēng)作輻射盲區(qū)，輻射強(qiáng)度弱，殺菌效果差；水箱排水口通常是在下方，這樣先排放出的水就是輻射盲區(qū)的水，菌落總數(shù)最易超標(biāo)。UVLED燈固定在水箱上部，一般是集成在水箱蓋上，紫外線可以對(duì)下方的水全方位輻射，基本沒(méi)有輻射盲區(qū)。當(dāng)水箱滿(mǎn)水時(shí)，輻射能量幾乎全部進(jìn)入水里進(jìn)行殺菌，能量損失最少，效果好；當(dāng)水箱水在使用時(shí)，水位不斷下降，燈與水之間的空氣層逐漸增加，紫外線在空氣里快速衰減，紫外線穿過(guò)空氣層后進(jìn)入水里時(shí)輻射能量會(huì)下降很多，殺菌效果變差［4］。如果要達(dá)到原有的殺菌效果，就需要延長(zhǎng)紫外燈點(diǎn)亮?xí)r間或加大紫外燈功率，這樣對(duì)紫外燈和水箱壽命不利，經(jīng)濟(jì)性也不好。UVLED燈固定在水箱上部或下部都各有利弊，通過(guò)設(shè)計(jì)，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，將UVLED燈置于水面上方，同時(shí)將燈靜態(tài)固定變成可上下浮動(dòng)。當(dāng)水位變化時(shí)，紫外燈與水面同步移動(dòng)，使紫外燈與水面距離相對(duì)不變，避免有較大空氣層，從而保證紫外光被高效利用。

圖2 浮動(dòng)式UVLED水箱結(jié)構(gòu)圖

圖3 浮動(dòng)式與固定式UVLED燈實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

4.1.2 浮動(dòng)式UVLED燈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式

浮動(dòng)式UVLED結(jié)構(gòu)如圖2所示，與水接觸部分是一個(gè)浮球結(jié)構(gòu)，起到固定紫外燈的作用，浮球的浮力需克服自身和UVLED燈的重量，可以浮在水面上方，并保持一個(gè)很小的距離。浮球用耐UV塑料制作，可以設(shè)計(jì)成兩半球狀，用超聲波工藝焊接成一體，也可以用吹塑工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。紫外燈上下浮動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線收納是關(guān)鍵，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如果沒(méi)有很好的收放，會(huì)使導(dǎo)線散亂，甚至卡住浮球，影響運(yùn)動(dòng)靈活性和可靠性。為了解決導(dǎo)線收納問(wèn)題，可以將導(dǎo)線設(shè)計(jì)成類(lèi)似蚊香盤(pán)狀螺旋線，當(dāng)燈隨水位上升時(shí)，線束可以有序地收納在一個(gè)平面內(nèi)；當(dāng)燈隨水位下降時(shí)，線束自動(dòng)有序打開(kāi)。導(dǎo)線本身收縮彈性較小，為使線束保持收放自如的彈性，較低成本方案之一是利用套管或熱縮管將導(dǎo)線束縛在螺旋彈簧上，使導(dǎo)線與彈簧構(gòu)成一體，形成一個(gè)螺旋導(dǎo)線。

4.1.3 浮動(dòng)式與固定式UVLED殺菌效果對(duì)比測(cè)試

取水箱剩余一半水量為測(cè)試樣本，加標(biāo)水初始總菌落數(shù)為23100CFU/mL，浮動(dòng)式UVLED燈通過(guò)浮球置于水面上方，固定式UVLED燈固定在水箱蓋上，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。1#和2#水樣用浮動(dòng)式UVLED燈殺菌，殺菌燈始終距離水面近，殺菌效率高，照射時(shí)間約25min后，水里總菌落數(shù)降到100CFU/mL以下，達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)；3#和4#水樣用固定式UVLED燈殺菌，殺菌燈只能始終在水箱蓋位置，距離水表面遠(yuǎn)，殺菌效率差，照射50min后，水里總菌落數(shù)才降到100CFU/mL以下。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以分析，浮動(dòng)式UVLED殺菌時(shí)間可以縮短一半，效率提升一倍，UVLED燈和塑料水箱的使用壽命都能相應(yīng)得到延長(zhǎng)。對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

4.2 UVLED技術(shù)在即濾型RO機(jī)中的應(yīng)用

即濾型RO機(jī)是沒(méi)有水箱，RO膜流量大，開(kāi)機(jī)后反滲透膜產(chǎn)生的純水，直接從龍頭排出，紫外線燈對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的水進(jìn)行實(shí)時(shí)殺菌。由于水是流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)龍頭打開(kāi)時(shí)，紫外燈要同步開(kāi)啟，并瞬間達(dá)到輻射強(qiáng)度峰值，這樣流動(dòng)的水才能得到有效殺菌。為了保證每次龍頭放出的第一杯水總菌落數(shù)不超標(biāo)，紫外燈的位置離龍頭出水口盡量近，縮短非殺菌水路距離，提高殺菌效果。

4.2.1 傳統(tǒng)紫外汞燈在凈水龍頭上運(yùn)用分析

目前市場(chǎng)上凈水龍頭有使用傳統(tǒng)紫外汞燈的案例，有的是把紫外汞燈模塊串聯(lián)在龍頭進(jìn)水口下方，現(xiàn)場(chǎng)安裝不方便，紫外燈后面還有一段較長(zhǎng)的非殺菌水路；有的是把紫外汞燈放在凈水龍頭主柱內(nèi)部，龍頭體積大，凈水龍頭與生活用水龍頭尺寸差不多，占用臺(tái)面空間，操作不方便，整體不協(xié)調(diào)。凈水龍頭用傳統(tǒng)紫外汞燈設(shè)計(jì)有幾個(gè)缺點(diǎn)：一是燈開(kāi)啟后不能瞬間達(dá)到峰值，由于接水時(shí)間比較短，當(dāng)燈功率上升到最大值時(shí)，接水動(dòng)作基本結(jié)束，對(duì)流動(dòng)水殺菌效果不好；二是紫外汞燈不適合頻繁啟停，即濾型RO機(jī)使用場(chǎng)景通常是短時(shí)間用水后關(guān)掉，這樣頻繁啟停的紫外汞燈壽命衰減快；三是紫外汞燈尺寸大，凈水龍頭體積小，兩者結(jié)構(gòu)尺寸不好匹配。

4.2.2 UVLED燈在凈水龍頭上的實(shí)現(xiàn)形式

UVLED燈具有能瞬間啟動(dòng)、可以頻繁啟停、尺寸小等特點(diǎn)，正好適合凈水龍頭末端殺菌的需求，可以把UVLED技術(shù)應(yīng)用到凈水龍頭上，設(shè)計(jì)成新型的UVLED凈水龍頭，結(jié)構(gòu)如圖4所示。凈水龍頭由龍頭主體和出水段兩部分結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)龍頭出水流量的大小來(lái)確定UVLED燈位置和數(shù)量，如果是小流量龍頭，可以在龍頭主體上方布置一顆UVLED燈；如果是大流量龍頭，可以在龍頭主體上方和下方各布置一顆UVLED燈。螺旋狀石英管布置在兩個(gè)燈中間，水路結(jié)構(gòu)采用螺旋狀設(shè)計(jì)，目的是間接延長(zhǎng)水路，增加水被照射時(shí)間，提高殺菌效果。在石英管水路與龍頭主體內(nèi)壁之間有一層反射膜，如錫紙等，將紫外光反射回去再次利用，圓形狀反射表面可以實(shí)現(xiàn)多次反射，這樣紫外線被重復(fù)利用，進(jìn)一步提高殺菌效果。

4.2.3 UVLED凈水龍頭殺菌效果測(cè)試

使用相同600G即濾芯型RO測(cè)試樣機(jī)，出水末端換成UVLED龍頭，其余測(cè)試條件相同，靜置12小時(shí)后放出第一杯500ml水，測(cè)試總菌落數(shù)，五個(gè)樣本出水的總菌落數(shù)均沒(méi)有超過(guò)國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，并且還遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。

圖4 UVLED凈水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖

表2 浮動(dòng)式與固定式UVLED殺菌效果對(duì)比測(cè)試

表3 即濾型RO機(jī)靜置12小時(shí)后，UVLED龍頭放第一杯水總菌落數(shù)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)反滲透凈水器的不同特點(diǎn)，對(duì)潛在細(xì)菌滋生的預(yù)防控制，UVLED可以有不同實(shí)現(xiàn)方案：有桶式凈水器可以設(shè)計(jì)成浮動(dòng)UVLED燈，與水箱水位同步變化，進(jìn)行高效殺菌；即濾式凈水器（無(wú)桶型）可以設(shè)計(jì)成UVLED龍頭，在出水未端進(jìn)行過(guò)流式殺菌。無(wú)論哪種解決方案，均能較好的預(yù)防控制凈水器潛在的細(xì)菌污染問(wèn)題。UVLED燈效率高、壽命長(zhǎng)、尺寸小、節(jié)能環(huán)保，這幾年正在被推廣使用。由于UVLED技術(shù)較新，還沒(méi)有被大規(guī)模應(yīng)用，成本相對(duì)傳統(tǒng)汞燈高些，但隨著技術(shù)的成熟和制造效率的提高，其成本會(huì)進(jìn)一步降低，在家用產(chǎn)品中將會(huì)有更多的應(yīng)用。隨著技術(shù)逐漸成熟，UVLED技術(shù)可以在凈水產(chǎn)品或其他有殺菌需求的類(lèi)似產(chǎn)品上被運(yùn)用。