孫志超，王智慧，許敏

(國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)在進(jìn)行水處理時(shí)應(yīng)用化學(xué)殺菌劑為殺菌的主要方式，雖然也具備較高殺菌效果，但是系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的耐藥性，殘留的化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)反滲透裝置的正常運(yùn)行等產(chǎn)生不良的影響。同時(shí)根據(jù)相關(guān)的研究了解到鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)想要保障反滲透膜不會(huì)被氧化，需要投入大量的還原劑，會(huì)產(chǎn)生較高的成本[1]。從很多的系統(tǒng)運(yùn)行案例上看，系統(tǒng)之所以不能正常運(yùn)行都是由于還原劑投入不足導(dǎo)致反滲透膜被氧化，進(jìn)而帶來(lái)比較嚴(yán)重的后果。中壓紫外殺菌技術(shù)選擇的裝置為高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命的UVC波段過(guò)流式中壓紫外殺菌裝置，該裝置在應(yīng)用后，無(wú)論是從殺菌的效果方面還是經(jīng)濟(jì)效益方面都比較顯著，替代了之前傳統(tǒng)氯化消毒的方式。本研究中將這種中壓紫外殺菌裝置應(yīng)用到鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)之中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出這一裝置在殺菌效果、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面的結(jié)果。

1 中壓紫外殺菌原理及工藝流程

1.1 中壓紫外殺菌技術(shù)原理

本文主要使用的中壓紫外殺菌裝置為UVC波段過(guò)流式中壓紫外殺菌裝置，254 nm的紫外光能對(duì)水體之中的細(xì)菌進(jìn)行有效的破壞和阻止，從而達(dá)到殺菌的目的。為了防止細(xì)菌出現(xiàn)遺傳、變異、代謝等作用，紫外光還能對(duì)核酸—脫氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)起到阻止的效果，防止其細(xì)菌與微生物之間合成蛋白質(zhì)，使得細(xì)胞出現(xiàn)分裂，從而達(dá)到殺菌的目的。相對(duì)于低壓紫外殺菌，中壓紫外殺菌還能發(fā)射出更廣的多波長(zhǎng)紫外線，對(duì)于水體之中的微生物有機(jī)體、有機(jī)體復(fù)制現(xiàn)象等進(jìn)行有效的破壞。

紫外殺菌的效果好壞直接與細(xì)菌所接收的照射劑量呈現(xiàn)正比關(guān)系，同時(shí)，紫外線的輸出能量、燈的不同類(lèi)型、光強(qiáng)、應(yīng)用的時(shí)間長(zhǎng)短等都與其有著直接的關(guān)聯(lián)。多普連續(xù)紫外光的波長(zhǎng)為200～300 nm，照射劑量在進(jìn)行計(jì)算時(shí)主要應(yīng)用以下公式：

從公式中我們可以看出：照射的劑量、照射的時(shí)間都與UVC的強(qiáng)度呈現(xiàn)出的聯(lián)系比較大，照射的劑量如果越大，那么該裝置消毒的效率也就會(huì)提高。細(xì)菌能夠接受足夠量的紫外光照射劑量，其通過(guò)水體中254 nm處波長(zhǎng)紫外透光率輸出光照，在UVC輸出足夠量的氣壓強(qiáng)度、照射的時(shí)間，細(xì)菌所接收到的劑量隨著透光率的變化而隨著變化[2]。

1.2 鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)紫外殺菌工藝流程

本工程所生產(chǎn)的水源主要是某城市的再生水，再生水的處理方式為：采用石灰軟化的方式進(jìn)行處理，將其稱為循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水；使用雙堿法的處理冷卻水之后稱為鍋爐補(bǔ)給水源。經(jīng)過(guò)調(diào)查這一水源的水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)該水中的原水懸浮物、濁度指標(biāo)、水質(zhì)等的結(jié)果都超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。測(cè)試之后水體的透光率達(dá)到75%。因此，水體中的細(xì)菌含量沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的進(jìn)水細(xì)菌指標(biāo)中的相關(guān)要求，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)進(jìn)水細(xì)菌含量較高。針對(duì)某廠水質(zhì)的情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 某廠水質(zhì)分析情況

從表1中提到的水質(zhì)情況、水體透光率來(lái)看，中壓紫外殺菌設(shè)備在應(yīng)用時(shí)，紫外線有效劑量在40 mJ/cm2以下，殺菌效果比較顯著。

(1)與相關(guān)的紫外線殺菌器中使用的燈管進(jìn)行比較，中壓紫外線燈管所輸出的波長(zhǎng)范圍更為廣泛，通過(guò)光的氧化作用實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的分解，從而針對(duì)水質(zhì)進(jìn)行消毒和殺菌。

(2)中壓紫外線的穿透率較高，甚至高達(dá)97%；對(duì)于單一的波長(zhǎng)紫外線穿透率進(jìn)行比較，其僅為75%，對(duì)于水的覆蓋率也相對(duì)較小，殺菌的效果沒(méi)有中壓紫外線殺菌設(shè)備顯著。

(3)中壓紫外線殺菌設(shè)備從體積上看，其相對(duì)其他的殺菌設(shè)備明顯要小，殺菌率可以高達(dá)99%，不會(huì)在之后產(chǎn)生二次污染的情況。

(4)中壓紫外燈管的使用壽命較長(zhǎng)，具有較高的性能，能夠?yàn)橹С终麄€(gè)水系統(tǒng)的處理工作提供支持。

2 運(yùn)行效果及成本

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

鍋爐補(bǔ)給水制水系統(tǒng)中安裝的中壓紫外殺菌裝置共1套，安裝在系統(tǒng)的進(jìn)水母管上、碟片過(guò)濾器前的位置上，紫外殺菌裝置連接時(shí)主要應(yīng)用管道法蘭式進(jìn)行連接。每一套裝置中還有中壓紫外燈，強(qiáng)度在4 kW，每套的設(shè)備最大流量為300 t/h，其中還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了小孔，用于觀察紫外燈套管是否發(fā)生結(jié)垢的現(xiàn)象。為了徹底對(duì)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)菌的殺毒，需要配置專(zhuān)門(mén)的物理清洗系統(tǒng)，即本文主要對(duì)DPM物理清洗的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以采用手動(dòng)啟動(dòng)的方式，也可以采用閾值自動(dòng)清洗的工序。每一套的設(shè)備上分別預(yù)留了CIP清洗閥，這一清洗閥在與化學(xué)清洗的裝置進(jìn)行連接后，共同為鍋爐房進(jìn)水和出口的安全性、清潔性保護(hù)駕護(hù)航。應(yīng)用化學(xué)清洗裝置對(duì)其進(jìn)行酸洗工作[3]。紫外燈管的外面還專(zhuān)門(mén)設(shè)有石英玻璃套管，在該系統(tǒng)停止運(yùn)行的過(guò)程中需要對(duì)進(jìn)行單獨(dú)的清洗。

由此可見(jiàn)，中壓紫外線裝置中設(shè)有兩個(gè)系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)的模式是不同的、是獨(dú)立存在的。這些系統(tǒng)的存在和應(yīng)用能夠發(fā)揮出節(jié)能的效果，促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。第一，中壓紫外系統(tǒng)結(jié)合所設(shè)定的功率開(kāi)展有序地運(yùn)行。第二，紫外系統(tǒng)在開(kāi)啟節(jié)能模式時(shí)，可以借助水透光率、水流量等進(jìn)行靈活的調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)在檢測(cè)到＞30 t/h的水流量時(shí)，紫外系統(tǒng)可以開(kāi)始自動(dòng)的投運(yùn)，從而達(dá)到最終的殺菌效果。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到＜30 t/h的水流量時(shí)，紫外系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)的停止運(yùn)行，目的就是避免該設(shè)備出現(xiàn)過(guò)熱的情況發(fā)生燒斷的現(xiàn)象，從而帶來(lái)更大的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，專(zhuān)門(mén)的人員負(fù)責(zé)對(duì)該系統(tǒng)不同位置的水進(jìn)行無(wú)菌抽樣，再將這些不同位置的水樣分別放進(jìn)無(wú)菌取樣袋之中，在一天之內(nèi)對(duì)水樣中的細(xì)菌進(jìn)行分析，最后得出相應(yīng)的結(jié)果[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 紫外劑量越高，殺菌效果越明顯

超濾系統(tǒng)中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置1)中其流量觀察值為：(600±10) t/h。開(kāi)啟功率的模式，其紫外燈工作的效率呈現(xiàn)越來(lái)越高的情況，即為20%、45%、65%、85%、100%，紫外光劑量主要為：15/25/35/45/65 mJ/cm2。針對(duì)超濾系統(tǒng)中中壓紫外線殺菌裝置中的進(jìn)水口和出水口，取樣分析其總的菌落數(shù)量。根據(jù)相應(yīng)的觀察我們了解到紫外劑量越高，其殺菌的效果越來(lái)越明顯。菌落總數(shù)為45 CFU/mL的來(lái)水和35 mJ/cm2的紫外劑量，其水菌落總數(shù)明顯低于45 CFU/mL的來(lái)水和35 mJ/cm2以上的紫外劑量，其殺菌率甚至可以高達(dá)100%。

2.2.2 進(jìn)水流量與殺菌效果之間的關(guān)系

以上的超濾系統(tǒng)中中壓紫外線殺菌裝置主要以功率模式進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，紫外燈的工作效率控制在65%。進(jìn)水流量進(jìn)行全面控制，其水流量假設(shè)為對(duì)300 t/h、350 t/h、400 t/h、450 t/h、500 t/h、550 t/h、600 t/h。根據(jù)進(jìn)水口和出水口的菌落總數(shù)進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)超濾系統(tǒng)中的紫外線裝置殺菌效果出現(xiàn)了以下的變化。

實(shí)驗(yàn)中了解到：水流量越來(lái)越大，殺菌的效果反而會(huì)越來(lái)越弱。菌落總數(shù)為40 CFU/mL 的來(lái)水，如果水流量大于600 t/h，在如此高的水流量面前，水菌落總數(shù)則小于10 CFU/mL。當(dāng)紫外燈輸出的功率呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的情況，如果進(jìn)水的流量小，紫外劑量大，則控制較小的流量可以一定程度上提升殺菌的效果[5]。

2.2.3 紫外線作用區(qū)域出現(xiàn)的菌落總數(shù)

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將來(lái)水水質(zhì)進(jìn)行控制且保持不變，調(diào)整8個(gè)工況。其一，將所有的中壓紫外線殺菌裝置進(jìn)行關(guān)閉；其二，將超濾(裝置1)中的紫外裝置處于開(kāi)啟的狀態(tài)，其他的都處于關(guān)閉的狀態(tài)；其三，將超濾(裝置2)中的紫外裝置保持開(kāi)啟的狀態(tài)，其他的裝置則為關(guān)閉的狀態(tài)；其四，反滲透系統(tǒng)中(裝置1)紫外裝置可以處于開(kāi)啟的狀態(tài)，其他的裝置則為關(guān)閉的狀態(tài)；其五，反滲透裝置系統(tǒng)中(裝置2)紫外裝置處于開(kāi)啟的狀態(tài)，將其他的裝置進(jìn)行關(guān)閉；其六，將反滲透裝置系統(tǒng)中(裝置3)紫外裝置處于開(kāi)啟的狀態(tài)，其他裝置為關(guān)閉的狀態(tài)；其七，超濾系統(tǒng)中的(裝置1)和超濾系統(tǒng)中的(裝置2)紫外殺菌裝置共同開(kāi)啟，將反滲透系統(tǒng)中的所有裝置進(jìn)行關(guān)閉；其八，超濾系統(tǒng)中(裝置1和裝置2)以及反滲透系統(tǒng)(裝置1)紫外殺菌裝置開(kāi)啟，其他的都關(guān)閉。每一個(gè)工況持續(xù)運(yùn)行一天的時(shí)間，并保持每一個(gè)系統(tǒng)裝置都以同功率模式進(jìn)行運(yùn)行。取樣時(shí)分別對(duì)該設(shè)備的進(jìn)水取樣閥、出水取樣閥、反滲透進(jìn)水的取樣閥和出水取樣閥、超濾系統(tǒng)中的水箱、前池中的紫外裝置進(jìn)行一一的取樣，并得出菌落總數(shù)。

紫外裝置如果同時(shí)的開(kāi)啟其殺菌的效果更為顯著。當(dāng)來(lái)水在經(jīng)過(guò)超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)中的紫外線殺菌裝置時(shí)，這些裝置共同開(kāi)始水的處理工作，對(duì)于后端的反滲透系統(tǒng)其殘留菌數(shù)呈現(xiàn)了比較低的現(xiàn)象(工況8的情況)。除了單獨(dú)開(kāi)超濾紫外線殺菌裝置或者單獨(dú)開(kāi)反滲透紫外線殺菌裝置，其他工況情況都比較顯著，殺菌的效果要高于前兩種。

2.2.4 延長(zhǎng)運(yùn)行的周期，分析殺菌的效果

超濾系統(tǒng)中的紫外線殺菌裝置(裝置1)、超濾系統(tǒng)中的紫外線殺菌裝置(裝置2)、反滲透系統(tǒng)中的紫外線殺菌裝置(裝置3)、反滲透系統(tǒng)中的紫外線殺菌裝置(裝置4)等處于開(kāi)啟的狀態(tài)；反滲透系統(tǒng)中的紫外線殺菌裝置(裝置5)中處于關(guān)閉的狀態(tài)。超濾紫外線殺菌裝置都以同功率模式運(yùn)行，反滲透紫外裝置則應(yīng)用了節(jié)能的模式[6]。長(zhǎng)期運(yùn)行6個(gè)月，定期對(duì)反滲透系統(tǒng)中紫外殺菌裝置的菌落進(jìn)行分析，檢測(cè)其水質(zhì)的情況，檢測(cè)反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的整個(gè)狀態(tài)等。

(1)夏季與冬季微生物發(fā)生污染的情況

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程處于夏季(9月份)，這時(shí)的來(lái)水微生物相對(duì)較多，即菌落總數(shù)達(dá)到了200 CFU/mL，紫外系統(tǒng)能夠?qū)λ械奈⑸镞M(jìn)行有效的殺滅。從反滲透進(jìn)水的菌落總數(shù)和反滲透濃水之中的菌落總數(shù)進(jìn)行分析，其總數(shù)則控制在10 CFU/mL。設(shè)備在冬季運(yùn)行后，由于冬季微生物相對(duì)較少，超濾和反滲透系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微生物污染的情況。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)了解到，一級(jí)反滲透保安過(guò)濾器壓差月平均數(shù)據(jù)中的記錄中提到：保安過(guò)濾器在連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)月之后，運(yùn)行的壓差并沒(méi)有發(fā)生波動(dòng)或者異常的現(xiàn)象[7]。而保安過(guò)濾器之所以在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的壓差或者異?，F(xiàn)象，其與污染顆粒堵塞、微生物出現(xiàn)較大污染等有直接的關(guān)系，而本次的實(shí)驗(yàn)研究了解到水體內(nèi)的細(xì)菌和懸浮指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)，水質(zhì)并沒(méi)有降低。這就可以看出，中壓紫外殺菌設(shè)備在應(yīng)用時(shí)具有良好的殺菌效果。

(2)反滲透膜組件發(fā)生微生物污染的情況

表中主要針對(duì)反滲透系統(tǒng)的脫鹽率進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，反滲透系統(tǒng)中通過(guò)加入適量的殺菌劑以對(duì)里面的微生物進(jìn)行有效控制。反滲透系統(tǒng)中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置3)中脫鹽率在96%～98.40%范圍內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)；反滲透系統(tǒng)中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置4)中脫鹽率在96%～98.6%范圍內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)；反滲透系統(tǒng)中的中壓紫外線殺菌裝置(裝置5)中脫鹽率在97%～98.6%范圍內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)。裝置4和裝置5中的波動(dòng)大致相同，這就能充分說(shuō)明鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中來(lái)水在進(jìn)行處置時(shí)，紫外線殺菌的效果與殺菌劑給藥產(chǎn)生的效果并不是很大。裝置3和裝置4中的反滲脫鹽率并沒(méi)有大幅度的領(lǐng)先于裝置5，僅僅是來(lái)水之中微生物呈現(xiàn)了減少的情況。

由表2我們可以得出：3個(gè)舊反滲透脫鹽率均在98.4%以上，回收率也超過(guò)了8.8%，相對(duì)于新的反滲透膜進(jìn)行比較，脫鹽率為99.7%，回收率9.0%相比，其性能逐步的衰減。這就可以充分的說(shuō)明紫外殺菌系統(tǒng)在持續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，反滲透膜組件并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微生物污染的情況。

表2 反滲透膜組件性能的測(cè)試

2.2.5 運(yùn)行成本的計(jì)算

中壓紫外線殺菌裝置在鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中應(yīng)用后，由于其采用了節(jié)能的模式，其從耗材、耗電量進(jìn)行計(jì)算，其運(yùn)行成本較低，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[8]。

第一，年耗電費(fèi)用的計(jì)算。中壓紫外殺菌裝置中主要的耗電設(shè)備為燈管。即運(yùn)行過(guò)程中其燈管耗費(fèi)的成本為：1支×4 kW·h/支×24 h×365天×0.5元=1.8萬(wàn)元。 如果這一工程使用的燈管較多，則在此基礎(chǔ)上乘以個(gè)數(shù)就可以。

第二，中壓紫外線殺菌裝置燈管耗材的費(fèi)用。每一支燈管每一年需要進(jìn)行更換，更換的次數(shù)為1次，每年工作耗時(shí)為當(dāng)年2/3時(shí)長(zhǎng)，如果燈管的單價(jià)費(fèi)用為2.2萬(wàn)元，那么這一支燈管需要耗費(fèi)材料費(fèi)用為2.2萬(wàn)元×1支×2/3=1.47萬(wàn)元。

第三，計(jì)算直接運(yùn)行產(chǎn)生的成本。每小時(shí)按照每立方米200元進(jìn)行計(jì)算，一噸水產(chǎn)生的直接成本為0.036元，相比于之前使用的化學(xué)藥劑來(lái)看，其殺菌的費(fèi)用明顯要低。因此，從以上費(fèi)用計(jì)算的結(jié)果上看，鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)之中使用中壓紫外線殺菌裝置具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，本文針對(duì)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的水處理情況進(jìn)行分析后，得出利用中壓紫外線系統(tǒng)對(duì)來(lái)水進(jìn)行有效的殺菌，可以達(dá)到降低微生物污染的問(wèn)題。25 mJ/cm2以上的紫外劑量處理600 t/h的最高流量，其來(lái)水菌落總數(shù)呈現(xiàn)了逐步下降的趨勢(shì)，即從35 CFU/mL下降到10 CFU/mL。同時(shí)將超濾紫外裝置和反滲透中的紫外裝置進(jìn)行開(kāi)啟，獲取的殺菌效果更為明顯。在持續(xù)的運(yùn)行紫外裝置后，其結(jié)果顯示中壓紫外殺菌裝置能夠有效地替代之前使用的藥物殺菌方法，能夠降低水質(zhì)波動(dòng)的現(xiàn)象。整套的中壓紫外系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中所獲取的經(jīng)濟(jì)效益較高，成本得到了有效地控制，尤其是這種中壓紫外線殺菌裝置可以減少還原劑和殺菌劑的重復(fù)、多次使用，延長(zhǎng)了反滲透組件的使用壽命，其經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)生的環(huán)境效益等更為顯著。本文的研究將對(duì)鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的正常運(yùn)行和提升水質(zhì)等提供重要的參考。