UVLED在预防控制净水器细菌污染方面应用探讨

李文明 常小辉

1.艾欧史密斯（中国）热水器有限公司 江苏南京 210038

2.艾欧史密斯（中国）环境电器有限公司 江苏南京 211200

1 引言

目前市场上的家用净水器种类较多，如微滤净水器、超滤净水器、反渗透净水器等。反渗透净水器的水系统相对复杂，其预处理和后处理等过滤单元与超滤净水器、微滤净水器都基本相似，在细菌污染和防控方面有其共性，本文以反渗透净水器为代表，分析其污染情况，并提出防控措施。

净水器是用来净化水的，其自身潜在的污染问题往往容易被人们忽视。其实在净水器的每个过滤单元中都有可能潜在滋生细菌，如：净水器的预处理和后处理系统中PP棉滤芯、碳棒滤芯、管路、接头等零部件，自身无抑菌功能，可能会滋生细菌；微滤芯、超滤芯或反渗透膜滤芯处理过的净化水，如果储存或使用不当，也有可能被污染。以反渗透（RO）净水器为例，有桶RO净水器的水箱长期储存净化水，不易清洁，时间长了后，水箱里会滋生细菌，影响水质；即滤型RO净水器虽然没有水箱，反渗透膜可以过滤掉细菌和病毒，但是从反渗透膜出水口到龙头这一段水路，如果长时间不用水，也容易滋生细菌，出水有细菌污染的风险。

UV紫外杀菌作为一种成熟的技术方案在水处理行业已使用很长时间，UV杀菌属于物理杀菌，是利用紫外射线对水中各种细菌病毒等微生物进行高效灭活，阻止细菌在水中的繁殖，以达到净化效果。传统UV汞灯是热光源，有热辐射，寿命短，尺寸大，效率低，不环保等缺点，正在被市场淘汰；而UVLED灯不但有传统UV汞灯同样的杀菌效果，而且还能克服传统UV汞灯的不足。如何让UVLED技术替代传统UV汞灯在净水器中得到应用，预防和控制净水器潜在细菌污染问题，笔者以反渗透（RO）净水器为例，进行不同实施方案的研究。

2 UVLED技术特点

UVLED（Ultra Violet Light Emitting Diode）即紫外发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料［1］。UVLED的光是冷光源、无热辐射，被照物品表面温升低，寿命长，灯的使用寿命是传统UV汞灯10倍以上。UVLED的光线能量高度集中在某些特定的紫外光谱段，效率高；而传统UV汞灯发出的光看上去亮度很高，但由于它的光谱很宽，热量很高，真正起有效作用的紫外光谱段只占其中一部分能量，有相当大一部分是在可见光段(杂光)和红外光谱段（导致热量产生），没有起到紫外杀菌作用。UVLED在瞬间开启时，不需要预热即可瞬间达到最大紫外输出功率，使用寿命不受开关次数影响。UVLED不含汞，使用过程中也不会产生臭氧，是一种更安全、更环保的紫外杀菌光源。

3 反渗透净水器细菌污染分析

反渗透净水器能够有效去除自来水中的细菌，但是在安装和使用一段时间后，净水器可能会出现细菌污染，出水微生物（菌落总数、总大肠菌群等）不达标情况；如果净水器长时间放置不使用，那么微生物污染会更严重。GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》规定，净水器出水的菌落总数不超过100CFU/mL。有桶净水器带有储水桶，由于拆卸不方便，用户很少清洁储水桶，自来水经过反渗透膜后，水中余氯被过滤，失去抑菌环境，滋生的细菌在无活性氯的环境下，在桶体表面粘附、繁殖，并分泌粘液，随着时间推移，细菌和粘液在表面不断的积累，从而导致净化水菌落总数超标问题［2］。用盛满纯水的水箱进行测试，当水箱放置三天后，水箱里的总菌落数由5CFU/mL很快上升到106CFU/mL，超过饮用水卫生标准，随着时间的推移总菌落数将不断上升，变化曲线如图1所示；无桶式反渗透净水器，净化水从RO膜出水端到龙头之间要经过后置活性炭滤芯和水管等涉水材料，其中颗粒活性炭材料对细菌生长有促进作用，会加重微生物污染。用5台600G即滤型RO机样机测试，机器放置12小时（模拟过夜）后，无杀菌处理，开机接取第一杯500ml水，检测发现有三台机器总菌落数超过饮用水卫生标准，其中一台样机总菌落数超标高达538CFU/mL，测试数据如表1所示。通过实验不难看出，家用反渗透净水器虽然有很好的过滤效果，但是在实际使用过程中还会有潜在的出水细菌污染问题，利用UVLED技术可以便捷有效的解决这个问题。

4 UVLED技术在反渗透净水器中应用

反渗透净水器一般有两种型式，一种是有桶机型，RO膜出水流量小，净化水先储存在水箱里，使用时再从水箱里放出，来满足用水需求；另一种是无桶机型，RO膜出水流量大，需要用净化水时，直接开机制水［3］。有桶式RO机（水箱型）长期使用的储水箱是滋生细菌的主要场所，可以把UVLED设计在水箱内部，进行定期杀菌；无桶式RO机（即滤型）后置活性炭滤芯对细菌生长有促进作用，如果机器停用一段时间，从反渗透膜到龙头出水前这一段水路有潜在的细菌滋生，可以将UVLED灯设计在龙头末端，采用过流方式，进行有效杀菌，来保证出水水质。

表1 即滤型RO机静置12小时后，无杀菌处理，开机第一杯水总菌落数测试

图1 水箱内总菌落数随时间变化曲线

4.1 UVLED技术在有桶式RO机中的应用

有桶式RO机的净化原理一般是自来水先经过预处理滤芯过滤，截留水中悬浮物、泥沙、铁锈等固体杂质，并去除水中有机物、余氯等物质；然后通过反渗透RO膜净化，去除水中重金属离子、细菌、病毒等有害物质；再用后置活性炭吸附异色异味后注入储水箱，需要用水时从水箱里直接放出。UVLED灯在水箱中可以有多种固定方式，不同的固定方式，杀菌效果差别很大。通过实验装置进行效果对比测试，找出最优的固定方式，这样才能充分利用紫外辐射能量，提高杀菌效果。

4.1.1 UVLED灯不同固定方式分析

UVLED灯固定在水箱低部，灯光从下向上辐射，灯光照射时有一个辐射角度，在辐射角度内的杀菌效果好，在辐射角度外称作辐射盲区，辐射强度弱，杀菌效果差；水箱排水口通常是在下方，这样先排放出的水就是辐射盲区的水，菌落总数最易超标。UVLED灯固定在水箱上部，一般是集成在水箱盖上，紫外线可以对下方的水全方位辐射，基本没有辐射盲区。当水箱满水时，辐射能量几乎全部进入水里进行杀菌，能量损失最少，效果好；当水箱水在使用时，水位不断下降，灯与水之间的空气层逐渐增加，紫外线在空气里快速衰减，紫外线穿过空气层后进入水里时辐射能量会下降很多，杀菌效果变差［4］。如果要达到原有的杀菌效果，就需要延长紫外灯点亮时间或加大紫外灯功率，这样对紫外灯和水箱寿命不利，经济性也不好。UVLED灯固定在水箱上部或下部都各有利弊，通过设计，结合两者优点，将UVLED灯置于水面上方，同时将灯静态固定变成可上下浮动。当水位变化时，紫外灯与水面同步移动，使紫外灯与水面距离相对不变，避免有较大空气层，从而保证紫外光被高效利用。

图2 浮动式UVLED水箱结构图

图3 浮动式与固定式UVLED灯实验装置示意图

4.1.2 浮动式UVLED灯结构实现形式

浮动式UVLED结构如图2所示，与水接触部分是一个浮球结构，起到固定紫外灯的作用，浮球的浮力需克服自身和UVLED灯的重量，可以浮在水面上方，并保持一个很小的距离。浮球用耐UV塑料制作，可以设计成两半球状，用超声波工艺焊接成一体，也可以用吹塑工艺来实现。紫外灯上下浮动时，导线收纳是关键，在运动过程中如果没有很好的收放，会使导线散乱，甚至卡住浮球，影响运动灵活性和可靠性。为了解决导线收纳问题，可以将导线设计成类似蚊香盘状螺旋线，当灯随水位上升时，线束可以有序地收纳在一个平面内；当灯随水位下降时，线束自动有序打开。导线本身收缩弹性较小，为使线束保持收放自如的弹性，较低成本方案之一是利用套管或热缩管将导线束缚在螺旋弹簧上，使导线与弹簧构成一体，形成一个螺旋导线。

4.1.3 浮动式与固定式UVLED杀菌效果对比测试

取水箱剩余一半水量为测试样本，加标水初始总菌落数为23100CFU/mL，浮动式UVLED灯通过浮球置于水面上方，固定式UVLED灯固定在水箱盖上，实验装置如图3所示。1#和2#水样用浮动式UVLED灯杀菌，杀菌灯始终距离水面近，杀菌效率高，照射时间约25min后，水里总菌落数降到100CFU/mL以下，达到国家饮用水标准；3#和4#水样用固定式UVLED灯杀菌，杀菌灯只能始终在水箱盖位置，距离水表面远，杀菌效率差，照射50min后，水里总菌落数才降到100CFU/mL以下。由测试数据可以分析，浮动式UVLED杀菌时间可以缩短一半，效率提升一倍，UVLED灯和塑料水箱的使用寿命都能相应得到延长。对比测试数据如表2所示。

4.2 UVLED技术在即滤型RO机中的应用

即滤型RO机是没有水箱，RO膜流量大，开机后反渗透膜产生的纯水，直接从龙头排出，紫外线灯对流动状态的水进行实时杀菌。由于水是流动状态，当龙头打开时，紫外灯要同步开启，并瞬间达到辐射强度峰值，这样流动的水才能得到有效杀菌。为了保证每次龙头放出的第一杯水总菌落数不超标，紫外灯的位置离龙头出水口尽量近，缩短非杀菌水路距离，提高杀菌效果。

4.2.1 传统紫外汞灯在净水龙头上运用分析

目前市场上净水龙头有使用传统紫外汞灯的案例，有的是把紫外汞灯模块串联在龙头进水口下方，现场安装不方便，紫外灯后面还有一段较长的非杀菌水路；有的是把紫外汞灯放在净水龙头主柱内部，龙头体积大，净水龙头与生活用水龙头尺寸差不多，占用台面空间，操作不方便，整体不协调。净水龙头用传统紫外汞灯设计有几个缺点：一是灯开启后不能瞬间达到峰值，由于接水时间比较短，当灯功率上升到最大值时，接水动作基本结束，对流动水杀菌效果不好；二是紫外汞灯不适合频繁启停，即滤型RO机使用场景通常是短时间用水后关掉，这样频繁启停的紫外汞灯寿命衰减快；三是紫外汞灯尺寸大，净水龙头体积小，两者结构尺寸不好匹配。

4.2.2 UVLED灯在净水龙头上的实现形式

UVLED灯具有能瞬间启动、可以频繁启停、尺寸小等特点，正好适合净水龙头末端杀菌的需求，可以把UVLED技术应用到净水龙头上，设计成新型的UVLED净水龙头，结构如图4所示。净水龙头由龙头主体和出水段两部分结构组成，根据龙头出水流量的大小来确定UVLED灯位置和数量，如果是小流量龙头，可以在龙头主体上方布置一颗UVLED灯；如果是大流量龙头，可以在龙头主体上方和下方各布置一颗UVLED灯。螺旋状石英管布置在两个灯中间，水路结构采用螺旋状设计，目的是间接延长水路，增加水被照射时间，提高杀菌效果。在石英管水路与龙头主体内壁之间有一层反射膜，如锡纸等，将紫外光反射回去再次利用，圆形状反射表面可以实现多次反射，这样紫外线被重复利用，进一步提高杀菌效果。

4.2.3 UVLED净水龙头杀菌效果测试

使用相同600G即滤芯型RO测试样机，出水末端换成UVLED龙头，其余测试条件相同，静置12小时后放出第一杯500ml水，测试总菌落数，五个样本出水的总菌落数均没有超过国家饮用水标准，并且还远低于标准值，测试数据如表3。

图4 UVLED净水龙头结构示意图

表2 浮动式与固定式UVLED杀菌效果对比测试

表3 即滤型RO机静置12小时后，UVLED龙头放第一杯水总菌落数测试

5 结束语

根据反渗透净水器的不同特点，对潜在细菌滋生的预防控制，UVLED可以有不同实现方案：有桶式净水器可以设计成浮动UVLED灯，与水箱水位同步变化，进行高效杀菌；即滤式净水器（无桶型）可以设计成UVLED龙头，在出水未端进行过流式杀菌。无论哪种解决方案，均能较好的预防控制净水器潜在的细菌污染问题。UVLED灯效率高、寿命长、尺寸小、节能环保，这几年正在被推广使用。由于UVLED技术较新，还没有被大规模应用，成本相对传统汞灯高些，但随着技术的成熟和制造效率的提高，其成本会进一步降低，在家用产品中将会有更多的应用。随着技术逐渐成熟，UVLED技术可以在净水产品或其他有杀菌需求的类似产品上被运用。