中压紫外线杀菌装置在锅炉补给水系统的应用

孙志超，王智慧，许敏

(国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

锅炉补给水系统在进行水处理时应用化学杀菌剂为杀菌的主要方式，虽然也具备较高杀菌效果，但是系统长时间的运行，细菌会产生较强的耐药性，残留的化学物质，会对反渗透装置的正常运行等产生不良的影响。同时根据相关的研究了解到锅炉补给水系统想要保障反渗透膜不会被氧化，需要投入大量的还原剂，会产生较高的成本[1]。从很多的系统运行案例上看，系统之所以不能正常运行都是由于还原剂投入不足导致反渗透膜被氧化，进而带来比较严重的后果。中压紫外杀菌技术选择的装置为高强度、长寿命的UVC波段过流式中压紫外杀菌装置，该装置在应用后，无论是从杀菌的效果方面还是经济效益方面都比较显著，替代了之前传统氯化消毒的方式。本研究中将这种中压紫外杀菌装置应用到锅炉补给水系统之中，通过实验得出这一装置在杀菌效果、经济运行方面的结果。

1 中压紫外杀菌原理及工艺流程

1.1 中压紫外杀菌技术原理

本文主要使用的中压紫外杀菌装置为UVC波段过流式中压紫外杀菌装置，254 nm的紫外光能对水体之中的细菌进行有效的破坏和阻止，从而达到杀菌的目的。为了防止细菌出现遗传、变异、代谢等作用，紫外光还能对核酸—脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)起到阻止的效果，防止其细菌与微生物之间合成蛋白质，使得细胞出现分裂，从而达到杀菌的目的。相对于低压紫外杀菌，中压紫外杀菌还能发射出更广的多波长紫外线，对于水体之中的微生物有机体、有机体复制现象等进行有效的破坏。

紫外杀菌的效果好坏直接与细菌所接收的照射剂量呈现正比关系，同时，紫外线的输出能量、灯的不同类型、光强、应用的时间长短等都与其有着直接的关联。多普连续紫外光的波长为200～300 nm，照射剂量在进行计算时主要应用以下公式：

从公式中我们可以看出：照射的剂量、照射的时间都与UVC的强度呈现出的联系比较大，照射的剂量如果越大，那么该装置消毒的效率也就会提高。细菌能够接受足够量的紫外光照射剂量，其通过水体中254 nm处波长紫外透光率输出光照，在UVC输出足够量的气压强度、照射的时间，细菌所接收到的剂量随着透光率的变化而随着变化[2]。

1.2 锅炉补给水处理系统紫外杀菌工艺流程

本工程所生产的水源主要是某城市的再生水，再生水的处理方式为：采用石灰软化的方式进行处理，将其称为循环冷却水补充水；使用双碱法的处理冷却水之后称为锅炉补给水源。经过调查这一水源的水质情况，发现该水中的原水悬浮物、浊度指标、水质等的结果都超过标准值。测试之后水体的透光率达到75%。因此，水体中的细菌含量没有达到相应的进水细菌指标中的相关要求，锅炉补给水处理系统进水细菌含量较高。针对某厂水质的情况进行分析，分析结果如表1所示。

表1 某厂水质分析情况

从表1中提到的水质情况、水体透光率来看，中压紫外杀菌设备在应用时，紫外线有效剂量在40 mJ/cm2以下，杀菌效果比较显著。

(1)与相关的紫外线杀菌器中使用的灯管进行比较，中压紫外线灯管所输出的波长范围更为广泛，通过光的氧化作用实现对有机物的分解，从而针对水质进行消毒和杀菌。

(2)中压紫外线的穿透率较高，甚至高达97%；对于单一的波长紫外线穿透率进行比较，其仅为75%，对于水的覆盖率也相对较小，杀菌的效果没有中压紫外线杀菌设备显著。

(3)中压紫外线杀菌设备从体积上看，其相对其他的杀菌设备明显要小，杀菌率可以高达99%，不会在之后产生二次污染的情况。

(4)中压紫外灯管的使用寿命较长，具有较高的性能，能够为支持整个水系统的处理工作提供支持。

2 运行效果及成本

2.1 实验方法

锅炉补给水制水系统中安装的中压紫外杀菌装置共1套，安装在系统的进水母管上、碟片过滤器前的位置上，紫外杀菌装置连接时主要应用管道法兰式进行连接。每一套装置中还有中压紫外灯，强度在4 kW，每套的设备最大流量为300 t/h，其中还专门设置了小孔，用于观察紫外灯套管是否发生结垢的现象。为了彻底对锅炉补给水系统进行细菌的杀毒，需要配置专门的物理清洗系统，即本文主要对DPM物理清洗的系统，该系统可以采用手动启动的方式，也可以采用阈值自动清洗的工序。每一套的设备上分别预留了CIP清洗阀，这一清洗阀在与化学清洗的装置进行连接后，共同为锅炉房进水和出口的安全性、清洁性保护驾护航。应用化学清洗装置对其进行酸洗工作[3]。紫外灯管的外面还专门设有石英玻璃套管，在该系统停止运行的过程中需要对进行单独的清洗。

由此可见，中压紫外线装置中设有两个系统，这两个系统的模式是不同的、是独立存在的。这些系统的存在和应用能够发挥出节能的效果，促进整个系统的运行。第一，中压紫外系统结合所设定的功率开展有序地运行。第二，紫外系统在开启节能模式时，可以借助水透光率、水流量等进行灵活的调整。当系统在检测到＞30 t/h的水流量时，紫外系统可以开始自动的投运，从而达到最终的杀菌效果。当系统检测到＜30 t/h的水流量时，紫外系统将会自动的停止运行，目的就是避免该设备出现过热的情况发生烧断的现象，从而带来更大的风险。实验时，专门的人员负责对该系统不同位置的水进行无菌抽样，再将这些不同位置的水样分别放进无菌取样袋之中，在一天之内对水样中的细菌进行分析，最后得出相应的结果[4]。

2.2 实验结果

2.2.1 紫外剂量越高，杀菌效果越明显

超滤系统中的中压紫外线杀菌装置(装置1)中其流量观察值为：(600±10) t/h。开启功率的模式，其紫外灯工作的效率呈现越来越高的情况，即为20%、45%、65%、85%、100%，紫外光剂量主要为：15/25/35/45/65 mJ/cm2。针对超滤系统中中压紫外线杀菌装置中的进水口和出水口，取样分析其总的菌落数量。根据相应的观察我们了解到紫外剂量越高，其杀菌的效果越来越明显。菌落总数为45 CFU/mL的来水和35 mJ/cm2的紫外剂量，其水菌落总数明显低于45 CFU/mL的来水和35 mJ/cm2以上的紫外剂量，其杀菌率甚至可以高达100%。

2.2.2 进水流量与杀菌效果之间的关系

以上的超滤系统中中压紫外线杀菌装置主要以功率模式进行稳定运行，紫外灯的工作效率控制在65%。进水流量进行全面控制，其水流量假设为对300 t/h、350 t/h、400 t/h、450 t/h、500 t/h、550 t/h、600 t/h。根据进水口和出水口的菌落总数进行取样分析，发现超滤系统中的紫外线装置杀菌效果出现了以下的变化。

实验中了解到：水流量越来越大，杀菌的效果反而会越来越弱。菌落总数为40 CFU/mL 的来水，如果水流量大于600 t/h，在如此高的水流量面前，水菌落总数则小于10 CFU/mL。当紫外灯输出的功率呈现比较稳定的情况，如果进水的流量小，紫外剂量大，则控制较小的流量可以一定程度上提升杀菌的效果[5]。

2.2.3 紫外线作用区域出现的菌落总数

在进行实验时，将来水水质进行控制且保持不变，调整8个工况。其一，将所有的中压紫外线杀菌装置进行关闭；其二，将超滤(装置1)中的紫外装置处于开启的状态，其他的都处于关闭的状态；其三，将超滤(装置2)中的紫外装置保持开启的状态，其他的装置则为关闭的状态；其四，反渗透系统中(装置1)紫外装置可以处于开启的状态，其他的装置则为关闭的状态；其五，反渗透装置系统中(装置2)紫外装置处于开启的状态，将其他的装置进行关闭；其六，将反渗透装置系统中(装置3)紫外装置处于开启的状态，其他装置为关闭的状态；其七，超滤系统中的(装置1)和超滤系统中的(装置2)紫外杀菌装置共同开启，将反渗透系统中的所有装置进行关闭；其八，超滤系统中(装置1和装置2)以及反渗透系统(装置1)紫外杀菌装置开启，其他的都关闭。每一个工况持续运行一天的时间，并保持每一个系统装置都以同功率模式进行运行。取样时分别对该设备的进水取样阀、出水取样阀、反渗透进水的取样阀和出水取样阀、超滤系统中的水箱、前池中的紫外装置进行一一的取样，并得出菌落总数。

紫外装置如果同时的开启其杀菌的效果更为显著。当来水在经过超滤系统和反渗透系统中的紫外线杀菌装置时，这些装置共同开始水的处理工作，对于后端的反渗透系统其残留菌数呈现了比较低的现象(工况8的情况)。除了单独开超滤紫外线杀菌装置或者单独开反渗透紫外线杀菌装置，其他工况情况都比较显著，杀菌的效果要高于前两种。

2.2.4 延长运行的周期，分析杀菌的效果

超滤系统中的紫外线杀菌装置(装置1)、超滤系统中的紫外线杀菌装置(装置2)、反渗透系统中的紫外线杀菌装置(装置3)、反渗透系统中的紫外线杀菌装置(装置4)等处于开启的状态；反渗透系统中的紫外线杀菌装置(装置5)中处于关闭的状态。超滤紫外线杀菌装置都以同功率模式运行，反渗透紫外装置则应用了节能的模式[6]。长期运行6个月，定期对反渗透系统中紫外杀菌装置的菌落进行分析，检测其水质的情况，检测反渗透系统长期运行时的整个状态等。

(1)夏季与冬季微生物发生污染的情况

设备运行过程处于夏季(9月份)，这时的来水微生物相对较多，即菌落总数达到了200 CFU/mL，紫外系统能够对水中的微生物进行有效的杀灭。从反渗透进水的菌落总数和反渗透浓水之中的菌落总数进行分析，其总数则控制在10 CFU/mL。设备在冬季运行后，由于冬季微生物相对较少，超滤和反渗透系统在正常运行过程中，没有发现微生物污染的情况。

经过试验了解到，一级反渗透保安过滤器压差月平均数据中的记录中提到：保安过滤器在连续运行几个月之后，运行的压差并没有发生波动或者异常的现象[7]。而保安过滤器之所以在运行过程中会产生较大的压差或者异常现象，其与污染颗粒堵塞、微生物出现较大污染等有直接的关系，而本次的实验研究了解到水体内的细菌和悬浮指标均在要求范围内，水质并没有降低。这就可以看出，中压紫外杀菌设备在应用时具有良好的杀菌效果。

(2)反渗透膜组件发生微生物污染的情况

表中主要针对反渗透系统的脱盐率进行的统计，反渗透系统中通过加入适量的杀菌剂以对里面的微生物进行有效控制。反渗透系统中的中压紫外线杀菌装置(装置3)中脱盐率在96%～98.40%范围内产生波动；反渗透系统中的中压紫外线杀菌装置(装置4)中脱盐率在96%～98.6%范围内产生波动；反渗透系统中的中压紫外线杀菌装置(装置5)中脱盐率在97%～98.6%范围内产生波动。装置4和装置5中的波动大致相同，这就能充分说明锅炉补给水系统中来水在进行处置时，紫外线杀菌的效果与杀菌剂给药产生的效果并不是很大。装置3和装置4中的反渗脱盐率并没有大幅度的领先于装置5，仅仅是来水之中微生物呈现了减少的情况。

由表2我们可以得出：3个旧反渗透脱盐率均在98.4%以上，回收率也超过了8.8%，相对于新的反渗透膜进行比较，脱盐率为99.7%，回收率9.0%相比，其性能逐步的衰减。这就可以充分的说明紫外杀菌系统在持续的运行过程中，反渗透膜组件并没有发现微生物污染的情况。

表2 反渗透膜组件性能的测试

2.2.5 运行成本的计算

中压紫外线杀菌装置在锅炉补给水系统中应用后，由于其采用了节能的模式，其从耗材、耗电量进行计算，其运行成本较低，具有较高的经济价值[8]。

第一，年耗电费用的计算。中压紫外杀菌装置中主要的耗电设备为灯管。即运行过程中其灯管耗费的成本为：1支×4 kW·h/支×24 h×365天×0.5元=1.8万元。 如果这一工程使用的灯管较多，则在此基础上乘以个数就可以。

第二，中压紫外线杀菌装置灯管耗材的费用。每一支灯管每一年需要进行更换，更换的次数为1次，每年工作耗时为当年2/3时长，如果灯管的单价费用为2.2万元，那么这一支灯管需要耗费材料费用为2.2万元×1支×2/3=1.47万元。

第三，计算直接运行产生的成本。每小时按照每立方米200元进行计算，一吨水产生的直接成本为0.036元，相比于之前使用的化学药剂来看，其杀菌的费用明显要低。因此，从以上费用计算的结果上看，锅炉补给水系统之中使用中压紫外线杀菌装置具有较高的经济价值。

3 结语

由此可见，本文针对锅炉补给水系统的水处理情况进行分析后，得出利用中压紫外线系统对来水进行有效的杀菌，可以达到降低微生物污染的问题。25 mJ/cm2以上的紫外剂量处理600 t/h的最高流量，其来水菌落总数呈现了逐步下降的趋势，即从35 CFU/mL下降到10 CFU/mL。同时将超滤紫外装置和反渗透中的紫外装置进行开启，获取的杀菌效果更为明显。在持续的运行紫外装置后，其结果显示中压紫外杀菌装置能够有效地替代之前使用的药物杀菌方法，能够降低水质波动的现象。整套的中压紫外系统在运行过程中所获取的经济效益较高，成本得到了有效地控制，尤其是这种中压紫外线杀菌装置可以减少还原剂和杀菌剂的重复、多次使用，延长了反渗透组件的使用寿命，其经济效益和产生的环境效益等更为显著。本文的研究将对锅炉补给水系统的正常运行和提升水质等提供重要的参考。