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【极智课堂】李梦凯:紫外反应器设计要点简述

2020-03-11 文章来源:中国半导体照明网 阅读原文

 

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国、极智头条,在国家半导体工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到中国科学院生态环境研究中心副研究员李梦凯带来了“紫外反应器设计要点简述-紫外线消毒手册(9章)”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、介绍


本次分享主要内容是关于James Bolton教授在2008年编著的《紫外消毒手册》的第九章内容。

James Bolton教授是国际著名的光化学家,紫外消毒领域的权威,国家紫外线协会(IUVA)的创始人和首届执行主席。博士毕业于剑桥大学,先后在尼苏达大学、加拿大西安大略大学和阿尔伯塔大学任教。James Bolton教授编著的很多本教材,在国际紫外线领域都备受推崇。

本次分享内容是按James Bolton教授的教材编的。主要是根据USEPA出版的UVDGM(第三、四章),对紫外反应器设计要点进行简述。

二、基础设计要点

消毒目标(Disinfection Goals)

在设计开始之前,应确定义紫外线设备的目标。这将确保设计的反应器达到客户(如政府相关部门)的需求(法规规定的消毒效果、特定目标致病菌、符合总体消毒策略)。

法规要求(Regulatory Requirements)紫外线消毒的法规要求会有所不同。

不同国家,不同的目标水体,法规的要求是不一样的。要具体的查找法规要求,达到一个合格的紫外线消毒剂量。

目标病原体(Target Pathogen):紫外线设施的设计也将取决于目标病原体,不同目标病原体所需紫外剂量不同。

并不是所有的工程项目都要求做广谱型消毒,任何一项消毒技术都不能高效灭活所有的致病微生物。在饮用水消毒领域提出了新的概念,也就是多重屏障消毒。利用多个消毒技术组合,对所有的致病微生物都能达到一个高效的灭活。

例如,传统以氯为消毒的水厂,在北美有很多案例,他们需要进行升级改造,以针对原水中的隐孢子虫,这时多数致病微生物都可以被氯消毒,紫外线的目的只是消毒隐孢子虫,在这种情况下,不需要遵循消毒标准时候中所规定40毫焦每平方厘米的要求了,只需要达到对隐孢子虫四个对数的灭活即可。

所以确定消毒目标时,以目标病原体的消毒剂量确定实际紫外线所需要的消毒剂量。

消毒方法(Disinfection Strategy):公用事业通常旨在提供多重障碍来降低微生物风险,同时最大程度地减少DBP的形成(USEPA 2006)。


三、关键设计要点

紫外线透过率(UVT)

UVT是设计紫外消毒中最重要的水质参数。如果透过率很低,就无法辐射到距离灯管较远地方的细菌,会造成消毒的风险。

设计紫外线反应器时如选用保守的UVT范围(较低值),则多数时间能源浪费。如选用UVT过高,会导致消毒安全风险。

UVT测试波长需根据应用光源而定。UVT数据输入辐射场模型获得辐射强度分布数据,结合CFD模拟可获得辐射剂量数据。

Bolton教授研发UVCalc模型,可计算不同UVT值下,紫外辐射强度分布情况。2011年,我们研究组研发的荧光微探头技术,准确测定了不同UVT值下的辐射强度分布,对各模型进行了验证和改进。

结垢因子(Fouling Factor)

在紫外线反应器实际运行当中,紫外灯管的石英套管表面会发生显的结垢现象。从而强烈的阻止UV辐射出来。

右下图为某地自来水紫外线消毒反应器中的测试数据,可以看到,如果不加清洗系统,两周内紫外线辐射强度就会衰减到原来的50%左右。套管结垢因子是反应器设计时必须考虑的一个因素。

套管和传感器窗口结垢(sleeve and sensor window fouling),结垢通常是由于具有低溶解度的化合物沉淀引起,其为溶解度随温度或ORP(氧化还原电位)升高而降低的化合物(例如铁化合物)。

因此,需要评估不同水体的套管结垢因子,套管结垢因子的评估方法是目前研究的难点。

下图左为美国Carolo公司相关套管结垢评估的测试装置,右图为中科院研发的紫外反应器结垢因子测试系统,将不同水的结垢因子测试出来,从而指导反应器设计。

紫外灯老化因子(Aging Factor)

随着紫外线设备运行时间的增加,紫外线灯、套管和传感器窗口会老化,这会导致紫外线剂量随时间的推移而减少。汞蒸气灯的紫外输出的降低取决于运行时间、开/关次数、水温等。

从左下图可以看出,紫外低压汞灯的运行光输出会随时间的延长而发生下降。水温对于紫外灯输出也有非常严重的影响,紫外线反应器使用过程中会经历冬天、夏天,也可能会用到南方、北方,水温是有区别的,这个因素也需要在设计中考虑到。

流量(Flow)

最大流量是最关键的设计参数,它将用于设计所需的紫外反应器的数量和灯管数量。平均流速和最小流速也有利于设计紫外反应器的调节能力以优化运行成本。根据流量的不同,可以设计相应的策略,开关灯管的数量不同,从而达到最优的运行模式。在这部分,UV LED 可以发挥非常大的优势,灯具的启动时间短,而且功率线性可调,这些都是LED有优化潜力的部分。

四、电源和电力系统

电源供电质量(Power Quality):根据造商的不同,紫外线设备对电源质量(例如电压骤降/骤升或电源中断)的要求不同。这些电源供电意外可能导致紫外灯失去光弧(即紫外光输出)。

电源(Power Supply):电源应考虑所选紫外线设备的电源负荷要求,消毒目标和电源质量。除高负荷水泵外,来自紫外线反应器的电负载通常是水厂最大的电负荷。

五、水力设计和位置布局

水力设计(Hydraulics):水力设计会影响紫外线反应器的性能和水力状况,紫外线设施的水头损失主要包括:(1)紫外线设备水头损失(0.5-3 ft 之间);(2)进出水管道的水头损失。

进出水管道设计必须使紫外反应器的辐射剂量大于生物验证时的辐射剂量。

管道配置和设施布局(USEPA, 2006):紫外线反应器的数量,容量,尺寸和配置;水平/垂直安放;反应器和电控系统的距离;相邻反应器间有足够的距离,以便进行维护(如更换紫外灯);前后连水管对紫外反应器水力学的影响;起重设备及存放备件和化学品的空间(如果需要)。

六、费用预算

紫外线反应器的费用预算通常包括:基建费用以及运行和维护费用。

基建费用:紫外线反应器、建设(如有必要)、泵(如有必要)、电气和测试仪器设备、现场安装、承包商的间费用和利润、中试测试(如有必要)、验证费用(如有必要)、工程费用、法律费用和管理费用。

运行和维护费用:每年维护人工、能耗、设备(紫外灯)更新费用。

七、 利用模型优化设计紫外反应器

CFD模型(流场)与辐射模型(光场)耦合不仅能够估计某一反应器的等效剂量(RED)并与生物剂量测试相互比对,而且还能获得UV剂量分布曲线,进一步优化反应器结构。

当紫外反应器无法遵循UVDGM设计建议时,可用模型评估消毒效果。如:

(1)通过模型可以评估,如进出水管道结构无法遵循UVDGM的设计时,水力学对紫外反应器的消毒效果的影响。

(2)通过模型可以评估,如紫外线厂商选用新的紫外线灯管/套管,紫外消毒器消毒效果的变化。

关于中国科学院生态环境研究中心


问答环节

1.目前紫外消毒及高级氧化技术在水处理中的应用最新进展有哪些?目前UV LED在水处理领域进展如何?

李梦凯:国外紫外线消毒应用已经非常成熟,国内最前沿的进展主要在于消毒安全性方面的进一步提高,让大家对紫外线消毒更加有信心。

新冠疫情过程当中。有很多关于消毒技术的讨论。关于紫外线的一个突出问题,是大家对紫外线并不是很信任,在消毒过程中,由于对紫外线不了解,对它的运行不熟悉而导致一些问题。在紫外消毒过程中,如何保障消毒安全性,发展监控技术、检测技术是目前最为急需的一些前沿热点。

高级氧化技术方面,现在主要还是寻找应用,能够如何高效的去除水中的微量污染物。包括饮水中微量污染物,市政污水中一些微量有毒有害的物质,再生水当中的一些处理,这都是最前沿的。国际上大量科学家都在尝试采用这种高级氧化技术。

LED近些年发展非常迅速,国际紫外线协会特别重视发展LED,他们最新的研究成果主要在一些小型的,比如分散式的水处理,家庭式水处理以及特殊场合水处理,比如太空领域的水处理的一些设备,由于空间有限,用小型的UV LED效果非常好。

在常规水消毒,比如饮用水、污水、再生水领域,由于UV LED效率比较低,发展还是比较缓慢。希望UV LED的光电转换效率能够进一步提高,相信未来五到十年,就能够有很好的应用。

2.作为国际著名的生态环境研究机构,如何看待UVLED在水处理市场应用前景?

李梦凯:水处理领域来看,前景宽广,UVLED有很多独特优势,比如光谱非常灵活,可以调不同的输出波长,对一些细菌病毒的灭活非常有优势。体积小,在反应器设计光场均匀分布情况下,效果有很大优势。无汞环保,启动快,可以灵活调节消毒剂量,效果显。

3.紫外线杀菌灯存在结垢等因素会降低辐剂量,那么应该过量射多少来保证有效杀菌呢?您也提到过度射会有不必要能耗,大致紫外灯的安置密度要比杀菌额定高多少比例比较合适?

李梦凯:这是大家都很关注的点。首先我们要关注UVT、套管污染以及灯管这三项主要的因素,尽量通过实验或者评估来预估问题有多少,然后进行设计,这是最科学的方式。

但实际安装的时候会遇到没有办法测试的问题,在我国的消毒标准里实际是有建议的,也就是紫外线消毒老化系数,一般评估一个值以及套管污染有一个建议值。大家可以查阅一下相关标准。

紫外线消毒是科学含量比较高的技术,建议还是进行科学的评估,包括UVT,灯管儿老化。套管污染,这三项进行科学评估,获得一个值,是最科学保险的方法。大量消毒设施没有进行科学评估,这也导致紫外线消毒被很多专家学者误会。

4.您提到电压因素以及供电系统因素会导致光源失效,那么实际这些水厂采用哪些手段来监测紫外灯是否达标,毕竟在模型里电压等供电问题是最不可控的。

李梦凯:这是一个运行过程中的长期监测。一般来说,反应器安装有一些紫外线的监测探头,一旦灯管发生问题不亮了,或者亮度没有达到要求,那么紫外线探头会进行实时响应,然后在线输出辐射剂量。在大型饮用水厂、污水厂等安全要求比较高的领域,是有备用模块的。如果一旦发生灯管出现问题或是消毒不达标的情况,他们会及时启动备用模块,保证消毒效果。

5.请问国际水厂是否都已经采用紫外线方式杀菌? 国内水厂或污水厂 目前主要杀菌是通过什么方式,是否有用到这套紫外线杀菌?

李梦凯:紫外线水消毒中的应用情况,要分不同地区来看。欧洲的基础设施包括管网建设非常好,他们对于消毒的要求非常高,紫外线推广非常广,大概有3000多个,应用也非常早。

北美方面,2006年美国推行USEPA规定之前,大概有10%的饮用水厂采用紫外线消毒。推行标准出来之后,就推荐采用紫外线了,应用更加广泛、。

国内而言,紫外线技术推广还比较慢的,对紫外线的基础研究和应用经验还比较缺乏。目前为止,应该大概有20多座饮用水厂使用紫外线消毒,大部分都集中在东部发达地区。对于饮用水要求比较高,对于消毒副产物对身体的危害认识比较清楚,所以紫外线用的非常好。但要在西部以及一些分散性供水还有很大的市场和前景。

我国市政污水市场非常大,“十一五“、”十二五”这十年我国大概建成了三四千座紫外线消毒设施。由于紫外线污水消毒的管控不是很严格,所以运行没有严格按消毒手册上说的进行。导致消毒效果问题很多。国内对于紫外线消毒是否能在污水当中应用有很多质疑,我们也在努力的在做这些事情,能够让紫外线更好的应用。

6.紫外透线透光率UVT的测试有标准测试设备在市场出售吗?

李梦凯:关于UVT测试,实验室测试设备用最传统的仪器就可以,把波长调到要求的253.7nm或是278nm、265nm都是可以的,测试样品装的就是一厘米的,测出来数据就是我们的位置。

长期的在线监测UVT,在我们运行当中也是很需要的。这个仪器现在只有254的。其它波长的uvb在线监测现在恐怕还没有,主要是相关的光源可能还不是很好,开发是我个人的理解。

7.UV LED毕竟不是253.7nm的波长,能正常供货的在278nm左右,在278nm的的紫外消毒比汞灯需要的剂量是高了,还是低了,大概相差比例是多少?

李梦凯:根据不同的致病微生物有不同,区分细菌还是病毒、或是大型原生动物,消毒目标不同,结果也不同。对于细菌来说,278nm应该比254nm要低一些。对病毒来说,要比254nm略好一些,需要根据实际情况来讨论。

8.紫外线辐剂量在不同的应用场合剂量大不相同,这个一般有什么行业参考标准,如果实际评估杀菌效果,把紫外灯模组化、模块化设计、应用在不同的应用场景,会不会是一个简单高效的方案?

李梦凯:关于消毒标准,我们国家在2005年颁布了《GB/T 19837-2005 城市给排水紫外线消毒设备》,做了相关规定,根据标准设计应该没什么问题,如果有特殊要求,比如灭活隐孢子虫,可以按相应的要求。

目前,紫外线消毒基本都模块化了,按不同的流量安装不同的模组模块。基本上都是这样设计的。

(文字根据直播内容编辑整理,略有删减,仅供参考)

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