如今，全球很多國家對(duì)供水系統(tǒng)安全問題給予了高度關(guān)注。尤其是近些年人們對(duì)于飲用水的消耗增加，這就需要對(duì)消毒技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化和完善，以適應(yīng)當(dāng)前的社會(huì)形勢。紫外線技術(shù)作為一種物理消毒技術(shù)不會(huì)對(duì)最終水體帶來二次污染，因此，在當(dāng)前的水處理領(lǐng)域受到重視。

相關(guān)學(xué)者對(duì)紫外線滅活水中的病原微生物已進(jìn)行了多次研究，但是關(guān)于紫外線消毒管網(wǎng)生物安全性的研究尚處于起步階段。紫外線消毒管網(wǎng)生物安全性同樣不可忽視，供水管網(wǎng)中的有毒病原體如果不能得到很好的控制和處理，同樣會(huì)給整個(gè)城市的供水系統(tǒng)帶來巨大的危害。

為了能夠保證管網(wǎng)水質(zhì)的安全性，需要顯著增強(qiáng)飲用水生物穩(wěn)定水平，而提升該穩(wěn)定性的關(guān)鍵就是要對(duì)給水管網(wǎng)中的相關(guān)有機(jī)營養(yǎng)物含量給予控制。對(duì)該生物穩(wěn)定性進(jìn)行標(biāo)價(jià)的指標(biāo)分別為AOC與BDOC，前者對(duì)應(yīng)的是可同化有機(jī)碳(assimilable organic carbon，AOC)，后者為生物可降解溶解性有機(jī)碳(biodegradable dissolved organic carbon，BDOC)。通過相應(yīng)的水處理工藝對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)濃度進(jìn)行控制，就能很好地減少微生物在相應(yīng)管網(wǎng)中的再生能力，進(jìn)而有效地增強(qiáng)相應(yīng)微生物的控制效果。

在飲用水管網(wǎng)通道中，微生物的再生長與AOC指標(biāo)關(guān)系密切。但是，由于試驗(yàn)條件具有差異性，且紫外線劑量的確定方法缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，使得相關(guān)研究人員很難得到準(zhǔn)確結(jié)論。 本次試驗(yàn)通過利用軟件模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的手段，詳細(xì)探究了紫外消毒技術(shù)對(duì)管網(wǎng)水中AOC、TOC的影響。

結(jié)果分析

1 不同UV劑量下樣品AOC的變化

不同UV劑量下UV消毒出水的AOC濃度變化

研究指出，在具體常規(guī)劑量下，紫外線對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)有著較小的影響，不會(huì)帶來水體中AOC濃度的顯著改變，但在高UV劑量條件下，水體中含-COOH鍵等有機(jī)物質(zhì)在紫外線催化下，會(huì)形成相應(yīng)的羥基自由基，然后和水體中相關(guān)有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而使AOC濃度開始有了顯著改變。

2 不同UV劑量下樣品TOC的變化

不同UV劑量下UV消毒出水的TOC濃度變化

高UV劑量在降低TOC濃度的同時(shí)，將大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，從而增大了AOC占TOC的相對(duì)比例。中高強(qiáng)度的UV劑量會(huì)增加水中的AOC濃度，可將水中大分子有機(jī)物進(jìn)行分解，進(jìn)而可被微生物利用。

3 不同UV劑量下樣品三維熒光圖譜的變化

濾池出水(f-0)的三維熒光圖譜

研究表明，類蛋白有機(jī)物對(duì)高功率長停留時(shí)間更敏感，但與此同時(shí)，大分子有機(jī)物在此條件下被分解為分子量相對(duì)小的富里酸有機(jī)物。

結(jié)論

本文通過建立基于計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)CFD模擬的紫外消毒反應(yīng)器模，求解紫外消毒反應(yīng)器在不同燈管設(shè)置和不同進(jìn)水流速下的UV平均劑量，探究不同紫外輻射劑量條件下出水水質(zhì)的變化情況，結(jié)論如下。

(1)紫外消毒反應(yīng)器模型中光強(qiáng)分布不均勻，燈管之間的區(qū)域紫外線強(qiáng)度比較高，最高紫外劑量區(qū)域在燈管壁四周，最低紫外劑量區(qū)域出現(xiàn)在反應(yīng)器壁附近。4種試驗(yàn)條件下的UV光強(qiáng)基本一致，其原因可能在于反應(yīng)器單位體積內(nèi)的液體所接受的UV光強(qiáng)已達(dá)到光飽和的狀態(tài)。低壓UV燈輻射之下達(dá)到一定光強(qiáng)后，更換高功率的UV燈不能提高液體媒介所接受的UV光強(qiáng)。

(2)基于UV光強(qiáng)采用Fluent軟件通過UDF文件將光強(qiáng)分布導(dǎo)入模型中，計(jì)算得AT條件下UV平均劑量為138.26 mJ/cm 2、MTA條件下UV平均劑量為260.88 mJ/cm 2、MTB條件下UV平均劑量為273.91 mJ/cm 2、HT條件下UV平均劑量為471.64 mJ/cm 2。

(3)高UV劑量(471.61 mJ/cm 2)可分解水中的有機(jī)物，降低出水TOC； 高UV劑量在降低TOC濃度的同時(shí)，可將大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，從而增大AOC占TOC的相對(duì)比例。

(4)UV出水AOC濃度隨UV劑量增加[由適量(138.26 mJ/cm 2)，中等(260.88 mJ/cm 2)，高劑量(471.64 mJ/cm 2)] 的趨勢走向是增大的。若是紫外線計(jì)量在常規(guī)下，它對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)帶來較小的影響，不會(huì)使水體中AOC濃度產(chǎn)生明顯改變。但在高UV劑量條件下，水體中相關(guān)物質(zhì)在紫外線催化之下就會(huì)形成羥基自由基，進(jìn)而和水體中有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，使得AOC濃度相應(yīng)增加。

(5)三維熒光光譜圖顯示，類腐殖質(zhì)類有機(jī)物和類蛋白質(zhì)類有機(jī)物對(duì)UV輻射附著較為敏感，增加UV劑量可降低該種大分子量的有機(jī)物；當(dāng)將UV提升至高UV劑量(471.68 mJ/cm 2)，大分子有機(jī)物在此條件下被分解為分子量相對(duì)小的富里酸有機(jī)物，富里酸熒光(B區(qū)和D區(qū))指紋有所增加。

(6)當(dāng)UV劑量達(dá)471.68 mJ/cm 2時(shí)，在同等強(qiáng)度的UV光強(qiáng)下， 較長的停留時(shí)間令更多的大分子量有機(jī)物分解為分子量相對(duì)小且可被微生物吸收利用的富里酸有機(jī)物，從而增加了飲用水水質(zhì)的微生物風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議生活飲用水UV消毒，應(yīng)采用劑量MTB 為273.91 mJ/cm 2、短停留時(shí)間的方式，降低飲用水水質(zhì)的微生物風(fēng)險(xiǎn)。

本文紫外消毒技術(shù)成本低，對(duì)用氯消毒污水(5 萬t/d)，需建有一個(gè)130 m×3 m的接觸渠。采用UV消毒只需20 m×3 m的面積；且同等效果下，氯消毒會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，而紫外消毒不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物。因此，本技術(shù)在原有的技術(shù)水平上進(jìn)行提升，可操作性強(qiáng)，為我國飲用水消毒技術(shù)的研究和發(fā)展提供了一定的理論意義和技術(shù)支持。

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周 娜1，孫志民2,*，盧 靜1

編輯：魏雨晴

排版：曹澄瑩

校對(duì)：黃如詩