紫外线消毒工艺中影响辐射场的关键因素及真空紫外线的应用研究

发布时间：2020-05-03 19:24

【摘要】：近年来,紫外线(Ultraviolet,UV)作为一种高效低成本、操作简单、无需化学药剂添加的水体消毒技术在我国被大力推广。同时,基于紫外线的高级氧化技术也备受工业和学术界的关注。实际运行过程中,消毒/处理效果由紫外线剂量(UV dose)所决定。若无法提供足够的剂量,消毒/处理效果将显著下降。此外,紫外线消毒技术存在一个明显的缺点:经紫外线消毒后的微生物,在一定条件下可能产生复活现象。本论文针对紫外线水消毒工艺中影响辐射场的关键因素及真空紫外线的应用进行了研究,得到以下主要结论:(1)灯管的辐射模式(光束从灯源离开的方式)是紫外线辐射场模型计算结果的主要影响因素。研究通过与实测结果对照,分析评估三种基础辐射模式,分别为Radial模式、Specular模式和Diffuse模式。结果表明:采用不同功率的低压汞灯进行三种辐射模式的评估结果相似。在整个研究范围内(0r4.5L),Radial模式计算所得灯管中垂线上平行辐射照度E_p(平行于灯管面上的辐射照度)随径向距离r增大而逐渐偏离其他辐射模式及实测值,而该模式定义的垂直辐射照度E_n(垂直于灯管面上的辐射照度)失真简化为0;Diffuse模式与Specular模式(包括两种模式+几何修正系数k)相比Radial模式与实测值更能达到较高匹配程度。在r1.5L范围内,修正后的Diffuse模式+几何修正系数k计算所得E_p的精确度更高。8 W灯模拟预测值与实测值的平均相对误差为1.8%,20 W灯为1.15%,40 W灯为4.5%,更适合用于描述实验条件下的辐射场。(2)本论文建立了两种灯管排列方式的紫外线反应器模型,对美国环境保护协会(U.S.Environmental Protection Agency)在1986年提出的一种计算紫外线反应器内平均剂量率的方法进行分析。据了解,目前国内还有厂家在使用此方法。验证结果显示,该方法误差较大,只是简单的估值计算,存在一些不足,不再适用于目前的实际工作指导。(3)本论文通过建立不同的灯管散热条件,探讨了温度对辐射照度测量及紫外线输出量产生影响。结果显示,温度的变化对紫外线输出量影响非常大,相对温度(T_(air))降低2℃左右,紫外线输出量下降约20%。(4)紫外线剂量本质上由灯管的紫外线输出量(UV output)所决定。目前还没有报道提出过测量水下低压汞灯紫外线输出量的方法。本论文基于化学曝光剂的原理,开发了一种能够在水下测量辐射照度的化学曝光剂计量皿。计量皿是一个含有KI/KIO_3溶液的1×1×4 cm~3密封容器。利用该化学曝光剂计量皿以及参考国际紫外线协会推荐的方法,提出了一种在水下测量紫外灯与石英套管组合释放的紫外线输出量(254 nm)的方法。这个方法有两个特征:(a)一是将国际紫外线协会推荐的空气中低压汞灯紫外线输出量测量方法拓展到水体中;(b)二是可以精确测量和计算在水中紫外灯管所释放的输出量。实际结果显示,化学曝光剂计量皿有较高的精确度。内部溶液是否保持均匀性对测量值无显著影响。在254 nm透光率(UVT)分别为95.5%和89.1%的水体中,一支8 W低压汞灯所测紫外线输出量的相对误差为1.73%。(5)低压汞灯能同时释放185 nm和254 nm波长的紫外线。185 nm波长真空紫外线具有高级氧化技术的能力,但消毒应用时通常将185 nm紫外线屏蔽。本论文通过建立UV灯(仅释放254 nm紫外线)与VUV/UV灯(同时释放254 nm和185 nm紫外线)同等条件下的对照实验,进行185 nm紫外线提高消毒效率和有效控制细菌复活能力的验证。对污水中的总细菌或纯菌种菌悬液的大肠杆菌,UV灯与VUV/UV灯均能在短时间内达到高对数灭活率。实验条件下,30 s内两灯对总细菌的对数灭活率为5.63个对数级和4.95个对数级。15 s内两灯对菌悬液中大肠杆菌的对数灭活率均在5个对数级以上。VUV/UV灯在处理一定浊度的污水时在前期较UV灯存在优势。实验验证了185 nm真空紫外线对大肠杆菌光复活的有效控制,且定性证明了其对污水中总细菌复活的抑制作用。
【图文】：

配套元件,紫外灯,低压

长安大学硕士学位论文出量受操作温度影响，通常在 40℃左右最佳[14]。一般光电转化率 ηUV由于灯管损耗、制作材料及工艺等原因较低。国产低压高强灯的 ηUV一般能到 30～40%eraeus(德国)、Light Sources（美国）、Philips（荷兰）等知名国外品牌所产灯 40～50%[59]。低压高强灯也属于低压灯，是低压灯的改良形式，相较于低压灯～3 倍的紫外线输出量。此外，汞蒸气气体放电灯有负阻特性，必须通过配套子镇流器驱动。镇流器的质量也会决定 ηUV的大小[60]。常用低压灯为直管线型配电极，一端与标准镇流器匹配，见图 1.1 所示。在水下时为保护电器元件，壁结垢，通常采用紫外线释放性强的石英套管作为保护，此时水温也会对灯管出量产生影响。

辐射模式,紫外灯

第一章绪论紫外线强度分布数学计算模型因研究者考虑的影响因素不同（如灯管简化方式、光发射方式、介质吸收、反射、折射等）或选取坐标方式不同（圆柱坐标、球坐标等），现多种多样的表达方式，适应于不同的环境条件。常用的紫外灯管为直线灯管，如直形低压汞灯，即有实际几何体积的圆柱形直线灯管[63]。为方便计算通常将灯源简化为维线光源[63-64]，直线长度与灯管长度相等[65]。通过对研究者们以往提出的辐射场数学型进行分析，总结出常用的三种线光源辐射模式，见图 1.2 所示。分别为径向辐射模（Radial model[66]）、镜形辐射模式（Specular model[63]，，也可称为 Spherical model[66]）、散辐射模式（Diffuse model[63]）。辐射模式是紫外线强度分布模型精确度的主要影响素。描述辐射场的紫外线强度通常有辐射照度 E 与剂量率 E0，讨论平面上辐射场通使用辐射照度 E，讨论空间被辐射点时通常讨论剂量率 E0[67]。数值计算模型所计算得的辐射场是反应器内的辐射照度 E 或剂量率 E0大小的分布。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】