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紫外線消毒設備劑量認定方法、驗證及現狀
閱讀：1283 發布時間：2020-12-251、主要的紫外線消毒效果認定方法
目前，認定紫外設備消毒性能，即其投射的紫外線劑量的方法主要以下幾種：計算模型法、化學法、生物法、熒光微球法、紫外線強度監控法。
1.1、計算模型法
計算模型法是理論方法，包括紫外線強度分布模型和計算流體力學模型。其中，紫外線強度模型是基于光學和幾何學原理，通過計算紫外線在反應器中的輻照情況，獲得紫外線強度分布模型，從而推算紫外線劑量。常見的紫外線強度分布模型MPSS、MSSS、LSI、RAD-LSI和DO。
1970年，Jacob和Dranoff開發了MPSS模型，將線光源等分成n段相等的特點光源，采用多特點源疊加的方法計算反應器接收到的紫外線強度。1997年，Blatchley在MPSS基礎上提出LSI模型，該模型不考慮紫外線在傳播介質中的吸收，改進了MPSS模型限個特點的限制，將MPSS模型中的特點光源個數趨近于窮，簡化計算。2000年，James R Boltan提出MSSS模型，采取分段等分的方式，將光源等分成若干個圓柱形立體光源，再采用多段疊加的方式計算接收特點的光強，是MPSS模型的擴展，且MSSS模型除了考慮介質對紫外線的吸收外，還增加了反射和折射的影響。RAD-LSI模型是LSI模型的改良，將近燈管區域部分采用線光源的模型計算紫外線強度。DO模型是求解熱輻射的方法，考慮熱量通過各介質時的吸收與分散，限。針對紫外線強度分布模型，市場上開發了計算軟件，常見的UV Calc軟件（James R Boltan開發）和UVDIS軟件（美EPA開發）等。其中，很多紫外設備使用UVDIS軟件，用這個軟件計算出來的紫外線劑量也叫UVDIS劑量，它實際上是基于紫外線光強均勻分布以及所微生物顆粒的暴光時間，也是均勻分布的假設。
流體力學模型是基于模擬流體流動的計算機技術，計算微生物通過紫外線消毒系統的軌跡，研究反應器的水力性。在20世紀80年代，Romero等就已經建立了關于環形紫外線消毒系統的流體動力學控制方程，后期隨著計算機的普及，人們開始用CFD技術建立流體模型，解決涉及流體工程的問題。目前，常見的CFD軟件Phoenics、Cham、Fluent等。Unluturk等使用CFD技術計算紫外消毒系統的效果，結果顯示，消毒效果的預測與模型的建立、參數的設定很大的關系。Lyn等在二維模型中加入了拉格朗日算法和顆粒流數值，結合紫外線強度分布模型，對比了歐拉的預測方案和拉格朗日粒子軌跡方法。
建立好紫外線光強分布模型和CFD模型后，將二者進行耦合，利用消毒動力學參數，計算紫外線設備效劑量，后用試驗對其進行驗證和完善。
1.2、化學驗證法
化學法是利用化學反應來測量紫外系統的消毒效果的。選擇合適的化學物質，加入到紫外設備進水中，通過檢測經過紫外線消毒設備前后化學物質發生光化學反應的情況，計算照射到水中上的紫外線劑量，得到紫外系統的消毒效果。化學物質要求具感光性、在紫外線的輻照下可發生光化學反應，且易定量檢測等特點。常用的感光物質碘化鉀、尿苷、碘酸鉀等。化學驗證往往于驗證高劑量區間的紫外設備。
1.3、生物驗證法
生物驗證法是上認可的劑量認定方法，很多制定了手冊，將其作為方法來規范認定紫外線消毒設備的劑量。
生物驗證是通過向紫外線消毒系統加入目微生物，測定目微生物的滅活率，反推紫外設備的劑量及消毒性能的。先，用紫外平行光儀均勻照射已知濃度的目微生物樣品，檢測照射后微生物濃度以確定滅活率。根據紫外強度、暴光時間等試驗因素，計算微生物的紫外線照射劑量，終得到目微生物的紫外線劑量-滅活率曲線。然后，進行紫外線反應器的測試，將驗證微生物加入到紫外線消毒系統的上游，在確定流量、UVT、UV功率等條件下，測定目微生物的滅活率。根據檢測結果以及上述紫外線劑量-滅活率曲線，可得在不同紫外燈輸出功率和不同紫外線穿透率條件下，紫外線水消毒設備處理流量-劑量關系曲線，如圖1所示。圖1中UVT為水體紫外穿透率，橫坐為設備所處理的流量，縱坐為設備的實際劑量。
圖1紫外設備處理流量與劑量關系曲線
圖1曲線類似于泵的工作曲線，因此也可以看作紫外設備的工作曲線。了紫外設備的處理流量-劑量曲線，用戶和設計院就可以很容易地核算紫外設備所提供的設備方案是否能滿足處理負荷下的目劑量，從而確保所選擇的紫外設備的消毒性能滿足要求。當然，考慮到實際運行中燈管老化和燈管套管表面結垢因素，在劑量計算中需要用可靠的老化系數和結垢系數進行修正，以確保紫外設備的消毒性能在運行中不受這些因素的影響。老化系數與結垢系數如何取值，也相關的規范和，可以參考本文2節的相關。
1.4、熒光微球法
熒光微球法與化學法類似，使用熒光微球，通過檢測經過紫外線消毒設備前后微球發光的情況，計算照射到微球上的紫外線劑量。熒光微球是由殊材料制成，在紫外線的輻照下，可以產生發光基團，且其發光強度與接收到的紫外線劑量成線性關系。因此，通過檢測微球經過紫外線系統后發出熒光的強度來計算紫外線效果。
1.5、熒光探頭監測法
原位熒光微探頭具近似360°響應的性，將此探頭置于管式紫外線設備腔體內，檢測不同位置的紫外線強度，實現腔體內紫外線強度在線分布檢測，模擬水中致病菌接受紫外輻射的效果，進而通過計算預測其劑量。
通過總結幾種主要的紫外線劑量認定方法，發現計算模型法雖然可以通過直接假設或模擬紫外消毒系統中紫外線強度分布和流場分布，快捷地計算設備的紫外線劑量，但其模型中的一些假設或參數往往與實際不符。因此，依靠理論模型計算得出紫外消毒系統的效果與實際劑量是偏差的，別是光強分布模型中的UVDIS計算得到的劑量遠高于設備的實際劑量，導致消毒不達和供水安的風險。計算流體力學模型法雖然定性趨勢上與實際劑量變化趨勢相同，但量上存在偏差，因此這種方法一般多用于紫外消毒器流場與燈管排布的優化設計，但不用于設備實際劑量的計算。用探頭測定光強，進而計算劑量或者直接采用功率去計算劑量也法準確計量微生物接受到的實際劑量。目前，為法規制定和執行部門所接受、也是可以的方法的是生物驗證法，很多已將其列為紫外設備實際劑量認定的方法。對于飲用水，主要西方和我都要求紫外設備必須經過行業內立三方的生物驗定劑量驗證，并用驗證得到的設備流量-劑量曲線來進行設備規模設計，沒經過生物驗證的設備是不能的，這是出于確保供水安的需要。
目前，美的Hydroqual和Carollo咨詢以及加拿大的Dillion都是紫外行業內比較*的經驗和資質做紫外設備生物驗定劑量驗證的立三方單位。我這方面尚處于起步階段，清華大學環境學院也在籌備建立我一個紫外設備生物驗證平臺，以促進紫外線消毒技術在我得到健康發展，公眾利益。
2、生物驗證規范
基于公眾利益的必要性，各政府和監管機構針對紫外設備生物驗證方法推出了各自的驗證規范體系。*的飲用水驗證規程O-Norm（奧地利）、DVGW（德）、NSF（美）、UVDGM（美），其中運用多的是德的DVGW和美的UVDGM指南。雖然這些規范所差異，但根本要求是相同的，即都要求紫外設備的劑量用生物驗證法認定。
對比內外驗證，美UVDGM手冊適用范圍相對較小。UVDGM手冊主要針對公共供水系統消毒，手冊中涵蓋了實施紫外線消毒系統的許多方面，但并沒面所類型的紫外線消毒系統、設計替代方案以及驗證協議。德DVGW適用于所紫外線殺菌設備，目病原體涵蓋范圍廣。中《紫外線水消毒設備紫外線劑量測試方法》（ 32092—2015）分別對飲用水、再生水和污水規范了不同的目微生物，涉及范圍廣。表1為內外驗證的對比，這些規范指導原則不同，但都推動了紫外線技術在部范圍內的推廣和運用，為公共飲用水安做出了貢獻。