紫外线（UV）杀菌有很多化学法无法替代的优点：杀菌过程中不会生成有害的消毒副产物，能有效地降低水中的病原体和微生物数量，可以杀灭隐性孢子虫等具有抗氯性的病原体，微生物不可能产生对紫外线的耐受性，饮用水的味道、气味、pH值不会受到紫外线辐射的影响，没有化学残留物，杀菌速度快、效率高、占地面积小、设备操作简单，便于运行管理和实现自动化，是取代化学杀菌经济而环保的杀菌方式。

1.紫外线性质 紫外线是属于电磁波辐射，能量、穿透力等作用不及电离辐射强，但相比而言，紫外线消毒价廉、方便、无残留毒性、比较安全，除可对空气进行消毒外，也可用于水、饮料、物体表面消毒。太阳具有很强的杀菌能力，就是因为太阳光中紫外线的作用。紫外线性质因波长不同而差异很大，如波长在200nm以下，可使空气产生臭氧；200～280nm具有杀菌作用；280～300nm具有保健作用；320～380nm具有光化学作用；360～450nm称为长波长紫外线，可用于激发荧光，很容易穿透玻璃。波长在253.7nm左右的紫外线杀菌力最强，是直射日光中波长为350nm左右的紫外线杀菌力的1600倍。紫外线辐射强度30mJ/cm²的杀菌效率如表13-4所示。

表13-4 紫外线辐射强度30mJ/cm²杀菌效率

紫外线可以杀死细菌、真菌、病毒等，杀菌剂量是照射强度和照射时间的乘积，将一定量的微生物作成水悬液，水深2cm，用紫外线照射不同时间后，计算出紫外线对不同生物的杀灭剂量。紫外线对水中微生物的杀灭剂量如表13-5所示。

表13-5 紫外线对水中微生物的杀灭剂量

一般说来，革兰氏阴性菌对紫外线最敏感，其次为革兰氏阳性球菌。细菌芽孢和真菌孢子抵抗力最强，病毒也可被紫外线灭活，其抵抗力介于细菌繁殖体和芽孢之间。

2.紫外线杀菌机理 紫外线照射能量较低，不足以引起原子电离，仅产生激发作用。使电子处于高能状态而不脱开，当微生物被照射时，只有在菌体吸收了紫外线后，才能显示出其杀菌作用。紫外线主要作用于微生物的核酸，导致其破坏，同时对蛋白质、酶等亦有一定的作用。

（1）对核酸的作用。杀菌紫外线主要被微生物的核酸所吸收，核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），紫外线对DNA、RNA都发生作用导致其破坏。

（2）对蛋白质的作用。紫外线对蛋白质的作用较小，原因是253.7nm的杀菌紫外线被蛋白质吸收的量小，紫外线可以被蛋白质的氨基酸所吸收，从而破坏这些化学基团，导致蛋白质变性，结构改变，使其失去作用。

（3）对糖的作用。由于糖对波长大于230nm的紫外线基本上不吸收，故一般认为，糖在微生物的紫外线灭活上不起作用，但波长小于230nm的紫外线可以破坏DNA上的脱氧核糖，使DNA链断裂。

3.影响紫外线消毒效果的因素 影响紫外线消毒效果的因素很多，概括起来可分为两类：一类是紫外线光源辐射强度及剂量，一类是微生物方面的因素。

（1）辐射光谱、紫外功率、灯管温度、发光长度及几何形状，紫外线杀菌灯只有以最佳的方式与电源设备相匹配，才能保证总体系统的最佳性能。

（2）多数微生物在低温时对紫外线辐射是很敏感的，因为在此条件下，胸腺嘧啶二聚体的数量明显减少，胸腺嘧啶光产物的累积将影响微生物的修复；另外温度变化还影响紫外线的强度，温度过高或过低均会影响消毒效果，一般以20～40℃为宜。

（3）微生物类型。不同微生物对紫外线的抵抗力水平不同，根据其抵抗力情况，可将微生物分为高抵抗力、中度抵抗力、低抵抗力3类。病毒、细菌、酵母和真菌仅需几秒钟就可以被紫外线杀死。

（4）水中有机物含量：细菌在污物中，紫外线的杀菌作用就相应降低，污物是细菌生长、繁衍和防被杀伤的有机环境。

（5）水质指标：包括悬浮物浓度、浊度、色度等水质指标均对紫外线透光率有直接关系，从而影响紫外线消毒的效果。

（6）环境及液体力学因素：包括水温、水体流速的均匀性等因素也会直接影响紫外线的杀菌效果。

4.灯管结构 由高质量的石英玻璃制成，具有很高的透光率，目前汞齐灯对温度波动不敏感，甚至可在90℃条件下使用，在工作16000h后依然可保持90%以上的紫外线输出功率。光谱图如图13-1所示。

图13-1 光谱图

（1）热阴极低压汞紫外线杀菌灯。这种灯的原理是：用钨丝绕成双螺旋灯丝，涂上碳酸钡、碳酸锶、碳酸钙混合物，通电加热时，混合物被激活分解成钙、锶、钡氧化物。灯起动时，灯丝加热，氧化物发射电子，轰击灯管内的汞蒸汽，致使汞原子的外层电子跃迁到高能级轨道位置，使汞原子成为激发态的原子。跃迁到高能级轨道上的电子仅能停留10^-5～10^-11s，然后又跃回外层低能级轨道，同时释放出能量，以紫外线形式表现出来。这种灯辐射的紫外线95%以上波长为253.7nm，同时也有少量其他波长的光，如184.9nm、404nm、435nm、545nm、577nm、579nm等。低压汞灯内充入汞蒸汽的压力为8Pa，采用对紫外线透过率大于80%的石英玻璃作灯管，这种灯在40℃时辐射强度最大。

（2）冷阴极低压汞紫外线杀菌灯。该灯用镍制成电极，在石英管内充入汞和氩气，靠强电场的作用，使冷阴极发射电子，轰击汞原子，使其激发发光。辐射的紫外线强度60%以上为253.7nm。

（3）高压汞紫外线杀菌灯。灯管内汞蒸汽的压强可以大于几个大气压，功率可达500～1000W或更高，在辐射光谱中只有一小部分是杀菌紫外线，但总能量大，是良好的消毒紫外线光源，一般用于水的消毒。

灯的杀菌力取决于紫外线的输出量，输出能量决定于灯的类型、瓦特数和使用时间。输出量以瓦作为单位，所有灯管都标有输出量，灯用久后即衰老，国产灯一般寿命3000～4000h，国外名牌可达16000h。

紫外线灯管的优劣不能根据其有无蓝色光和是否形成臭氧作判定，有杀菌作用的紫外线不可见，臭氧是由200nm以下的紫外线使空气中氧游离（破坏氧分子键）所致，此种波长不是杀菌作用最强的紫外线。

国产灯管有36W（1.2m长）、30W（1m长）、20W（60cm长）、15W（46.7cm长）等。

德国贺利氏特种光源有限公司汞齐灯的特性如表13-6所示。

表13-6 德国贺利氏特种光源有限公司汞齐灯的特性

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该种汞齐灯辐射的紫外线功率可以达到普通低压汞灯的10倍，可在90℃的条件下使用，有独特的涂层，不会出现普通紫外线灯发生的石英玻璃透射损失，这使它能保持几乎恒定的杀菌作用。如果灯管由可产生臭氧的合成石英玻璃制成，它将会额外产生其波长为185nm的真空紫外线，从而使输出功率可以达到标准低压灯的5倍。标准低压灯如表13-7所示。

表13-7标准低压灯

5.紫外线在水处理中的应用 紫外线在水处理中的应用很广，污水处理，市政自来水消毒，中水回用消毒，油田回注水消毒，小区二次供水消毒，水产养殖用水消毒，瓶装水、食品、饮料行业用水消毒，水上娱乐设置、游泳池等水消毒，家用小型饮水机消毒器等，美国和加拿大已将UV消毒列为用水终端和用户进水端及小型给水系统中的首选方法。

6.废水杀菌紫外线设备的设计

（1）废水杀菌紫外线设备设计的核心内容是紫外线有效剂量，对于紫外线反应器，可以通过微积分的方法求出紫外线的平均剂量，但因为影响紫外线杀菌效果的因素较多，因此计算结果往往与实际相差很大。目前是通过生物试验来确定剂量的，即在紫外线反应器里投加微生物来测定实际杀菌效果，通过这种方法，紫外线杀菌器的实际剂量就可以精确确定了。

（2）综合考虑水力特性：操作、控制、灯管布置、敞开或密闭等。

（3）灯管选用：有低压灯、低压高强度汞齐灯、中压高强灯。灯管抗老化系数在80%以上，低压灯寿命为12000h，中压灯寿命为8000h，启动时有预热过程。

（4）镇流器选用：提供稳定的电流，以延长灯管使用寿命；提供短路/过流、断流保护，以防止浪涌冲击；低波峰系数，波峰系数小于1.7；进水状况与运行功率同步；电压适应性强，即电压在允许范围内波动，仍可正常工作；功率因素不低于98%；可与PLC联机。

（5）高度人性化、智能化的操作系统和监控系统：所有运行状态、报警、操作功能都可通过人机界面查看。

（6）石英套管时间久了会“结垢”，不但严重降低有效紫外线剂量的输出，使出水水质不能达标，而且为了维持杀菌剂量，使功率上升，能耗加大，运行成本增加。因此，灯管要有自动清洗系统，清洗环具有良好的柔韧性，能够主动适应套管外径两端正、负向公差，使清洗更加彻底，解决清洗过程有砂粒摩擦灯管的问题，确保石英套管经长时间使用后其透光率仍达到90%以上。自动清洗环对套管的摩擦系数要非常小，同时最大限度地降低清洗环对紫外线的屏蔽。

（7）套管防水设计：密封可靠、套管振动时不会泄漏，自动清洗时，不会受到摩擦力而被抽脱，避免套管与框架钢性接触。

（8）水位控制装置：管道式废水杀菌紫外线设备和敞开式废水杀菌紫外线设备的水位控制装置，合适的水位控制堰需要在不同水流流速下维持一个有效的水深，并且在峰值流量时最大的水头损失不应超过5cm，可设计成不锈钢堰或混凝土堰。

7.各种形式紫外线杀菌设备 当介质温度较低时，杀菌效果差，故紫外线灯须装有石英套管，使灯管与套管间形成一个环状空气夹层，灯管能量能充分发挥而不致影响杀菌效果。石英管外是不锈钢圆筒，圆筒与石英管之间是水流通道。紫外线透明率为50%时的液体深度如表13-8所示。

表13-8 紫外线透明率为50%时的液体深度

管道式废水紫外线杀菌设备如图13-2所示，管道紫外线杀菌设备如图13-3所示，敞开平行式废水紫外线杀菌设备如图13-4所示。

图13-2 管道式废水紫外线杀菌设备

图13-3 管道紫外线杀菌设备

图13-4 敞开平行式废水紫外线杀菌设备

8.紫外线杀菌注意事项

（1）紫外线肉眼看不见，灯管放出的蓝紫色光线并不代表紫外线强度，如没有自动显示仪，则应定期用紫外线强度计或紫外线化学指示卡测定输出强度，以判断紫外线灯管的使用情况，不能达到规定要求时应及时更换，也可逐日记录使用时间，以便判断是否到了使用期限。

（2）杀菌场所应保持清洁、干燥，空气中不应有灰尘和水雾。

（3）紫外线灯管（30W）在1m处照射1～2min可使人的皮肤产生红斑，对眼睛直射30s可产生刺激症状，再加大剂量可引起紫外线眼炎。普通的玻璃眼镜可完全屏蔽紫外线，在紫外线照射下操作时，应注意对眼、脸面、手指等皮肤的保护。

（4）在没有自动清洗装置时，应经常擦拭灯管（一般两周擦一次），保持灯管透明。可用酒精、丙酮、氨水作擦拭剂，擦拭布必须干净无油，否则油污染了灯管，会阻碍紫外线透过。

（5）紫外线在空气中可产生臭氧，吸入过多臭氧能使人中毒，要求操作现场臭氧浓度不得超过0.3mg/m³。因此，对臭氧要采取相应的预防措施。