海上固定平臺(tái)紫外線消毒器的初步選型方法

孫麗婷 辛順 惠寧 張慧躍 汪鴻健

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

引言

隨著挺進(jìn)深海戰(zhàn)略的逐步發(fā)展，海上油氣田開發(fā)規(guī)模越來(lái)越大，海上油氣處理設(shè)施生產(chǎn)數(shù)量不斷增多。海上油氣處理設(shè)施平穩(wěn)運(yùn)維需要保障平臺(tái)工作人員的安全健康。凈水器作為為海上固定平臺(tái)生活樓的安全用水設(shè)備對(duì)于保障工作人員用水安全至關(guān)重要。凈水設(shè)備以撬裝形式安裝在海上油氣處理設(shè)施上，主要由粗過(guò)濾器、精過(guò)濾器和消毒器構(gòu)成[1]。在水處理過(guò)程中，過(guò)濾器主要可以使水質(zhì)渾濁度、總含鐵量、色度等滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[2]，但對(duì)于水中肉眼不可見的細(xì)菌病毒作用不明顯。細(xì)菌病毒對(duì)人體危害大，水質(zhì)殺菌消毒十分必要。目前市場(chǎng)上消毒殺菌方法繁多，常用方法主要有三種：氯消毒、臭氧消毒和紫外線消毒[3]。紫外線殺菌消毒技術(shù)具有滅菌光譜性、處理時(shí)間短、不存在抗藥性、有害消毒副產(chǎn)物少、便于管理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，考慮到海上油氣處理設(shè)施操維技術(shù)難度大和空間受限等問(wèn)題，宜應(yīng)用紫外線消毒器。目前，對(duì)于紫外線消毒器消毒效果的研究集中于數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法，數(shù)值模擬方法計(jì)算繁瑣，受制于模擬器參數(shù)限制，實(shí)驗(yàn)室研究方法受實(shí)驗(yàn)條件限制不適用于工程計(jì)算。本文以海上固定平臺(tái)紫外線消毒器為例，提出一種以紫外線有效輻照劑量為主要評(píng)判紫外器消毒效果的指標(biāo)的計(jì)算方法，可用于指導(dǎo)海上紫外線消毒器設(shè)計(jì)選型。

1紫外線消毒原理

核酸是細(xì)菌病毒的基本物質(zhì)和生命基礎(chǔ)，一旦遭到破壞將會(huì)使細(xì)菌病毒喪失復(fù)制和繁殖能力。細(xì)菌病毒在受到紫外線照射時(shí)，體內(nèi)核酸會(huì)吸收波長(zhǎng)為240-280mm范圍內(nèi)的光波能量，產(chǎn)生自由基引起光電分離，核酸鍵鏈斷裂從而結(jié)構(gòu)受到破壞而使病毒和細(xì)菌喪失復(fù)制和繁殖能力，迅速死亡[5]。紫外線作為一種電磁波，波長(zhǎng)范圍是100～380nm，根據(jù)不同的波長(zhǎng)分為A、B、C、D四個(gè)波段。其中波長(zhǎng)為253.7nm的UV-C對(duì)常見的病原微生物滅活效果最好，水經(jīng)該波段紫外線照射下吸收足夠的紫外光時(shí)能夠不使用化學(xué)藥劑，就可以消毒殺菌[6]。

圖1 紫外線光譜

2 某海上平臺(tái)用紫外線消毒器的組成及技術(shù)特征

2.1 工作使用環(huán)境條件

某平臺(tái)需要設(shè)計(jì)紫外線消毒器置于生活樓樓頂，屬室外非危險(xiǎn)區(qū)，用于平臺(tái)工作人員生活用水，環(huán)境溫度-25℃～37.8℃，3秒百年陣風(fēng)風(fēng)速為38m/s，最大平均相對(duì)濕度為24～100%。

2.2 組成及主要性能參數(shù)

2.2.1 組成

紫外線消毒器主要由紫外線燈管、石英套管、外殼及電控箱等組成。

圖2 紫外線消毒器工藝流程圖

2.2.2 主要性能參數(shù)

紫外線消毒器水處理量要求30m3/h；撬塊尺寸不超過(guò)1500mm*1000mm*1500mm（長(zhǎng)×寬×高）；進(jìn)水水質(zhì)：渾濁度≤5度，總含鐵量≤0.3mg/L，色度≤15度，水溫≤5℃，總大腸菌群≤1000個(gè)/L，細(xì)菌總數(shù)≤2000個(gè)/mL。經(jīng)處理后，水質(zhì)滿足[7]《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.2.3 工作原理

具有殺菌能力的紫外線經(jīng)紫外線燈管產(chǎn)生后，穿透套管到達(dá)水體，被水體中細(xì)菌病毒及微生物吸收后其內(nèi)部核酸結(jié)構(gòu)遭到破壞不能存活，達(dá)到滅菌效果。根據(jù)紫外線消毒器的工作原理，紫外線滅活能力從產(chǎn)生、傳播、被吸收過(guò)程中受不同因素影響。

3 影響紫外線消毒器消毒效果的因素

3.1 光源

紫外線消毒器光源為紫外線燈管，光源類型、使用時(shí)間會(huì)影響性能。汞蒸氣燈、金屬鹵化物燈、無(wú)極燈和氙燈等在早期是紫外線消毒燈的常見類型，其中中壓紫外線燈發(fā)射能量最強(qiáng)，曾被廣泛應(yīng)用于大型污水處理廠。90年代末低壓高輸出燈作為常規(guī)低壓紫外線燈用于紫外線消毒技術(shù)[8]。輻射能量會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸降低，導(dǎo)致殺菌效果下降。因此，及時(shí)更換新燈管是保證紫外線消毒效果的有效方式之一[9]。以253.7nm為主波長(zhǎng)的紫外線輻射通量稱為紫外線輻射通量，單位為W[10]。通常市場(chǎng)產(chǎn)品標(biāo)明的紫外線有效功率即為紫外線輻射通量。在紫外線消毒器中，紫外線消毒器的有效功率還與燈管數(shù)量與排布方式有關(guān)，燈管數(shù)量越多，總紫外線輻射通量也會(huì)相應(yīng)增加，當(dāng)然。其相應(yīng)燈管更換費(fèi)用和電費(fèi)也會(huì)增加，燈管數(shù)量少，可減少與數(shù)量相關(guān)的運(yùn)維費(fèi)用[11]。

3.2 傳播、反射與折射

在紫外線消毒器中，紫外線穿過(guò)石英套管照射水體，紫外線穿透率主要受石英套管透光率影響。同時(shí)，紫外燈套管由于水中的各種雜質(zhì)沉積，會(huì)在紫外燈套管表面結(jié)垢，通常結(jié)垢程度用紫外燈套管結(jié)垢系數(shù)表示，紫外燈套管結(jié)垢系數(shù)指紫外線消毒器運(yùn)行一段時(shí)間后，紫外燈穿透率與初始紫外燈穿透率之比，不同水質(zhì)和水處理工藝下的結(jié)垢速率不同。Sommer研究表明，為保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)有效，應(yīng)該在測(cè)定紫外線強(qiáng)度時(shí)考慮水的穿透率和光的反射、折射作用[12]。為保證結(jié)垢系數(shù)小，在紫外線消毒器上設(shè)置清洗裝置，并且經(jīng)常清洗。紫外線照射到套筒壁發(fā)生反射，套筒壁需經(jīng)拋光等工藝處理。

3.3 吸收介質(zhì)

水中微生物吸收紫外線才能達(dá)到殺菌效果，殺菌效果受輻照時(shí)間、水層厚度和水質(zhì)吸收系數(shù)有關(guān)。同一水層厚度下，輻照時(shí)間越長(zhǎng)，消毒效果越好。水層會(huì)吸收紫外線，水層厚度越大，紫外線輻照強(qiáng)度衰減越多，滅活效果也會(huì)下降。同時(shí)，水的吸收系數(shù)越大，意味著微生物以外的其他成分會(huì)消耗紫外線光量子能量，也會(huì)對(duì)紫外線消毒不利從而削弱滅活微生物的效果。水的吸收系數(shù)主要受色度、濁度、鐵、錳等水質(zhì)參數(shù)影響。隨著水質(zhì)參數(shù)物質(zhì)含量增加，水的吸收系數(shù)增大。除此之外，有機(jī)物的某些較大顆粒會(huì)產(chǎn)生庇護(hù)作用，影響其他有機(jī)物吸收紫外線。在顆粒物存在的情況下，會(huì)發(fā)生折射和反射，進(jìn)而影響微生物表面吸收紫外光的強(qiáng)度，影響微生物的滅活效果。離子會(huì)產(chǎn)生一定的協(xié)同或拮抗作用。銀離子有協(xié)同作用，鐵離子有拮抗作用，吸收紫外線，降低穿透力[13]。

4 紫外線消毒器初步選型設(shè)計(jì)

紫外線有效輻照劑量是指紫外線消毒設(shè)備所能實(shí)現(xiàn)的微生物滅活紫外線劑量，是衡量紫外線消毒殺菌效果的主要因素。《GB-T 14358-2015 船用飲用水凈化裝置》提出了消毒器紫外線輻照劑量的計(jì)算方法：

W——紫外線輻照劑量的數(shù)值，單位為μW.s/cm2；

I——紫外線輻照強(qiáng)度的數(shù)值，單位為μW/cm2；

T——水流經(jīng)消毒器受紫外線燈管有效照射的時(shí)間，單位為S；

其中：

T=3.6V/Q

V——消毒器的有效照射容積的數(shù)值，單位為L(zhǎng);

Q——進(jìn)水流量，單位為m3/h;

該方法參數(shù)是經(jīng)過(guò)測(cè)定得到的，在工程設(shè)計(jì)前期不能估計(jì)，且測(cè)試條件未考慮水質(zhì)工作狀態(tài)，測(cè)試位置為測(cè)光孔位置，未考慮燈管排布方式影響。一般選用紫外線消毒器輻照最遠(yuǎn)界面的輻照劑量作為工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。本文方法在上述方法基礎(chǔ)上考慮紫外線使用率和紫外線穿透率加以修正提出，以筒壁為計(jì)算參照點(diǎn)，計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算筒壁處總紫外線有效輻照強(qiáng)度；

（2）計(jì)算輻照時(shí)間；

（3）計(jì)算筒壁處紫外線有效輻照劑量；

（4）計(jì)算修正后的紫外線有效輻照劑量。

以某品牌紫外線消毒燈性能參數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算海上固定平臺(tái)紫外線消毒器選用規(guī)格結(jié)果如下：

表1某品牌紫外線消毒燈性能參數(shù)

表2 計(jì)算結(jié)果

《GB/T 19837城市給排水紫外線消毒設(shè)備》[14]中關(guān)于生活飲用水或飲用凈水消毒規(guī)定：紫外線消毒作為生活飲用水主要消毒手段時(shí)，紫外線消毒設(shè)備在峰值流量和紫外燈運(yùn)行壽命終點(diǎn)時(shí)，考慮紫外燈套管結(jié)垢影響后所能達(dá)到的紫外線有效劑量不應(yīng)低于40mJ/cm2。紫外線消毒設(shè)備應(yīng)提供有資質(zhì)的第三方用同類設(shè)備在類似水質(zhì)中所做紫外線有效劑量的檢驗(yàn)報(bào)告。

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可評(píng)估上述方案中，方案二滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。在實(shí)際應(yīng)用中不僅需要滿足規(guī)范要求，還需要考慮設(shè)備制造成本以及后期運(yùn)維費(fèi)用，綜合考慮方案的可行性和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行比選后可以確定設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)論

紫外線消毒器涉及海上油氣處理設(shè)施人員用水安全問(wèn)題，所以在滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備放置空間要求的情況下選擇性能更好的紫外線消毒器設(shè)計(jì)方案是海上油氣處理設(shè)施在設(shè)計(jì)階段需要開展的工作之一。采用三維軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，并且利用數(shù)值模擬方法分析紫外線消毒燈消毒殺菌效果工作較為復(fù)雜，利用軟件分析模擬容易受三維模型網(wǎng)格劃分的精度和分析人員的經(jīng)驗(yàn)等因素的影響。本文提供的計(jì)算方法，不需要建立復(fù)雜模型，僅需要以設(shè)備提供的實(shí)際參數(shù)為基礎(chǔ)并且利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，便可判斷紫外線消毒器設(shè)備的消毒性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求并可以進(jìn)行優(yōu)選，方法簡(jiǎn)單、快速和有效，適用于海洋石油工程設(shè)計(jì)階段對(duì)該設(shè)備的選型設(shè)計(jì)，值得在海洋石油工程設(shè)計(jì)中推廣。