孙丽婷 辛顺 惠宁 张慧跃 汪鸿健

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

引言

随着挺进深海战略的逐步发展，海上油气田开发规模越来越大，海上油气处理设施生产数量不断增多。海上油气处理设施平稳运维需要保障平台工作人员的安全健康。净水器作为为海上固定平台生活楼的安全用水设备对于保障工作人员用水安全至关重要。净水设备以撬装形式安装在海上油气处理设施上，主要由粗过滤器、精过滤器和消毒器构成[1]。在水处理过程中，过滤器主要可以使水质浑浊度、总含铁量、色度等满足标准要求[2]，但对于水中肉眼不可见的细菌病毒作用不明显。细菌病毒对人体危害大，水质杀菌消毒十分必要。目前市场上消毒杀菌方法繁多，常用方法主要有三种：氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒[3]。紫外线杀菌消毒技术具有灭菌光谱性、处理时间短、不存在抗药性、有害消毒副产物少、便于管理和实现自动化等诸多优点[4]，考虑到海上油气处理设施操维技术难度大和空间受限等问题，宜应用紫外线消毒器。目前，对于紫外线消毒器消毒效果的研究集中于数值模拟方法和实验室实验方法，数值模拟方法计算繁琐，受制于模拟器参数限制，实验室研究方法受实验条件限制不适用于工程计算。本文以海上固定平台紫外线消毒器为例，提出一种以紫外线有效辐照剂量为主要评判紫外器消毒效果的指标的计算方法，可用于指导海上紫外线消毒器设计选型。

1紫外线消毒原理

核酸是细菌病毒的基本物质和生命基础，一旦遭到破坏将会使细菌病毒丧失复制和繁殖能力。细菌病毒在受到紫外线照射时，体内核酸会吸收波长为240-280mm范围内的光波能量，产生自由基引起光电分离，核酸键链断裂从而结构受到破坏而使病毒和细菌丧失复制和繁殖能力，迅速死亡[5]。紫外线作为一种电磁波，波长范围是100～380nm，根据不同的波长分为A、B、C、D四个波段。其中波长为253.7nm的UV-C对常见的病原微生物灭活效果最好，水经该波段紫外线照射下吸收足够的紫外光时能够不使用化学药剂，就可以消毒杀菌[6]。

图1 紫外线光谱

2 某海上平台用紫外线消毒器的组成及技术特征

2.1 工作使用环境条件

某平台需要设计紫外线消毒器置于生活楼楼顶，属室外非危险区，用于平台工作人员生活用水，环境温度-25℃～37.8℃，3秒百年阵风风速为38m/s，最大平均相对湿度为24～100%。

2.2 组成及主要性能参数

2.2.1 组成

紫外线消毒器主要由紫外线灯管、石英套管、外壳及电控箱等组成。

图2 紫外线消毒器工艺流程图

2.2.2 主要性能参数

紫外线消毒器水处理量要求30m3/h；撬块尺寸不超过1500mm*1000mm*1500mm（长×宽×高）；进水水质：浑浊度≤5度，总含铁量≤0.3mg/L，色度≤15度，水温≤5℃，总大肠菌群≤1000个/L，细菌总数≤2000个/mL。经处理后，水质满足[7]《生活饮用水标准》要求。

2.2.3 工作原理

具有杀菌能力的紫外线经紫外线灯管产生后，穿透套管到达水体，被水体中细菌病毒及微生物吸收后其内部核酸结构遭到破坏不能存活，达到灭菌效果。根据紫外线消毒器的工作原理，紫外线灭活能力从产生、传播、被吸收过程中受不同因素影响。

3 影响紫外线消毒器消毒效果的因素

3.1 光源

紫外线消毒器光源为紫外线灯管，光源类型、使用时间会影响性能。汞蒸气灯、金属卤化物灯、无极灯和氙灯等在早期是紫外线消毒灯的常见类型，其中中压紫外线灯发射能量最强，曾被广泛应用于大型污水处理厂。90年代末低压高输出灯作为常规低压紫外线灯用于紫外线消毒技术[8]。辐射能量会随着使用时间的增长逐渐降低，导致杀菌效果下降。因此，及时更换新灯管是保证紫外线消毒效果的有效方式之一[9]。以253.7nm为主波长的紫外线辐射通量称为紫外线辐射通量，单位为W[10]。通常市场产品标明的紫外线有效功率即为紫外线辐射通量。在紫外线消毒器中，紫外线消毒器的有效功率还与灯管数量与排布方式有关，灯管数量越多，总紫外线辐射通量也会相应增加，当然。其相应灯管更换费用和电费也会增加，灯管数量少，可减少与数量相关的运维费用[11]。

3.2 传播、反射与折射

在紫外线消毒器中，紫外线穿过石英套管照射水体，紫外线穿透率主要受石英套管透光率影响。同时，紫外灯套管由于水中的各种杂质沉积，会在紫外灯套管表面结垢，通常结垢程度用紫外灯套管结垢系数表示，紫外灯套管结垢系数指紫外线消毒器运行一段时间后，紫外灯穿透率与初始紫外灯穿透率之比，不同水质和水处理工艺下的结垢速率不同。Sommer研究表明，为保证测试结果的真实有效，应该在测定紫外线强度时考虑水的穿透率和光的反射、折射作用[12]。为保证结垢系数小，在紫外线消毒器上设置清洗装置，并且经常清洗。紫外线照射到套筒壁发生反射，套筒壁需经抛光等工艺处理。

3.3 吸收介质

水中微生物吸收紫外线才能达到杀菌效果，杀菌效果受辐照时间、水层厚度和水质吸收系数有关。同一水层厚度下，辐照时间越长，消毒效果越好。水层会吸收紫外线，水层厚度越大，紫外线辐照强度衰减越多，灭活效果也会下降。同时，水的吸收系数越大，意味着微生物以外的其他成分会消耗紫外线光量子能量，也会对紫外线消毒不利从而削弱灭活微生物的效果。水的吸收系数主要受色度、浊度、铁、锰等水质参数影响。随着水质参数物质含量增加，水的吸收系数增大。除此之外，有机物的某些较大颗粒会产生庇护作用，影响其他有机物吸收紫外线。在颗粒物存在的情况下，会发生折射和反射，进而影响微生物表面吸收紫外光的强度，影响微生物的灭活效果。离子会产生一定的协同或拮抗作用。银离子有协同作用，铁离子有拮抗作用，吸收紫外线，降低穿透力[13]。

4 紫外线消毒器初步选型设计

紫外线有效辐照剂量是指紫外线消毒设备所能实现的微生物灭活紫外线剂量，是衡量紫外线消毒杀菌效果的主要因素。《GB-T 14358-2015 船用饮用水净化装置》提出了消毒器紫外线辐照剂量的计算方法：

W——紫外线辐照剂量的数值，单位为μW.s/cm2；

I——紫外线辐照强度的数值，单位为μW/cm2；

T——水流经消毒器受紫外线灯管有效照射的时间，单位为S；

其中：

T=3.6V/Q

V——消毒器的有效照射容积的数值，单位为L;

Q——进水流量，单位为m3/h;

该方法参数是经过测定得到的，在工程设计前期不能估计，且测试条件未考虑水质工作状态，测试位置为测光孔位置，未考虑灯管排布方式影响。一般选用紫外线消毒器辐照最远界面的辐照剂量作为工艺设计参数。本文方法在上述方法基础上考虑紫外线使用率和紫外线穿透率加以修正提出，以筒壁为计算参照点，计算步骤如下：

（1）计算筒壁处总紫外线有效辐照强度；

（2）计算辐照时间；

（3）计算筒壁处紫外线有效辐照剂量；

（4）计算修正后的紫外线有效辐照剂量。

以某品牌紫外线消毒灯性能参数为基础，计算海上固定平台紫外线消毒器选用规格结果如下：

表1某品牌紫外线消毒灯性能参数

表2 计算结果

《GB/T 19837城市给排水紫外线消毒设备》[14]中关于生活饮用水或饮用净水消毒规定：紫外线消毒作为生活饮用水主要消毒手段时，紫外线消毒设备在峰值流量和紫外灯运行寿命终点时，考虑紫外灯套管结垢影响后所能达到的紫外线有效剂量不应低于40mJ/cm2。紫外线消毒设备应提供有资质的第三方用同类设备在类似水质中所做紫外线有效剂量的检验报告。

根据该标准可评估上述方案中，方案二满足标准规范要求。在实际应用中不仅需要满足规范要求，还需要考虑设备制造成本以及后期运维费用，综合考虑方案的可行性和经济成本进行比选后可以确定设计方案。

5 结论

紫外线消毒器涉及海上油气处理设施人员用水安全问题，所以在满足标准和设备放置空间要求的情况下选择性能更好的紫外线消毒器设计方案是海上油气处理设施在设计阶段需要开展的工作之一。采用三维软件对设备进行建模，并且利用数值模拟方法分析紫外线消毒灯消毒杀菌效果工作较为复杂，利用软件分析模拟容易受三维模型网格划分的精度和分析人员的经验等因素的影响。本文提供的计算方法，不需要建立复杂模型，仅需要以设备提供的实际参数为基础并且利用经验系数进行计算，便可判断紫外线消毒器设备的消毒性能是否满足标准要求并可以进行优选，方法简单、快速和有效，适用于海洋石油工程设计阶段对该设备的选型设计，值得在海洋石油工程设计中推广。