紫外线杀菌是一种物理消毒技术，主要是通过紫外线破坏微生物遗传物质DNA，干扰其复制和转录。使其失去繁殖能力进而对其进行灭活。自1910年Cernovedeow和Henvi第一次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒以来，紫外线技术在水处理领域得到了快速发展。目前在欧美许多国家的水处理厂中，紫外线消毒技术被广泛采用。西方国家已有约25%的污水处理厂采用紫外线杀菌技术，美国也将紫外线消毒工艺作为自来水的消毒方式写入供水法规中。紫外线技术在我国起步较晚。从2005年开始，我国的新建自来水厂和污水处理厂也逐步采用紫外线杀菌技术，目前该技术在以上2个领域内的应用已进入成熟时期，但在工业循环水中的应用还处于研究阶段，未见有应用的实例。2011年5月，中国石油大学石大科技集团公司采用紫外线杀菌技术对炼油厂循环水进行杀菌处理。取得了较好的效果，这在国内同行业中尚属首次。
1、紫外线杀菌原理及系统组成
1.1、紫外线杀菌原理
紫外线是位于X射线和可见光之间的电磁波，按其波长可分为UVA（315-400nm）、UVB（280-315nm）、UVC（200-280nm）、真空紫外（100-200nm）4个不同的波段。其中UVC波段恰好处在微生物的吸收峰范围内。因此，UVC波段的紫外线杀菌效果好。试验证明，波长为253.7nm左右的紫外光，其杀菌效率高，目前用于污水处理消毒的紫外线波长均为253.7nm。紫外线杀菌具有以下特点：
（1）对致病微生物有广谱消毒效果，消毒效率高，对于细菌、病毒。一般在1-2s即可达到99.0%-99.9%的杀菌率。
（2）对抗氯性的致病微生物隐孢子虫包囊和贾第虫卵囊有特效消毒作用。
（3）无二次污染，紫外线杀菌不加入任何化学药剂，不会对水体和周围环境产生二次污染。
（4）运行安全、可靠，传统的消毒技术例如采用氯化物或臭氧杀菌，其消毒剂本身就是剧毒、易燃的物质，而紫外线消毒系统不存在这样的安全隐患。
（5）能降低嗅、味和分解微量有机污染物，全面提高水质。
（6）占地面积小、对构筑物要求简单，总投资较少，消毒效果受水温、PH值等因素的影响小、效果稳定。
（7）紫外线用于工业循环水消毒的电耗很低。它的成本只是氯消毒的1/2。
1.2、紫外线杀茵系统组成
紫外线杀菌系统由镇流器柜（含镇流器箱、降温组件）、消毒模块组（含紫外灯组、自动清洗机构组）、水位传感器、空气动力系统（空气压缩机及配件）组成。控制中心根据水位变化和时间等控制系统的开停，以及自动清洗机构的动作。自动清洗石英管。消毒模块是消毒系统的主体，由消毒模块支架、紫外灯管、石英套管、自动清洗机构组成。
2、紫外线杀菌工艺流程及技术指标
2.1、循环水系统杀菌流程
冷却塔集水池中的水通过吸水池入水管进入到新增的紫外线消毒水渠，紫外线消毒水渠置于吸水池内。消毒模块放置在紫外线消毒水渠的出口处，对循环水进行快速、高效地灭菌。经灭菌后的水进入吸水池，再由泵送往换热器，由此完成一个消毒周期。
2.2、技术指标
系统进水指标：ρ（SS）≤25mg/L；透光率≥67%；进水异养菌数≤5*10⁵。
系统出水指标：灭菌效率：99%；出水异养菌数≤5*10³（即循环水出水异养菌数最少低于进水异养菌数100倍）。
3、紫外线杀菌技术的工程应用
3.1、紫外线杀茵系统设计
山东石大科技集团有限公司具有150万t/a的原油一次加工能力及20万t两段提升管催化裂化等炼油装置。循环水主要用于常减压和催化裂化2套装置产品的冷却。循环水量为1500m³/h，进装置水温为26℃，出装置水温为36℃，循环水浓缩倍数为3.5左右。
根据循环水系统情况，公司采用清华大学明渠紫外线消毒专利技术对循环水进行杀菌处理。明渠深1.8m，宽1.2m。紫外线杀菌系统平面布置和工程应用现场分布如图1、图2所示。
 
图1 紫外线杀菌系统平面布置
 
图2 明渠紫外线杀菌系统应用现场
消毒系统由3个标准消毒模块并联组成，每个消毒模块可以单独运行，根据循环水量和细菌数，可以选择关停部分紫外灯，以减少运行费用。本系统以紫外灭菌灯为主体，采用进口的大功率高输出长寿命低压高强汞齐灯，灯管总数为72支，总功率为23kw。根据微生物控制指标，灯管中心间距设计为80mm，紫外线有效剂量约为20mJ/cm²，杀菌时间控制在1-4s，满足公司的36000m³/d循环水量处理规模。运行中明渠水位控制在1.8m，水位自动控制装置安放在消毒水渠末端的排水口处，水位计可监测2个液位。当液位低时，系统不能开启；当液位高时，系统具备开启条件。
循环水紫外线杀菌系统采用高集成度和模块化设计，可24h全自动运行。通过PLC对其运行状态实现监控。在实际运行中，消毒模块上的石英套管外表面虽然有自动机械清洗机构清洗，但长时间运行仍有可能会累积一定的垢，为了保证消毒效果，需要定期将消毒模块提起到维修支架上进行人工清洗。本消毒系统所采用的紫外灯为长寿命灯，若使用不当或电源不稳定，紫外灯可能会提前损坏或失效，届时中央控制柜也会报警提示更换。
3.2、紫外线杀茵系统运行效果
该系统自2011年6月正式投用以来，循环水处理系统平稳运行。出水水质稳定。公司的循环水微生物控制标准：异养菌数≤5*10³。微生物检测频率：每周检测1次。2011年6-8月采用紫外线杀菌系统，其循环水异氧菌数据与2010年同期采用药剂杀菌的循环水异氧菌数据对比情况如图3所示。
 
图3 循环水异氧菌数据对比情况
根据统计数据可知，2010年采用药剂杀菌处理的循环水异氧菌数平均约为80*10³，2011年采用紫外线杀菌处理的循环水异氧菌数平均约为1*10³，后者明显优于前者，排除个别特殊数据，紫外线杀菌效果优于药剂杀菌效果近100倍，处理出水完全达到循环水中异氧菌数的指标要求。
3.3、运行成本
该套系统的运行成本主要取决于电费及灯管的折旧费。根据实际运行情况计算。该系统运行成本为0.0123元/m³，其中电耗为0.0097元/m³，灯管设备折旧费用为0.0026元/m³，按1500m³/h计算，年运行成本约14.6万元。
采用药剂杀菌技术时，在添加杀菌剂24h后需要用大量的新鲜水置换，每次用水量为500m³左右。根据统计，采用紫外杀菌后每年可节约循环水补水量8万t，节约费用约27万元，循环水系统停加杀菌剂，每年节约药剂费用4万余元。紫外线杀菌系统投资费用为30万元，投资回收期为1a左右。
4、结语
紫外线杀菌技术经过20a的发展，在国外各个领域得到了广泛应用，但在我国工业水处理中的应用不多。由于紫外线杀菌技术具有其它杀菌技术无法比拟的杀菌效果和技术特点，预计该项技术必将发展成为工业水处理领域的主流杀菌技术。紫外线杀菌技术在我公司炼油厂循环冷却水系统中的成功应用，为传统的工业循环水杀菌工艺提出了一条新的技术路径，显示出良好的推广应用前景，为同行业提供借鉴。