一种用于二次供水紫外消毒的长方体形消毒容器的制作方法

1.本发明涉及城市供水管网系统二次供水消毒领域，尤其涉及一种用于二次供水紫外消毒的长方体形消毒容器。


背景技术：

2.早在1878年人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。紫外线杀菌消毒原理是适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的dna或rna的分子结构，造成生长性细胞和再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。紫外线按波长范围分为四个不同的波段：uva(400～315nm)、uvb(315～280nm)、uvc(280～200nm)和真空紫外线(200～100nm)。uva和uvb由于处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度非常慢，因此在实际应用中该部分紫外线归属于无效紫外部分。真空紫外光穿透能力极弱，无法用于杀菌消毒。uvc处于微生物吸收峰范围之内，可用于杀灭微生物，其中杀菌作用最强的波段是250-270nm，而253.7nm波长的紫外线是uvc中杀菌作用最强的波长。
3.紫外线杀菌灯(以下简称紫外灯)是各种紫外线消毒设备的核心部件，分为低压低强度紫外灯、低压高强度紫外灯和中压高强度紫外灯三种，三种紫外灯的特点如下。1)低压低强度紫外灯：该型紫外灯产生254nm的单频紫外线，光电转换率为35％～45％，灯管内压力为0.13pa～1.33pa，运行温度为40℃，单根灯管输出紫外线功率最高可达65w，适用于空气消毒以及低流量水处理系统的消毒应用，特别适合无专业人员看守的场所使用。2)低压高强度紫外灯：该型紫外灯和低压低强度紫外灯相似，产生254nm的单频紫外线，光电转换率为35％～45％，灯管内压力为0.13pa～1.33pa；该型紫外灯和低压低强度紫外灯的不同之处在于用汞合金代替了汞，在相似的能量效率下汞合金灯比普通低压汞灯产生的电流强度及辐射能要高，因此低压高强度紫外灯的uvc输出能力比低压低强度紫外灯要高，单根灯管输出紫外线功率最高可达150w；低压高强度紫外灯的运行温度约为110℃，用于水中浸没式安装使用时比低压低强度紫外灯更容易结垢，需要及时清洗，适用于中小型水处理厂的应用。3)中压高强度紫外灯：发射多波长电磁波(200-600nm)，只有大约27％～44％的紫外能量在uvc的范围之内，仅有7％的输出在254nm附近，光电转换率为10％～15％，是低压灯的三分之一，其能耗是低压灯的3-3.5倍；运行温度为600～800℃，压力为0.013mpa～1.33mpa，在未开启时灯内的汞为液态，保管及使用需要非常谨慎，否则有泄漏的风险；另外，由于中压灯管运行温度高，极易引起灯管结垢，会大幅降低灯管的有效紫外线强度，且容易造成灯管和石英套管损坏，需要专门设计的除垢装置才能正常运行，不适合二次供水水箱这种无专业人员看守的地方使用；但是中压高强度紫外灯单根灯管输出功率高，可高达1500w，因此可以大大减少使用灯管的数量，且占地面积也相应减小，适用于大型污水处理厂、暴雨溢流以及空间利用率要求很高的场合。
4.随着紫外线消毒技术的发展，已有很多厂家推出各种紫外线水消毒设备用于生活饮用水(俗称自来水)的消毒。紫外线水消毒设备分为管式消毒设备和渠式消毒设备两种，管式消毒设备的紫外灯灯管布置在闭合式的管路中，渠式消毒设备的紫外灯灯管布置在敞
开式的水渠中。应用于二次供水消毒的紫外线水消毒设备(以下简称紫外消毒设备)都是管式消毒设备，紫外消毒设备的杀菌效果是由微生物所接受的紫外线剂量决定的，紫外线剂量是指单位面积上接收到的紫外线能量，常用单位为mj/cm2(j表示焦耳，简称焦，是国际单位制表示能量的单位，1焦耳等于1瓦的功率在1秒内所做的功，1焦＝1瓦
·
秒)，其计算公式为：紫外线剂量＝uvc强度
×
照射时间。uvc强度是指单位时间内与紫外线传播方向垂直的单位面积上接收到的uvc能量，常用单位为mw/cm2；照射时间的单位为s。在国家标准gb/t 19837-2019《城镇给排水紫外消毒设备》的5.10.2条中明确提出“当紫外线消毒用于生活饮用水或饮用净水消毒时，且紫外消毒设备在峰值流量和紫外灯运行寿命终点时，紫外线有效剂量不应低于40mj/cm
2”。
5.由于不方便对紫外消毒设备内的紫外线强度直接进行检测，在国家标准gb/t 32091-2015《紫外线水消毒设备紫外线剂量测试方法》中提出了一种间接检测流经紫外消毒设备的水流在不同流量下接受到紫外线剂量的方法。由于该方法需要加入活细菌，故不能在紫外消毒设备安装现场实施检测；又由于在实验室里很难实现持续的超过实际最大水流量的供水场景，因此至今为止国内极少有实验室能够开展使用该方法对紫外消毒设备的紫外线剂量进行检测。总之，尽管目前已有很多厂家推出了各种紫外消毒设备用于二次供水的消毒，但是这些紫外消毒设备是否达到国家标准gb/t 19837-2019中规定的最低剂量要求还是一个未知数。
6.考虑到生活饮用水的微生物指标是生活饮用水的关键指标，为了确保紫外消毒设备能够有效地发挥杀菌作用，有必要对现有紫外消毒设备可能达到的紫外线有效剂量进行推算，看其是否满足法规规定的最低剂量要求。
7.目前紫外消毒设备的结构都是在一段特制的不锈钢管道内安装若干根紫外灯，如公开号为cn203699969u的现有技术在2014年7月9日就公开了一体化管道式二次供水紫外消毒装置，自来水在流经该段管道时被其中的紫外灯照射而达到消毒杀菌的作用，这段安装了紫外灯的管道称为消毒容器，目前投入使用的消毒容器均为圆柱体形。实际中对于许多紫外消毒设备而言，自来水以最大流量流经消毒容器的时间不超过3秒钟。下面通过实验检测数据以及现有法规的要求，计算出消毒容器中距离紫外灯4cm远的水流在3秒钟时间内接收到的紫外线有效剂量，选择4cm这个位置是基于许多紫外消毒设备中最外层紫外灯中心点与消毒容器管道壁的距离都超过4cm。
8.选择贺利氏特种光源有限公司生产的uvc输出功率为140w的低压高强度紫外灯进行实验，这是其目前生产的uvc输出功率最大的低压高强度紫外灯。按该产品的安装要求在外装一个石英套管后将紫外灯安装在一个特制的水槽中，在紫外灯开启100h后开始测量，在灯管的法线上(过灯管中心点与灯管垂直的线)使用能在水中测量uvc强度的紫外线强度计测量不同距离处的uvc强度(距离的原点为灯管的中心点)，取10次测量数据的平均值作为测量结果，在距离灯管中心点4cm处uvc强度的测量结果为30.8mw/cm2。根据国家标准gb/t19837-2019《城市给排水紫外消毒设备》的要求，计算距离紫外灯中心点4cm处的水流在3秒钟时间内接受到的紫外线有效剂量：1)标准中第3.1条提出“紫外灯老化系数是紫外灯在某一时间的紫外输出功率和紫外灯初始运行100h后的紫外输出功率之比”。2)标准中第5.1.1条提出“紫外灯老化系数通过第三方验证后，可使用验证通过的老化系数计算设备紫外线有效剂量，但老化系数最大值不应超过0.8；若紫外灯老化系数没有通过第三方验证，
应使用0.5的默认值作为紫外灯老化系数，计算设备紫外线有效剂量”。3)标准中第5.2.2条提出“设备紫外线有效剂量计算中应考虑紫外灯石英套管结垢系数。紫外灯石英套管结垢系数通过第三方验证后，可使用验证通过的结垢系数计算设备紫外线有效剂量。若紫外灯石英套管结垢系数值没有通过第三方验证，应使用0.6的默认值作为紫外灯石英套管结垢系数，计算设备紫外线有效剂量”。4)因此得到：紫外线有效剂量＝uvc强度
×
照射时间
×
紫外灯老化系数
×
紫外灯石英套管结垢系数＝30.8
×3×
0.5
×
0.6＝27.7mj/cm2。这个结果没有达到国家标准gb/t 19837-2019《城镇给排水紫外消毒设备》中规定的40mj/cm2的最低剂量要求。在实际中，出于成本的考虑许多紫外消毒设备即不会使用一流品牌的紫外灯，也不会使用uvc输出功率达到140w的紫外灯，因此这些紫外消毒设备在自来水以最大流量流经消毒容器时，在距离紫外灯中心点4cm处的水流接收到的紫外线有效剂量比27.7mj/cm2还要低很多。
9.总之，许多紫外消毒设备在自来水以最大流量流经消毒容器时，在距离紫外灯最远处的水流接收到的紫外线有效剂量达不到国家标准gb/t 19837-2019《城镇给排水紫外消毒设备》中规定的40mj/cm2的最低剂量要求。造成这个结果的原因主要有：1)大家普遍使用紫外消毒设备的总功率(指紫外消毒设备内所有紫外灯的功率合计，单根紫外灯的紫外线强度与其uvc输出功率正相关)对应的紫外线强度计算消毒容器内各处的紫外线有效剂量。但是紫外线强度在水中的衰减随着距离的增加是按照指数的级别衰减的，因此水流接受到的紫外线照射主要只受距离最近的紫外灯的影响，其他紫外灯的作用很小。2)消毒容器的形状使用圆柱体，对于小尺寸管道(直径小于240mm的管道)来说因为有大量半成品供选择所以生产相对简单，且运输、搬运和安装也相对容易；但是对于大尺寸管道(直径大于240mm的管道)来说，情况就完全相反，不仅生产复杂，且运输、搬运和安装都面临难题；这就导致投入市场的消毒容器多数都是使用小尺寸管道生产的，从而大大限制了消毒容器的容积，难以支撑流经消毒容器的自来水在其中停留足够的时间，结果是流经消毒容器的自来水无法接收到足够的紫外线有效剂量。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种用于二次供水紫外消毒的长方体形消毒容器，本发明使用长方体作为消毒容器的形状，解决了使用圆柱体作为消毒容器形状所面临的容积限制的难题，因为圆柱体结构的消毒容器无法现场制作，而长方体结构的消毒容器可以通过在工厂制作好的方便运输搬运的板材在现场焊接而成；使用这种长方体结构的消毒容器就能够根据使用现场最大用水流量的要求特别定制能够满足国家标准中规定的最低剂量要求的紫外线消毒设备，从而最大限度地降低了紫外消毒设备不能有效发挥消毒杀菌作用的风险，为饮用水安全提供了有效的保障。
11.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
12.一种用于二次供水紫外消毒的长方体形消毒容器，其特征在于：所述消毒容器内固定设置有多根均与消毒容器轴线相平行的紫外灯，紫外灯在消毒容器的横截面上按照长方阵列的形式排列，水平方向上任意相邻两紫外灯之间的距离相等，竖直方向上任意相邻两紫外灯之间的距离相等，且水平方向上任意相邻两紫外灯之间的距离与竖直方向上任意相邻两紫外灯之间的距离相等；最外层的紫外灯与消毒容器容器壁之间的垂直距离都相
等，且最外层的紫外灯与消毒容器容器壁之间的垂直距离为相邻两紫外灯之间距离的一半。
13.所述消毒容器的两个长边侧面分别与底面和顶面相交形成四个直角，在这四个直角处各设置有一块与消毒容器长度相等的挡板，挡板与顶面或底面连接的位置是距离挡板对应直角最近的紫外灯的轴线与顶面或底面垂直相交的位置，挡板与长边侧面连接的位置是距离挡板对应直角最近的紫外灯的轴线与消毒容器长边侧面垂直相交的位置。
14.所述消毒容器的一端设置有消毒容器进水管，另一端设置有消毒容器出水管，消毒容器进水管一端与水箱连通，另一端与消毒容器顶面或长边侧面连通，消毒容器出水管一端与消毒容器长边侧面连通，另一端与水箱出水管连通，在消毒容器进水管上安装有一个进水电磁阀，在消毒容器出水管上安装有一个出水电磁阀，在不需要消毒时关闭进水电磁阀和出水电磁阀，在需要消毒时开启这两个电磁阀；在水箱出水管上安装有一个控水电磁阀，在不需要消毒时开启控水电磁阀，在需要消毒时关闭控水电磁阀。
15.所述消毒容器的宽和高分别为：
16.设在消毒容器横截面的水平方向上有n1列紫外灯，在消毒容器横截面的竖直方向上有n2行紫外灯；设最外层紫外灯灯管轴线与消毒容器容器壁之间的垂直距离为r，则相邻两根紫外灯灯管轴线之间的垂直距离为2r；设消毒容器横截面的宽为x，高为y，则：
17.x＝2rn1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
18.y＝2rn2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
19.本发明采用上述特定技术的消毒容器，其能够满足使用的最大流量为：
[0020][0021]
式(3)中q
max
为消毒容器能够满足使用的最大流量，l为消毒容器的长，i
r
为经检测得到在水中距离紫外灯灯管轴线垂直距离为r处的紫外线强度，c
lh
为紫外灯老化系数，c
jg
为紫外灯石英套管的结垢系数，,0为国家标准gb/t 19837-2019中规定的用于生活饮用水消毒的紫外线消毒设备需要达到的最低剂量要求，即40mj/cm2；k为最低剂量安全系数，取值范围为1.5～3，优选为2。
[0022]
采用本发明的优点在于：
[0023]
1、本发明使用长方体作为消毒容器的形状，解决了使用圆柱体作为消毒容器形状所面临的容积限制的难题，因为圆柱体结构的消毒容器无法现场制作，而长方体结构的消毒容器可以通过在工厂制作好的方便运输搬运的板材在现场焊接而成；使用这种长方体结构的消毒容器就能够根据使用现场最大用水流量的要求特别定制能够满足国家标准中规定的最低剂量要求的紫外线消毒设备，从而最大限度地降低了紫外消毒设备不能有效发挥消毒杀菌作用的风险，为饮用水安全提供了有效的保障。
[0024]
2、本发明在消毒容器内采用矩形的紫外灯阵列，与通常在圆柱体形消毒容器内按等边三角形排列紫外灯的方式相比较，在消毒容器横截面积相同的情况下使用紫外灯的数量更少，这即节省了制作消毒容器的费用，又节省了紫外消毒设备运行时更换紫外灯的运行费用。
[0025]
3、本发明消毒容器的安装是使用在工厂制作好的方便运输搬运的板材在现场焊接而成，因此可以根据现场空间的实际情况专门设计消毒容器的尺寸大小，这对于一些现
场空间狭小的场地来说能够起到极其关键的作用。
[0026]
4、本发明在消毒容器内设置了四个挡板，可以解决消毒容器四个角因距离紫外灯太远而出现照射剂量达不到要求的问题。
[0027]
5、本发明与科学的紫外灯排列方案结合，能够在满足国家标准中规定的最低剂量要求前提下，科学地节省制作费用和运行费用。
附图说明
[0028]
图1是本发明实施例中消毒容器的横截面图；
[0029]
图2是本发明实施例中消毒容器与水箱的俯视图；
[0030]
图中标记为：1、消毒容器，2、挡板，3、紫外灯，4、水箱，5、消毒容器进水管，6、进水电磁阀，7、消毒容器出水管，8、出水电磁阀，9、水箱出水管，10、控水电磁阀。
具体实施方式
[0031]
本发明公开了一种用于二次供水紫外消毒的长方体形消毒容器，所述消毒容器1内固定设置有多根均与消毒容器1轴线相平行的紫外灯3，紫外灯3在消毒容器1的横截面上按照长方阵列的形式排列，水平方向上任意相邻两紫外灯3之间的距离相等，竖直方向上任意相邻两紫外灯3之间的距离相等，且水平方向上任意相邻两紫外灯3之间的距离与竖直方向上任意相邻两紫外灯3之间的距离相等；最外层的紫外灯3与消毒容器1容器壁之间的垂直距离都相等，且最外层的紫外灯3与消毒容器1容器壁之间的垂直距离为相邻两紫外灯3之间距离的一半。
[0032]
所述消毒容器1包括顶面、底面和两个长边侧面，两个长边侧面分别与底面和顶面相交形成四个直角，在这四个直角处各设置有一块挡板2，挡板2的长度与消毒容器1长度相等。位于消毒容器1上部的挡板2，其两边分别与消毒容器1的顶面和长边侧面连接；位于消毒容器1下部的挡板2，其两边分别与消毒容器1的底面和长边侧面连接。挡板2与顶面或底面连接的位置是距离挡板2对应直角最近的紫外灯3的轴线与顶面或底面垂直相交的位置，挡板2与长边侧面连接的位置是距离挡板2对应直角最近的紫外灯3的轴线与消毒容器1长边侧面垂直相交的位置。
[0033]
所述消毒容器1的一端设置有消毒容器进水管5，另一端设置有消毒容器出水管7，消毒容器进水管5一端与水箱4连通，另一端与消毒容器1顶面或长边侧面连通，消毒容器出水管7一端与消毒容器1长边侧面连通，另一端与水箱出水管9连通，在消毒容器进水管5上安装有一个进水电磁阀6，在消毒容器出水管7上安装有一个出水电磁阀8，在不需要消毒时关闭进水电磁阀6和出水电磁阀8，在需要消毒时开启这两个电磁阀；在水箱出水管9上安装有一个控水电磁阀10，在不需要消毒时开启控水电磁阀10，在需要消毒时关闭控水电磁阀10。
[0034]
所述消毒容器1的宽和高分别为：
[0035]
设在消毒容器1横截面的水平方向上有n1列紫外灯2，在消毒容器1横截面的竖直方向上有n2行紫外灯2；设最外层紫外灯2灯管轴线与消毒容器1容器壁之间的垂直距离为r，则相邻两根紫外灯2灯管轴线之间的垂直距离为2r；设消毒容器1横截面的宽为x，高为y，则：
[0036]
x＝2rn1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0037]
y＝2rn2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
[0038]
本发明采用上述特定技术的消毒容器1，其能够满足使用的最大流量为：
[0039][0040]
式(3)中q
max
为消毒容器1能够满足使用的最大流量，l为消毒容器1的长，i
r
为经检测得到在水中距离紫外灯2灯管轴线垂直距离为r处的紫外线强度，c
lh
为紫外灯老化系数，c
jg
为紫外灯石英套管的结垢系数，,0为国家标准gb/t19837-2019中规定的用于生活饮用水消毒的紫外线消毒设备需要达到的最低剂量要求，即40mj/cm2；k为最低剂量安全系数，取值范围为1.5～3，优选为2。
[0041]
下面结合具体数据对消毒容器1的宽和高的计算方法作进一步描述，具体如下：
[0042]
设n1＝4，n2＝3，r＝8cm，则相邻两根紫外灯2灯管轴线之间的垂直距离为16cm；设消毒容器1横截面的宽为x，高为y，则：
[0043]
x＝2rn1＝64cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0044]
y＝2rn2＝48cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
[0045]
上述特定技术的消毒容器1，其能够满足使用的最大流量为：
[0046]
消毒容器1的长为100cm，经检测得到在水中距离紫外灯2灯管轴线垂直距离为8cm处的紫外线强度为11.2mw/cm2，紫外灯老化系数为0.5，紫外灯石英套管的结垢系数为0.6，最低剂量安全系数k取值为2，则消毒容器1能够满足使用的最大流量q
max
为：
[0047][0048]
计算结果表明该消毒容器1在最大流量不超过12.9l/s时能够保证流经消毒容器1的自来水接收到的紫外线照射剂量满足国家标准规定的最低剂量要求。
[0049]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。