UVLED在預防控制凈水器細菌污染方面應用探討

李文明 常小輝

1.艾歐史密斯（中國）熱水器有限公司 江蘇南京 210038

2.艾歐史密斯（中國）環境電器有限公司 江蘇南京 211200

1 引言

目前市場上的家用凈水器種類較多，如微濾凈水器、超濾凈水器、反滲透凈水器等。反滲透凈水器的水系統相對復雜，其預處理和后處理等過濾單元與超濾凈水器、微濾凈水器都基本相似，在細菌污染和防控方面有其共性，本文以反滲透凈水器為代表，分析其污染情況，并提出防控措施。

凈水器是用來凈化水的，其自身潛在的污染問題往往容易被人們忽視。其實在凈水器的每個過濾單元中都有可能潛在滋生細菌，如：凈水器的預處理和后處理系統中PP棉濾芯、碳棒濾芯、管路、接頭等零部件，自身無抑菌功能，可能會滋生細菌；微濾芯、超濾芯或反滲透膜濾芯處理過的凈化水，如果儲存或使用不當，也有可能被污染。以反滲透（RO）凈水器為例，有桶RO凈水器的水箱長期儲存凈化水，不易清潔，時間長了后，水箱里會滋生細菌，影響水質；即濾型RO凈水器雖然沒有水箱，反滲透膜可以過濾掉細菌和病毒，但是從反滲透膜出水口到龍頭這一段水路，如果長時間不用水，也容易滋生細菌，出水有細菌污染的風險。

UV紫外殺菌作為一種成熟的技術方案在水處理行業已使用很長時間，UV殺菌屬于物理殺菌，是利用紫外射線對水中各種細菌病毒等微生物進行高效滅活，阻止細菌在水中的繁殖，以達到凈化效果。傳統UV汞燈是熱光源，有熱輻射，壽命短，尺寸大，效率低，不環保等缺點，正在被市場淘汰；而UVLED燈不但有傳統UV汞燈同樣的殺菌效果，而且還能克服傳統UV汞燈的不足。如何讓UVLED技術替代傳統UV汞燈在凈水器中得到應用，預防和控制凈水器潛在細菌污染問題，筆者以反滲透（RO）凈水器為例，進行不同實施方案的研究。

2 UVLED技術特點

UVLED（Ultra Violet Light Emitting Diode）即紫外發光二極管，是一種半導體固體發光器件，它是利用固體半導體芯片作為發光材料［1］。UVLED的光是冷光源、無熱輻射，被照物品表面溫升低，壽命長，燈的使用壽命是傳統UV汞燈10倍以上。UVLED的光線能量高度集中在某些特定的紫外光譜段，效率高；而傳統UV汞燈發出的光看上去亮度很高，但由于它的光譜很寬，熱量很高，真正起有效作用的紫外光譜段只占其中一部分能量，有相當大一部分是在可見光段(雜光)和紅外光譜段（導致熱量產生），沒有起到紫外殺菌作用。UVLED在瞬間開啟時，不需要預熱即可瞬間達到最大紫外輸出功率，使用壽命不受開關次數影響。UVLED不含汞，使用過程中也不會產生臭氧，是一種更安全、更環保的紫外殺菌光源。

3 反滲透凈水器細菌污染分析

反滲透凈水器能夠有效去除自來水中的細菌，但是在安裝和使用一段時間后，凈水器可能會出現細菌污染，出水微生物（菌落總數、總大腸菌群等）不達標情況；如果凈水器長時間放置不使用，那么微生物污染會更嚴重。GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》規定，凈水器出水的菌落總數不超過100CFU/mL。有桶凈水器帶有儲水桶，由于拆卸不方便，用戶很少清潔儲水桶，自來水經過反滲透膜后，水中余氯被過濾，失去抑菌環境，滋生的細菌在無活性氯的環境下，在桶體表面粘附、繁殖，并分泌粘液，隨著時間推移，細菌和粘液在表面不斷的積累，從而導致凈化水菌落總數超標問題［2］。用盛滿純水的水箱進行測試，當水箱放置三天后，水箱里的總菌落數由5CFU/mL很快上升到106CFU/mL，超過飲用水衛生標準，隨著時間的推移總菌落數將不斷上升，變化曲線如圖1所示；無桶式反滲透凈水器，凈化水從RO膜出水端到龍頭之間要經過后置活性炭濾芯和水管等涉水材料，其中顆粒活性炭材料對細菌生長有促進作用，會加重微生物污染。用5臺600G即濾型RO機樣機測試，機器放置12小時（模擬過夜）后，無殺菌處理，開機接取第一杯500ml水，檢測發現有三臺機器總菌落數超過飲用水衛生標準，其中一臺樣機總菌落數超標高達538CFU/mL，測試數據如表1所示。通過實驗不難看出，家用反滲透凈水器雖然有很好的過濾效果，但是在實際使用過程中還會有潛在的出水細菌污染問題，利用UVLED技術可以便捷有效的解決這個問題。

4 UVLED技術在反滲透凈水器中應用

反滲透凈水器一般有兩種型式，一種是有桶機型，RO膜出水流量小，凈化水先儲存在水箱里，使用時再從水箱里放出，來滿足用水需求；另一種是無桶機型，RO膜出水流量大，需要用凈化水時，直接開機制水［3］。有桶式RO機（水箱型）長期使用的儲水箱是滋生細菌的主要場所，可以把UVLED設計在水箱內部，進行定期殺菌；無桶式RO機（即濾型）后置活性炭濾芯對細菌生長有促進作用，如果機器停用一段時間，從反滲透膜到龍頭出水前這一段水路有潛在的細菌滋生，可以將UVLED燈設計在龍頭末端，采用過流方式，進行有效殺菌，來保證出水水質。

表1 即濾型RO機靜置12小時后，無殺菌處理，開機第一杯水總菌落數測試

圖1 水箱內總菌落數隨時間變化曲線

4.1 UVLED技術在有桶式RO機中的應用

有桶式RO機的凈化原理一般是自來水先經過預處理濾芯過濾，截留水中懸浮物、泥沙、鐵銹等固體雜質，并去除水中有機物、余氯等物質；然后通過反滲透RO膜凈化，去除水中重金屬離子、細菌、病毒等有害物質；再用后置活性炭吸附異色異味后注入儲水箱，需要用水時從水箱里直接放出。UVLED燈在水箱中可以有多種固定方式，不同的固定方式，殺菌效果差別很大。通過實驗裝置進行效果對比測試，找出最優的固定方式，這樣才能充分利用紫外輻射能量，提高殺菌效果。

4.1.1 UVLED燈不同固定方式分析

UVLED燈固定在水箱低部，燈光從下向上輻射，燈光照射時有一個輻射角度，在輻射角度內的殺菌效果好，在輻射角度外稱作輻射盲區，輻射強度弱，殺菌效果差；水箱排水口通常是在下方，這樣先排放出的水就是輻射盲區的水，菌落總數最易超標。UVLED燈固定在水箱上部，一般是集成在水箱蓋上，紫外線可以對下方的水全方位輻射，基本沒有輻射盲區。當水箱滿水時，輻射能量幾乎全部進入水里進行殺菌，能量損失最少，效果好；當水箱水在使用時，水位不斷下降，燈與水之間的空氣層逐漸增加，紫外線在空氣里快速衰減，紫外線穿過空氣層后進入水里時輻射能量會下降很多，殺菌效果變差［4］。如果要達到原有的殺菌效果，就需要延長紫外燈點亮時間或加大紫外燈功率，這樣對紫外燈和水箱壽命不利，經濟性也不好。UVLED燈固定在水箱上部或下部都各有利弊，通過設計，結合兩者優點，將UVLED燈置于水面上方，同時將燈靜態固定變成可上下浮動。當水位變化時，紫外燈與水面同步移動，使紫外燈與水面距離相對不變，避免有較大空氣層，從而保證紫外光被高效利用。

圖2 浮動式UVLED水箱結構圖

圖3 浮動式與固定式UVLED燈實驗裝置示意圖

4.1.2 浮動式UVLED燈結構實現形式

浮動式UVLED結構如圖2所示，與水接觸部分是一個浮球結構，起到固定紫外燈的作用，浮球的浮力需克服自身和UVLED燈的重量，可以浮在水面上方，并保持一個很小的距離。浮球用耐UV塑料制作，可以設計成兩半球狀，用超聲波工藝焊接成一體，也可以用吹塑工藝來實現。紫外燈上下浮動時，導線收納是關鍵，在運動過程中如果沒有很好的收放，會使導線散亂，甚至卡住浮球，影響運動靈活性和可靠性。為了解決導線收納問題，可以將導線設計成類似蚊香盤狀螺旋線，當燈隨水位上升時，線束可以有序地收納在一個平面內；當燈隨水位下降時，線束自動有序打開。導線本身收縮彈性較小，為使線束保持收放自如的彈性，較低成本方案之一是利用套管或熱縮管將導線束縛在螺旋彈簧上，使導線與彈簧構成一體，形成一個螺旋導線。

4.1.3 浮動式與固定式UVLED殺菌效果對比測試

取水箱剩余一半水量為測試樣本，加標水初始總菌落數為23100CFU/mL，浮動式UVLED燈通過浮球置于水面上方，固定式UVLED燈固定在水箱蓋上，實驗裝置如圖3所示。1#和2#水樣用浮動式UVLED燈殺菌，殺菌燈始終距離水面近，殺菌效率高，照射時間約25min后，水里總菌落數降到100CFU/mL以下，達到國家飲用水標準；3#和4#水樣用固定式UVLED燈殺菌，殺菌燈只能始終在水箱蓋位置，距離水表面遠，殺菌效率差，照射50min后，水里總菌落數才降到100CFU/mL以下。由測試數據可以分析，浮動式UVLED殺菌時間可以縮短一半，效率提升一倍，UVLED燈和塑料水箱的使用壽命都能相應得到延長。對比測試數據如表2所示。

4.2 UVLED技術在即濾型RO機中的應用

即濾型RO機是沒有水箱，RO膜流量大，開機后反滲透膜產生的純水，直接從龍頭排出，紫外線燈對流動狀態的水進行實時殺菌。由于水是流動狀態，當龍頭打開時，紫外燈要同步開啟，并瞬間達到輻射強度峰值，這樣流動的水才能得到有效殺菌。為了保證每次龍頭放出的第一杯水總菌落數不超標，紫外燈的位置離龍頭出水口盡量近，縮短非殺菌水路距離，提高殺菌效果。

4.2.1 傳統紫外汞燈在凈水龍頭上運用分析

目前市場上凈水龍頭有使用傳統紫外汞燈的案例，有的是把紫外汞燈模塊串聯在龍頭進水口下方，現場安裝不方便，紫外燈后面還有一段較長的非殺菌水路；有的是把紫外汞燈放在凈水龍頭主柱內部，龍頭體積大，凈水龍頭與生活用水龍頭尺寸差不多，占用臺面空間，操作不方便，整體不協調。凈水龍頭用傳統紫外汞燈設計有幾個缺點：一是燈開啟后不能瞬間達到峰值，由于接水時間比較短，當燈功率上升到最大值時，接水動作基本結束，對流動水殺菌效果不好；二是紫外汞燈不適合頻繁啟停，即濾型RO機使用場景通常是短時間用水后關掉，這樣頻繁啟停的紫外汞燈壽命衰減快；三是紫外汞燈尺寸大，凈水龍頭體積小，兩者結構尺寸不好匹配。

4.2.2 UVLED燈在凈水龍頭上的實現形式

UVLED燈具有能瞬間啟動、可以頻繁啟停、尺寸小等特點，正好適合凈水龍頭末端殺菌的需求，可以把UVLED技術應用到凈水龍頭上，設計成新型的UVLED凈水龍頭，結構如圖4所示。凈水龍頭由龍頭主體和出水段兩部分結構組成，根據龍頭出水流量的大小來確定UVLED燈位置和數量，如果是小流量龍頭，可以在龍頭主體上方布置一顆UVLED燈；如果是大流量龍頭，可以在龍頭主體上方和下方各布置一顆UVLED燈。螺旋狀石英管布置在兩個燈中間，水路結構采用螺旋狀設計，目的是間接延長水路，增加水被照射時間，提高殺菌效果。在石英管水路與龍頭主體內壁之間有一層反射膜，如錫紙等，將紫外光反射回去再次利用，圓形狀反射表面可以實現多次反射，這樣紫外線被重復利用，進一步提高殺菌效果。

4.2.3 UVLED凈水龍頭殺菌效果測試

使用相同600G即濾芯型RO測試樣機，出水末端換成UVLED龍頭，其余測試條件相同，靜置12小時后放出第一杯500ml水，測試總菌落數，五個樣本出水的總菌落數均沒有超過國家飲用水標準，并且還遠低于標準值，測試數據如表3。

圖4 UVLED凈水龍頭結構示意圖

表2 浮動式與固定式UVLED殺菌效果對比測試

表3 即濾型RO機靜置12小時后，UVLED龍頭放第一杯水總菌落數測試

5 結束語

根據反滲透凈水器的不同特點，對潛在細菌滋生的預防控制，UVLED可以有不同實現方案：有桶式凈水器可以設計成浮動UVLED燈，與水箱水位同步變化，進行高效殺菌；即濾式凈水器（無桶型）可以設計成UVLED龍頭，在出水未端進行過流式殺菌。無論哪種解決方案，均能較好的預防控制凈水器潛在的細菌污染問題。UVLED燈效率高、壽命長、尺寸小、節能環保，這幾年正在被推廣使用。由于UVLED技術較新，還沒有被大規模應用，成本相對傳統汞燈高些，但隨著技術的成熟和制造效率的提高，其成本會進一步降低，在家用產品中將會有更多的應用。隨著技術逐漸成熟，UVLED技術可以在凈水產品或其他有殺菌需求的類似產品上被運用。