紫外線消毒系統中超聲波抑垢的機制及參數優化

摘要"紫外消毒技術因具有無須投加化學藥劑、消毒廣譜性、產生副產物少等優勢越來越受重視，但石英套管結垢引起的消毒效果難以保障，成為限制紫外消毒技術發展的瓶頸。在污水廠紫外線消毒渠中搭建中試試驗裝置，利用超聲波抑制石英套管結垢，結果表明，超聲波能通過延長結垢誘導期來抑制垢的生成；以相對紫外線強度為考察對象，通過單因素試驗確定超聲波功率、清洗周期、超聲時間合適的范圍分別在500～1 000 W、0.5～1.0 d、20～40 min；對于使用時間為0、0.5、1、3、5 a的石英套管，超聲波均有很好的抑垢效果。為了進一步優化參數，采用 Box-Behnken設計法和響應面分析方法對主要因素加以優化，得到了響應面回歸模型和最優解。結果表明，超聲波技術抑垢清垢的優化工藝參數為超聲波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超聲時間t=34 min，預測相對紫外線強度最大值為1.01。通過統計學檢驗，模型具有良好的擬合性，在優化工藝條件下得到的相對紫外線強度預測值與試驗值接近，誤差為1.00%。

關鍵詞 超聲波;"紫外線消毒;"石英套管;"結垢;"響應面法

紫外線消毒是一種廣泛應用的物理消毒技術，通過細胞的遺傳物質（DNA和RNA）吸收紫外線形成嘧啶二聚體來阻止其復制和轉錄，使得微生物不能新陳代謝而失活^[1]；同時光解產生的H·可以破壞細胞膜^[2-3]。紫外線消毒具有無須投加化學藥劑、消毒廣譜性、產生副產物少等優勢，在城鎮污水消毒處理中被廣泛使用。隨著紫外線消毒技術的普及，人們發現紫外線消毒存在一些天然的缺陷，如無持續消毒能力、光復活和石英套管結垢等^[4-6]。紫外線無持續消毒能力可以通過投加少量氯解決，且污水消毒對余氯并沒有下限要求；當紫外線劑量足夠多時，可以明顯削弱病原體光復活的能力。結垢是紫外線消毒系統中決定劑量的最關鍵問題之一，會直接降低石英套管紫外穿透率，大大降低影響紫外線設備的消毒劑量，導致水質不達標。

目前，對于紫外線抑垢系統常用的有機械清洗、機械化學聯合清洗^[7]和超聲波清洗^[8]等技術。機械清洗、機械化學聯合清洗都具有連續在線清洗、自動化程度高等優點，但處理效果不顯著。首先，它們會對石英套管表面產生很大損傷，提高了結垢率；其次，兩者對鐵垢的去除效果不顯著，而鐵垢是污垢中吸收紫外線能力較強的金屬元素；最后，機械化學聯合清洗效果優于機械清洗，但是因化學清洗劑的存在難以應用于自來水消毒。

超聲波清洗是利用其在傳播過程中產生的空化效應等特性，無須添加化學清洗劑就能達到很好的抑垢或除垢效果，目前已經廣泛應用于工業生產的諸多領域^[9-10]，但當前超聲波抑制石英套管結垢的研究相對缺乏，超聲波抑垢的機制以及影響因素的研究不夠全面，嚴重阻礙了超聲波清洗技術的進一步推廣。為此，針對實際污水處理廠中紫外線消毒渠中常見的結垢問題，搭建超聲波抑制石英套管結垢裝置，對超聲波抑垢的機制、影響因素進行研究。

1"試驗

1.1"試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，污水處理廠二級處理后的出水進入燈管排架所在的明渠式紫外線消毒渠，經過一段時間后，紫外線燈管表面的石英套管表面會結垢。將由不銹鋼外殼和超聲波震頭組成的超聲波震動棒通過套環固定在實心鋼管上，通過鏈條松緊裝置調整鏈條松緊程度。清洗時開啟超聲波發生器，通過導線使超聲波震動棒發出超聲波；同時將電動機通電，鏈條驅動超聲波震動棒在實心鋼管上通過齒輪來回移動，實現對石英套管的全面抑垢保證高紫外線透射率。中試現場如圖2所示，試驗時僅需更換1組紫外燈排架即可。

1.2"試驗方案及評價指標

1.2.1"試驗方案

取已結垢的、相對紫外線強度為0的150 cm石英套管，按照前端、中端和后端的位置各取10 cm長的試驗片段，將10 cm長的試驗片段放入500 mL燒杯中，使用0.1 mol/L稀鹽酸進行溶解，靜置8 h取溶液，測量污垢的金屬成分。

試驗在臨沂市第二污水處理廠開展，試驗用水為污水廠的二沉池出水。在超聲波功率P=1 000 W、清洗周期T=1.0 d、超聲時間t=30 min的情況下，運行試驗裝置；同時在距離裝置150 cm處設置對照組，無超聲波影響，其余參數相同。運行13.5 d后比較石英套管結垢情況。

分別以超聲波功率、清洗周期、超聲時間和石英套管使用時間作為單因素變量，研究對超聲波抑制石英套管結垢的影響規律。在此基礎上，使用響應面分析法，分析各因素的交互作用及最優解。

1.2.2"評價指標

紫外線強度由遠方U-20輻照計測量，單位為μW/cm²。定制一支長120 cm、截面為直徑5.5 cm的圓石英套管，測量時先校零再將探頭放入石英套管中，深入水中緊貼待測紫外線燈管，待紫外線強度穩定后讀數，相對紫外線強度按式（1）計算。每間隔0.5 d測定1次紫外線強度，每次試驗運行6.5 d。1根石英套管長1.5 m，平均分成前端、中端和后端，每次將探頭緊貼石英套管表面測量光強。

式中：U′為相對紫外線強度；U_t表示t時紫外線強度；U₀表示初始紫外線強度。

2"試驗結果與討論

2.1"石英套管表面垢的成分

從某污水處理廠深度處理工藝中收集已結垢石英套管，分析其中的金屬成分，結果如圖3所示。觀察到Ca為污垢金屬成分中占比最高的部分，占比89%～91%。這表明，紫外線燈管的熱輸出導致了CaCO₃等化合物因溫度升高使得溶解度下降從而在水中析出^[11]，積累在石英套管表面。

除了Ca之外，還檢測了Mn、Mg、Fe、Zn和Al等，占比9%～11%。Fe的含量雖低，但對實際消毒系統的影響很大。Fe的摩爾吸光系數是Ca的3倍以上，吸收紫外線的能力更強^[12]；另外，鐵垢更難去除，傳統的機械-化學聯合清洗不能很好地抑垢或除垢。除此之外，Fe、Mn等元素與Ca產生共沉淀，會導致CaCO₃的析出結垢。

2.2"超聲波抑垢的機制

圖4為中試設備在不同條件下相對紫外線強度變化圖，分別為超聲波清洗組與對照組。

取超聲波清洗組、對照組運行不同天數的石英套管碎片進行SEM掃描，如圖5所示，其中圖5（a）～（e）、圖5（f）～（j）分別代表在超聲波條件、對照組運行不同天數下的掃描結果。在對照組結垢的初始階段，第1天的相對紫外線強度維持在1左右，并沒有污垢產生，如圖5（f）所示，這一時間段主要是成垢粒子在固體表面形成晶核，即結垢處于誘導期，需要一定時間才能產生結垢，再積累在石英套管表面；到第4天，相對紫外線強度下降到0.85，初始污垢已經形成，如圖5（h）所示，石英套管表面為溶質分子提供了更多的附著位點，污垢開始穩定增長，相對紫外線強度開始快速下降；到第13天，相對紫外線強度只有0.49，石英套管表面已經被污垢覆蓋，如圖5（j）所示，紫外線燈已經逐漸喪失消毒能力。

石英套管表面結垢的形成有一系列顯著特點^[13]，其中之一就是誘導期，表現在相對紫外線強度上就是其值維持在1.00左右。在表面形成沉積物之前，成垢粒子必須從水溶液轉移到石英套管表面，如果預先形成大粒徑顆粒，會通過重力作用附著在表面。一旦附著在表面，就會產生新的附著點，石英套管表面不斷被污垢覆蓋，此時相對紫外線強度開始下降。

對比超聲波清洗組結垢的各階段，相對紫外線強度均維持在1.00左右，SEM圖片表明，試驗中的石英套管表面基本上無結垢現象，表明石英套管結垢一直處在誘導期，此時污垢不足夠堅固，難以承受侵蝕，超聲波的空化效應很容易去除這些“新垢”，大大延長了結垢的誘導期，可以有效抑垢。

2.3"單因素試驗

2.3.1"超聲波功率

以超聲時間30 min、清洗周期1.0 d為體系，通過調控不同的超聲波功率（分別為100、300、500、700、1 000 W）來考察不同超聲波功率對超聲波抑垢效果的影響，結果如圖6所示。以圖6（a）前端為例（下同），隨著超聲波功率的增加，最終的相對紫外線強度越高，說明超聲波清洗的效果越好。當超聲波功率為100 W時，最終的相對紫外線強度僅約0.75；當超聲波功率在500～1 000 W時，最終的相對紫外線強度超過0.95。

改變超聲波功率實際上調整了超聲波的聲壓幅值。所謂聲壓，是指某一點在聲場中某一瞬時的壓強與無聲波存在時的靜壓強之差^[14]。聲壓的改變會影響空化場的壓強和氣含率，當提高超聲波功率時，聲壓幅值增大，水體的汽含率升高。此時，在超聲波的正壓區，超聲波傳遞的能量對空化泡的膨脹作用更顯著，空化泡的體積增大；而在負壓區，超聲波傳遞的能量對空化泡的壓縮作用加強，增加了空化泡減小的體積量。這種周期性變化必然導致空化泡體積變化頻率提高、變化幅度增加，運動更加劇烈，但也延長了空化泡的振動周期。即提高超聲波功率會增加聲壓幅值，促進空化效應。

但超聲波功率并不是越高越好。超聲強度有一個臨界值，超過這個臨界值，氣泡往往會變得太大，在振動周期中沒有足夠的時間進行坍塌。此外，高超聲強度會產生大量的氣泡，它們會在超聲波換能器表面聚集從而形成一道屏障，束縛了超聲能量的進一步傳播，導致抑制作用，超聲波空化效應的效率整體上降低，削弱了對遠離聲源的污垢的抑垢效果^[15]。同時功率越大，共振與剪切力作用越激烈，造成被清洗設備的損傷。因此，超聲波功率還需要在500～1 000 W進行進一步優化。

2.3.2"清洗周期

試驗中以超聲波功率1 000 W、清洗時間30 min為體系，通過調控不同的清洗周期（分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 d）來考察不同清洗周期對超聲波抑垢效果的影響，結果如圖7所示。清洗周期為0.5～1.0 d時，相對紫外線強度維持在1.00左右；當清洗周期在1.0～3.0 d時，相對紫外線強度緩慢下降，且在每次超聲波運行后會出現反彈。

結垢處于誘導期時，污垢不會完全覆蓋石英套管表面，而且此時其與石英套管表面的黏附強度較弱，所以在誘導期通過超聲波的空化效應很容易去除這些“新垢”^[16-17]。然而，當結垢處于誘導期末期或者處于生長期時，石英套管表面已經出現大量結垢現象甚至表面已經完全被污垢層覆蓋，污垢與石英套管表面的黏附程度已經很強。在這種情況下，超聲波空化效應所產生的高溫高壓對污垢的剝離作用弱。所以清洗周期在1.5～3.0 d時，相對紫外線強度已經不能維持在1.00，呈現波動式下降的現象，在超聲波震動棒運行時，相對紫外線強度會回升，但總體仍呈下降趨勢，超聲波僅僅延緩了石英套管表面被污垢完全覆蓋的時間。綜上所述，超聲波抑制石英套管結垢的清洗周期要在0.5～1.5 d進行進一步優化。

2.3.3"超聲時間

試驗中以超聲波功率1 000 W、清洗周期1.0 d為體系，通過調控超聲時間（分別為10、20、30、40、50 min）來考察不同超聲時間對超聲波抑垢效果的影響，結果如圖8所示。超聲時間越長，抑垢效果越好。當超聲時間為30 min時，最終相對紫外線強度約為1.00；當超聲時間延至50 min時，相對紫外線強度始終保持在1.00左右。

在結垢誘導期加入超聲波，隨著超聲時間的不斷增加，結垢顆粒剝蝕累積量相應提高，直到超過其在石英套管表面的附著量，結合圖8相對紫外線強度的變化情況可以看出，加入超聲波后，前期其數值緩慢下降，經過一段時間后保持不變，此時剝蝕量與結垢量幾乎相等。

可見，增加超聲時間可以提高超聲波抑垢的效果，但是超聲時間越長，耗電成本就越高，也會降低超聲波震動棒的使用壽命。結合經濟性原則，考慮超聲時間為20～40 min進行進一步優化。

2.3.4"石英套管使用時間

以超聲波功率1 000 W、清洗周期1.0 d為體系，通過調控超聲時間為30 min，使用運行時間不同的石英套管，考察超聲波的抑垢效果，結果如圖9所示。對于使用時間為0、0.5、1、3、5 a的石英套管，最終相對紫外線強度均在0.90以上，分別為1.00、0.97、0.95、0.93、0.92，說明超聲波對使用時間不同的石英套管均有很好的抑垢效果。

石英套管使用時間不同，造成其表面相對粗糙度不同。石英套管使用時間越長，表面劃痕、“孔洞”越多，為成垢粒子提供了更多的附著點，結垢更快。引入超聲波會減薄石英套管表面的水體動力邊界層，進而削弱成垢粒子的表面黏附力，致使更多粒子直接暴露于水體中，達到更佳的清洗效果。

試驗結果說明，超聲波可以通過大范圍的空化效應，阻礙成垢粒子在劃痕、“孔洞”處的附著，可以很好地抑制“永久性結垢”。

2.4"響應面試驗

2.4.1"因素選取與BBD試驗設計

響應面分析包括3個層面^[18]：首先，考察顯著性因素，依據文獻研究或單因素試驗確定最優水平，選擇合適的實驗設計方法；其次，構建適用模型，進行顯著性檢驗，得到擬合方程；最后，對模型進行求解，得到最優解，了解各因素對響應變量的影響。總而言之，就是實驗設計、模型擬合和過程優化^[19]。

根據單因素實驗結果，在超聲波抑制石英套管結垢的過程中，石英套管使用時間影響不大，影響其抑垢效率的主要因素為超聲波功率、清洗周期和超聲時間，分別以A、B、C表示，用1、0、-1對每個因素的最大值、平均值和最小值進行編碼，以相對紫外線強度為響應變量Y，如表1所示。

2.4.2"二次回歸模型及方差分析

采用Design-Expert軟件對試驗數據進行分析，擬合得到各因素關于一二次效應及交互效應的多項式線性回歸二次方程，具體函數關系式見式（2）。

式中：Y為相對紫外線強度；A為超聲波功率P；B為清洗周期T；C為超聲時間t。

二次回歸模型的方差分析結果如表2所示。方差分析：模型P值lt;0.050 0，表明該模型具有顯著性，與試驗數據的擬合精度高，可以進行后續的優化設計；失擬項P值gt;0.050 0表明不顯著，說明模型在被設計的回歸區域中擬合較好。

從結果來看，一次項A、B、C及二次項A²、C²均對超聲波抑垢效果有顯著的影響，交互作用AC也有顯著的影響。在研究的3個因素中，對超聲波抑垢效果影響的顯著性大小依次為超聲波功率gt;清洗周期gt;超聲時間。

2.4.3"顯著性分析

在軟件Design-Expert13中可以得出預測值與實際值的分布圖、殘差的正態概率分布圖和殘差與預測值的分布圖，如圖10所示。圖10（a）表明預測值與實際值對應關系圖基本在一條直線上；圖10（b）表明殘差的正態功率也大部分在一條直線上，說明模型的適應性較好；圖10（c）表明殘差與預測值的對應關系模糊、無明顯規律，說明模型是顯著的。從圖10可以看出，響應面法設計模型分析超聲波抑制石英套管結垢的顯著性高。

2.4.4"交互效應分析

因素AC（超聲波功率P與超聲時間t）的三維立體響應曲面圖和二維等高線圖如圖11所示。在清洗周期T不變的條件下，超聲波功率P與超聲時間t有一定的交互作用；從響應曲面圖可以看出，增大超聲波功率P與超聲時間t，相對紫外線強度隨之提高，相對紫外線強度存在極大點，極大點出現在超聲波功率P在600～1000 W、超聲時間t在20～40 min的范圍內。

2.4.5"最優解及試驗驗證

從響應曲面圖和等高線圖可以觀察到二次回歸模型的最優解，即可根據圖像確定超聲波抑制石英套管結垢的最佳運行參數范圍。分別對A、B、C求導，聯立求解，所得結果即為最佳運行參數，得到超聲波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超聲時間t=34 min，得到相對紫外線強度最大值為1.01。

根據優化結果，結合現場試驗調控條件，得出運行的最優參數為：超聲波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超聲時間t=34 min。運行超聲波清洗石英套管結垢的試驗，最終得到相對紫外線強度為1.00，與預測值的相對誤差為1.00%，表明該模型能夠很好地擬合實驗數據，相關性明顯，可以精確地預測響應值。即采用響應面法應用于超聲波抑制石英套管結垢工藝參數的優化合理。

3"結論

針對搭建的超聲波中試試驗平臺，利用污水廠二沉池出水為原水，進行了紫外消毒系統的超聲波抑垢試驗，得到以下主要結論：

1）Ca代表了污垢金屬成分中占比最高的部分，在89%～91%；Mn、Mg、Fe、Zn和Al等占比較低，在9%～11%。

2）超聲波功率、清洗周期、超聲時間對超聲波清洗效果有明顯的影響；石英套管使用時間則影響較小，說明對“永久性結垢”也有很好的清洗效果。

3）超聲波可以通過延長結垢誘導期來抑制石英套管結垢。

4）根據響應面分析試驗，超聲波功率的二次方、超聲時間的二次方、超聲波功率×超聲時間也有顯著影響。最佳運行條件為超聲波功率P=965 W，清洗周期T=0.5 d，超聲時間t=34 min。

參考文獻

1 王黛瑤，"李恩，"李剛，"等."飲用水紫外-氯聯合消毒工藝研究進展[J]."凈水技術，"2020，"39（10）："94-101.

WANG D Y，"LI E，"LI G，"et al."Research progress of ultraviolet-chlorine combined disinfection process for drinking water [J]. Water Purification Technology，"2020，"39（10）："94-101."（in Chinese）

2 HALLMICH C，"GEHR R."Effect of pre- and post-UV disinfection conditions on photoreactivation of fecal coliforms in wastewater effluents [J]. Water Research，"2010，"44（9）："2885-2893.

3 BOSSHARD F，"RIEDEL K，"SCHNEIDER T，"et al."Protein oxidation and aggregation in UVA-irradiated Escherichia coli cells as signs of accelerated cellular senescence [J]. Environmental Microbiology，"2010，"12（11）："2931-2945.

4 FITZHENRY K，"CLIFFORD E，"ROWAN N，"et al."Bacterial inactivation， photoreactivation and dark repair post flow-through pulsed UV disinfection [J]. Journal of Water Process Engineering，"2021，"41："102070.

5 符家瑞，"周艾珈，"劉勇，"等."我國城鎮污水再生利用技術研究進展[J]."工業水處理，"2021，"41（1）："18-24， 37.

FU J R，"ZHOU A J，"LIU Y，"et al."Research progress of urban sewage reclamation technology in China [J]. Industrial Water Treatment，"2021，"41（1）："18-24， 37."（in Chinese）

6 鄭毅豪，"李夢凱，"張軍，"等."市政污水紫外線消毒運行效果的影響因素分析[J]."中國給水排水，"2022，"38（20）："14-19.

ZHENG Y H，"LI M K，"ZHANG J，"et al."Analysis of influencing factors on the operation effect of ultraviolet disinfection of municipal sewage [J]. China Water amp; Wastewater，"2022，"38（20）："14-19."（in Chinese）

7 孫文俊，"呂東明."紫外線技術在我國城鎮給排水處理中應用的挑戰和趨勢[J]."凈水技術，"2023，"42（3）："1-6.

SUN W J，"Lü D M."Challenge and trend of UV technology application in urban water supply and drainage treatment at home [J]. Water Purification Technology，"2023，"42（3）："1-6."（in Chinese）

8 徐元哲，"吳路光."一種智能水體紫外殺菌裝置："CN208182766U [P]. 2018-12-04.

XU Y Z，"WU L G."An intelligent ultraviolet sterilization device for water bodies："CN208182766U [P]. 2018-12-04."（in Chinese）

9 LIMA J F，"VILAR E O."The use of ultrasound to reduce cathodic incrustation [J]. Ultrasonics Sonochemistry，"2014，"21（3）："963-969.

10 BHASARKAR J B，"CHAKMA S，"MOHOLKAR V S."Investigations in physical mechanism of the oxidative desulfurization process assisted simultaneously by phase transfer agent and ultrasound [J]. Ultrasonics Sonochemistry，"2015，"24："98-106.

11 COTO B，"MARTOS C，"PE?A J L，"et al."Effects in the solubility of CaCO₃： Experimental study and model description [J]. Fluid Phase Equilibria，"2012，"324："1-7.

12 WAIT I W，"BLATCHLEY E R Ⅲ."Model of radiation transmittance by inorganic fouling on UV reactor lamp sleeves [J]. Water Environment Research，"2010，"82（11）："2272-2278.

13 MACADAM J，"PARSONS S A."Calcium carbonate scale formation and control [J]. Re/Views in Environmental Science amp; Bio/Technology，"2004，"3（2）："159-169.

14 QASIM M，"DARWISH N N，"MHIYO S，"et al."The use of ultrasound to mitigate membrane fouling in desalination and water treatment [J]. Desalination，"2018，nbsp;443："143-164.

15 張艾萍，"張恒，"張越."超聲波除垢的影響因素分析[J]."熱能動力工程，"2017，"32（7）："130-134， 144.

ZHANG A P，"ZHANG H，"ZHANG Y."Analysis and outlook on the influencing factors of ultrasonic descaling [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，"2017，"32（7）："130-134， 144."（in Chinese）

16 PENG J，"QIU Y，"GEHR R."Characterization of permanent fouling on the surfaces of UV lamps used for wastewater disinfection [J]. Water Environment Research，"2005，"77（4）："309-322.

17 MESSER M，"ANDERSON K，"ZHANG X A，"et al."Effect of surface roughness on mixed salt crystallization fouling in pool boiling [J]. Desalination and Water Treatment，"2022，"274："219-229.

18 MYERS R H，"MONTGOMERY D C，"ANDERSON-COOK C M."Response surface methodology： Process and product optimization using designed experiments [M]. 4th edition."Beckyand James："John Wiley amp; Sons， Inc，"2016.

19 李莉，"張賽，"何強，"等."響應面法在試驗設計與優化中的應用[J]."實驗室研究與探索，"2015，"34（8）："41-45.

LI L，"ZHANG S，"HE Q，"et al."Application of response surface methodology in experiment design and optimization [J]. Research and Exploration in Laboratory，"2015，"34（8）："41-45."（in Chinese）