紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法技术

本发明专利技术公开了紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法。该方法通过仿真得出微生物随水流作用在紫外杀菌净水器内的流动轨迹；对轨迹采样获取系列坐标点、两采样点之间的时间间隔；通过辐照度分析得出空间各点紫外的辐照强度，与间隔时间相乘得到微生物两采样点间运动过程中获得的紫外辐照剂量；根据空间分布，选择轨迹线上采样点的数量及采样点的间隔，获得定量的整体有效剂量。本发明专利技术借助仿真手段，模拟微生物随水流运动轨迹、停留时间及其受紫外辐射强度的动态数值。外辐射强度的动态数值。外辐射强度的动态数值。

【技术实现步骤摘要】
紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法


[0001]本专利技术涉及水消毒领域，特别涉及紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法。

技术介绍

[0002]水是生命之源，是人类赖以生存和发展的不可缺少的物质资源之一。地球有“水球”之称，但淡水资源仅占全球水量的2.53％。在全球淡水资源中，大部分储存在南北两极的固体冰川及永冻土底冰中，其中87％是人类难以开发利用的淡水资源。而在地下淡水中，绝大部分埋藏很深，人类可以直接开发利用的淡水资源仅占全球水量的0.25％。由此，尽管地球上的水数量巨大，但能被人类直接利用于生产和生活的水量少之又少。这部分仅有的淡水资源在地区分布上又极不均匀，按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果9个国家的淡水资源占世界淡水资源的60％。而全球有约11亿人、80个国家和地区淡水不足，其中26个国家的3亿多人口完全生活在缺水状态。本世纪以来，随着人口膨胀与工农业迅猛发展，全球的淡水用量飞快增加，淡水资源供需矛盾越发显著。
[0003]近年来，受气候变化、环境污染、人为因素的影响，导致地球上的水资源逐渐减少和变差，水资源受到不同程度的污染。水资源污染只要分为化学污染和微生物污染。据联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有数百万吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每年约有4200多亿立方米污水排入江河海。大面积的地下水、地表水污染加剧了水资源短缺问题。经济的发展使得水污染现象日趋严重，水污染不仅破坏生态环境，而且会影响人类的健康和生命。目前，国内外由水中检出的有机污染物己有2000余种，其中114种具有或被疑具有致癌、致畸、致突变的“三致物质”。
[0004]自来水厂所生产的水在到达用户水龙头之前需要通过漫长的管网配水过程，在这个过程中，受到水管材质，水厂出水水质，管网健康状况和微生物暗复活等等影响，市政管网就如同一个巨大的反应器，可能会造成水厂已经处理完成的水又被污染的现象。针对这种情况，需要提高出厂水的稳定性，加强管网维护工作等。此外，为了获得安全的饮用水，现在越来越多的城市居民采用家用净水器来净化自来水。
[0005]紫外线对微生物有很好的杀灭作用，其原理主要是基于核酸对紫外线的吸收，在波长为253.7nm时，微生物的DNA或RNA对紫外线的吸收率达到峰值。一方面，紫外线照射激发一系列光化学反应会破坏或改变病菌中DNA和RNA 的分子结构，阻止DNA或RNA的复制，最终导致病原菌灭活。另一方面，紫外线与水接触，会产生氧化能力较强的自由基，这些自由基也是很好的消毒剂。与传统汞灯紫外光源相比，UV
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LED具有光谱半峰宽度窄、效率高、功耗小、寿命长、响应快、无任何有害物质等诸多优点，具有非常广阔的应用价值和市场前景。
[0006]现有技术中的紫外汞灯净水器，发光单元故障时，需要更换整根灯管，维护费用高；且汞灯具有有害物质；而现有的紫外杀菌净水器中，有的结构复杂，且存在响应慢、效率低、功耗高的缺点(张宇菲,耿庆松,刘志强.紫外杀菌装置在反渗透净水机末端的应用研究
[J].家电科技,2018(07):27
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29.)。现有微生物紫外剂量的测量方法需要微生物培养计数的，耗时长。传统生物验证法中，重复次数最多的环节为图3中的微生物培养计数环节，因为平行光测试以及溶解氧荧光法测试均是参考标准的建立环节，往往只需要进行一两次，而微生物培养计数环节作为实际验证环节，需要循环往复的进行，每次均需要对水样剩余微生物进行采样计数，消耗的总时间要长得多。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0008]基于紫外杀菌净水器的一种微生物紫外剂量的测量方法，包括以下步骤：
[0009]S1、通过仿真得出微生物随水流作用在紫外杀菌净水器内的流动轨迹；
[0010]S2、对轨迹采样获取系列坐标点、两采样点之间的时间间隔；
[0011]S3、通过辐照度分析得出空间各点紫外的辐照强度，与间隔时间相乘得到微生物两采样点间运动过程中获得的紫外辐照剂量；
[0012]S4、根据空间分布，选择轨迹线上采样点的数量及采样点的间隔，获得定量的整体有效剂量。
[0013]进一步地，步骤S1中，通过建模软件建立紫外杀菌净水器的几何模型，抽取内部流道作为计算域；使用计算流体动力学的软件，例如Ansys平台的 FLUENT等软件，划分离散化该计算域，根据环境以及水流状态，设置紫外杀菌净水器工作的初始条件，使用离散相模型投入粒子，模拟微生物的运动轨迹，导出其运动数据。
[0014]进一步地，步骤S2中，紫外辐照强度乘以微生物微团流经紫外杀菌净水器过程中的紫外曝光时间得到紫外辐射剂量：
[0015]D＝I
×
t；
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(1)
[0016]其中，D表示紫外辐射剂量，单位为mJ/cm2；I表示紫外辐照强度，单位为mW/cm2；t表示紫外曝光时间，单位为s；直接使用公式(1)的条件比较苛刻，需要保证紫外辐照强度I的均匀分布；一般只有在使用平行光束仪时，才能够准确的测定均匀紫外照射强度以及微生物微团接收照射的时间；但是紫外杀菌净水器内的水流状态是不均匀的，紫外LED的排布不管如何精细设计也几乎不可能做到使紫外杀菌净水器内紫外辐照强度完全均匀，而微生物是随着水利状态运动的；这就使得微生物的时间
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位置关系不确定，且相应位置的紫外辐照强度不确定；
[0017]对于存在空间变化的强度分布模型来说，紫外辐射剂量的公式转变为：
[0018][0019]则：
[0020][0021]公式(3)为微生物微团随水流运动获得紫外剂量的基本计算形式，其中就是微团运动的瞬时速率，ds代表粒子运动轨迹；而微团是根据水力状态运动的，结合流体动力学
控制方程，用I(x,y,z)表示在(x,y,z)的紫外辐照强度，则紫外剂量方程表示为：
[0022][0023]公式(4)为辐流耦合的紫外剂量计算方程，进行离散化计算，具体如下：
[0024]分别进行流体力学模型和光学辐射场模型的计算，由流体力学模型获得结合能量场的微生物的运动轨迹及相应时间节点，再将此数据代入光学辐射场模型中进行计算，设微生物微团运动了一小段距离ds所用的时间为dt；因为距离非常的小，所以距离ds内的紫外辐照强度可视为定值，于是对于整条轨迹，其紫外辐射剂量为：
[0025]D＝∫I[x(t),y(t),z(t)]dt；
ꢀꢀ
(5)
[0026]其中紫外辐射剂量I会随着微团位置的变化而改变，而位置坐标又是随着时间变化的；
[0027]相邻两个采样点的辐照强度也是相接近的，因此采用等距采样比使用等时采样获得的近似结果更为合理，两个采样点之间的曲线距离为Δs；假设微生物微团从入口运动到位置l1所用时间为t1，运动到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过仿真得出微生物随水流作用在紫外杀菌净水器内的流动轨迹；S2、对轨迹采样获取系列坐标点、两采样点之间的时间间隔；S3、通过辐照度分析得出空间各点紫外的辐照强度，与间隔时间相乘得到微生物两采样点间运动过程中获得的紫外辐照剂量；S4、根据空间分布，选择轨迹线上采样点的数量及采样点的间隔，获得定量的整体有效剂量。2.根据权利要求1所述的紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法，其特征在于，步骤S1中，通过建模软件建立紫外杀菌净水器的几何模型，抽取内部流道作为计算域；使用计算流体动力学的软件，划分离散化该计算域，根据环境以及水流状态，设置紫外杀菌净水器工作的初始条件，使用离散相模型投入粒子，模拟微生物的运动轨迹，导出其运动数据。3.根据权利要求1所述的紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法，其特征在于，步骤S2中，紫外辐照强度乘以微生物微团流经紫外杀菌净水器过程中的紫外曝光时间得到紫外辐射剂量：D＝I
×
t；
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(1)其中，D表示紫外辐射剂量，单位为mJ/cm2；I表示紫外辐照强度，单位为mW/cm2；t表示紫外曝光时间，单位为s；直接使用公式(1)的条件比较苛刻，需要保证紫外辐照强度I的均匀分布；对于存在空间变化的强度分布模型来说，紫外辐射剂量的公式转变为：则：公式(3)为微生物微团随水流运动获得紫外剂量的基本计算形式，其中就是微团运动的瞬时速率，ds代表粒子运动轨迹；而微团是根据水力状态运动的，结合流体动力学控制方程，用I(x,y,z)表示在(x,y,z)的紫外辐照强度，则紫外剂量方程表示为：公式(4)为辐流耦合的紫外剂量计算方程，进行离散化计算，具体如下：分别进行流体力学模型和光学辐射场模型的计算，由流体力学模型获得结合能量场的微生物的运动轨迹及相应时间节点，再将此数据代入光学辐射场模型中进行计算，设微生物微团运动了一小段距离ds所用的时间为dt；距离ds内的紫外辐照强度可视为定值，于是对于整条轨迹，其紫外辐射剂量为：D＝∫I[x(t),y(t),z(t)]dt；
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(5)其中紫外辐射剂量I会随着微团位置的变化而改变，而位置坐标又是随着时间变化的；相邻两个采样点的辐照强度也是相接近的，两个采样点之间的曲线距离为Δs；假设微
生物微团从入口运动到位置l1所用时间为t1，运动到l2位置所用时间为t2，则从l1运动到l1所用到的时间为Δt＝t2‑
t1。4.根据权利要求3所述的紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弜，刘锐，葛鹏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：