专利名称：一种紫外消毒器内部紫外强度分布原位测试平台

专利号：ZL201010550330.X

专利类型：发明专利

授权日期：2012年5月23日

专利权人：中国科学院生态环境研究中心

发明人：强志民；李梦凯；李庭刚

（一）发明创新点

中华人民共和国国家知识产权局“中国专利公布公告”数据库输入关键词“紫外光强”，可检索出175件专利，本专利申请日（2010年11月18日）之前的专利有21件。与本专利接近（即，紫外强度测试）的发明专利共7件，主要涉及紫外光强度的测试方法、装置及应用，根据技术特点可分3类：1）紫外强度测试物理/化学方法（例如，以碘化钾/碘酸钾溶液的化学感光剂（CN101368847），以有机物聚合薄膜为核心的探测器材料（CN101368847））；2）应用于非消毒领域（如通讯、日光检测）的紫外检测器/方法（例如CN1862976、CN1755337和CN101709998A）；3）应用于消毒领域的紫外检测器/方法（如CN101603877和CN1304881）。前两部分专利并不应用于紫外消毒领域，而消毒领域的CN101603877为紫外消毒灯的测试方法，不能应用于紫外反应器内的光场分布。CN1304881提出一种新型的模块化消毒设备，并不涉及紫外反应器光场的测量。综上所述，本专利在紫外反应器光场测定方向上具有创造性和新颖性。

本专利技术主要针对紫外消毒器腔体内紫外光场实际测量的难题，主要包括如下创新点：
1）搭建紫外消毒器光场原位测试平台：搭建平台架体并设置可沿水平和垂直方向移动的高精度导轨，并将测试探头固定在导轨上，并伸入紫外反应器腔体内，采集腔体内各个点位的紫外强度分布数据。同时，本发明还将参比探头设置在紫外消毒器石英套管和灯管之间，通过监测紫外灯管输出变化，校正腔体内光场测试结果，可更为准确地反映紫外消毒器腔体内光场。
2）提升紫外光场测试准确度：本发明通过设置循环水温控装置，控制水温以避免灯管发热导致的水温变化，进而影响紫外灯的输出波动；通过设置高精度移动导轨，提高探头测试位置的准确性，导轨水平移动精度为0.01 mm，竖直移动精度为0.1 mm。

3）拓展测试平台应用：本发明可测定不同类型紫外消毒器腔体（内充空气和不同紫外透过率介质的水）光场以验证模型，测试结果更符合实际情况。由于腔体内某一点（或多点平均）辐射强度测试值与模型模拟值的比值等同于消毒器辐射剂量的实际值与标称值（采用紫外灯输出、套管污染等的标称值计算获得）的比值，因此通过本发明，精确测定腔体内某一点（或多点平均）辐射强度，结合该点位模拟的辐射强度值及模拟的整个反应器辐射剂量值，即可验证实际运行中紫外反应器辐射剂量，判断消毒效果是否达标。

（二）应用领域和范围

紫外线广泛应用于不同介质（气、水、物理表面）消毒，我国紫外线技术研究起步较晚，构型优化和剂量验证等相关技术的缺乏导致实际应用中费用较高且可靠性不佳。采用本发明专利所述技术可精确测试紫外反应器的腔体光场，结合流体动力学软件进一步计算可得到紫外剂量，为反应器优化设计和剂量验证提供关键技术。

优化设计方面：基于本专利的测试得到的紫外反应器腔体光场量化结果，可以判定反应器内的辐射强弱区域，结合流场特征可对反应器结构（内径、进水口大小及位置等）和灯管布设进行相应调整，避免暗区和短流等影响消毒效果限制因素，实现消毒效果的最大化。

剂量验证方面：尽管模型可模拟反应器辐射剂量，然而模型所需参数（如灯管功率、套管污染等）只能采用标称值，并不准确。因此，实际应用紫外消毒设备的辐射剂量可通过模型模拟结合腔体内某一点（或多点平均）紫外强度测试的实验校正获得。而本专利所述测试平台是腔体内某一点强度测试的关键技术，验证紫外反应器辐射剂量，保障紫外消毒可靠性。

本专利目前已在各类紫外水消毒反应器的优化设计与剂量验证两个领域中得到成功应用。本专利还可应用的领域包括：1）空气/物体表面紫外消毒反应器设计及剂量验证；2）应用于水中有机污染物氧化降解的紫外高级氧化反应器设计及剂量验证。

（三）实施效果

本发明重点解决了本领域如下关键性、共性的技术难题：

（1）紫外反应器腔体光场分布精准测定的难题。紫外反应器设计常用的光场模型无法考虑反应器内套管、内壁和悬浊颗粒等对紫外光子的反射、折射、散射等光学行为，准确性较低，亟需通过实验对腔体内部光场进行测定，验证模型准确性。传统生物剂量测试法只能测定整个消毒器的综合剂量，不能获得消毒器内部信息（如光场）以指导优化设计。

（2）紫外反应器快速、低成本剂量验证的难题。模型模拟方法计算紫外反应器腔体光场过程中，所需计算参数（如紫外灯管的输出效率、套管的污染情况等）均不能实验测定，只能采用标称值，导致结果准确性和实用性降低，需实际测试进行校正。

（四）产业化及市场应用情况

本专利已实现规模化紫外消毒器优化设计，破解了紫外消毒器设计关键技术难题。新冠疫情期间加拿大多伦多大学Ted Mao教授采用本专利组成部分荧光微探头建立紫外消毒系统，实现安全、可靠和高效的口罩消毒（2 万只/天），解决疫情初期口罩短缺的迫切需求；美国普渡大学Blatchley教授采用本专利技术，进行新冠病毒紫外反应器的优化设计；本专利及相关技术已被多个国家应用，协助加拿大阿尔伯塔大学、德国TZW:DVGW技术中心、以色列特拉维夫大学、日本东京大学、加拿大GAP EnviroMicrobial Services、美国Carollo-Engineers及中国安力斯公司（北京）开展紫外消毒器设计，并应用于上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司“十二五”水专项“小型移动式饮用水应急供水设备产业化”课题开发的城市应急供水设备紫外消毒系统中。

以本专利主要技术为基础，申请人研发高效、高安全性二次供水紫外消毒器，在多地高层住宅小区进行示范应用，总应用面积121.5万m²。例如，河南省郑州市维也纳森林小区（600户，总面积5.2万m²）、中原新城小区（200户，总面积1.8万m²）和颗河港湾小区（1800户，总面积14.7万m²）；江苏省苏州市中海珑湾小区（2736户，总面积34.4万m²）、万科碧桂园小区（2034户，总面积27.5万m²）、湖山樾苑小区（1178户，总面积17.9万m²）；广东省东莞市塘厦御城花园小区（总用户2372户，总面积20.0万m²）；广西壮族自治区河池市五联村，保障了五联村90人的饮用水水质安全（最大供水量50 吨/天）。截止目前，二次供水消毒器紫外输出剂量稳定，用户反馈良好，保障了居民用水的生物安全性。

此外，以本专利主要技术为基础，为多家大学及企业开展紫外反应器剂量验证服务，销售额总计51.2万元。例如，为清华大学环境学院、华侨大学土木工程学院、安吉尔饮水产业集团有限公司、中远造船科技有限公司（威海）、通标标准技术服务公司、以色列安特兰德科技、广西蓝合创讯数据科技有限公司和浙江钻邦水处理设备有限公司提供紫外消毒反应器辐射剂量验证服务。

（五）技术优势

优化设计方面：目前国内未有同类型技术。国际上，美国科学家Rahn 2006发明化学感光球法对反应器内光场进行测试，其采用内部充满化学感光剂的石英球，固定于反应器内不同位置测定强度分布。然而，石英球体积较大且未配置精确移动导轨，导致石英球位置精度较低，测试误差较大。此外加拿大科学家Taighipore教授将传统SIC探头固定于可移动导轨实现了反应器内不同空间位点的光强测定，但未配置水温控制系统，只能测试空气中的强度分布，不能够准确模拟水消毒效果。本专利通过可精确移动的导轨，提高测试精度；通过水温循环系统，控制系统的问题性；采用体积微小（0.7 mm³）、物化稳定性良好、可全方向响应的荧光微探头技术，系统提高测试精度。

剂量验证方面：国内未有同类型技术，国际上普遍采用生物剂量法，需培养大量受试微生物，在运行工况下测定微生物灭活率，进而计算等效剂量。测试无法在应用现场开展，需将设备运至测试基地，所需时间成本和经济成本都极高，使得设备厂家和用户均难以承受。目前国际仅有数家机构可进行测试，国内尚没有机构可以测试。本专利通过测试平台对反应器腔体某一点的强度的准确测试，校正模型计算剂量，大幅降低了测试成本，且可实现现场检定，具有较大的实用性。

（六）专利运用及保护

专利运用：为促进专利价值实现，通过技术服务等途径与紫外消毒设备厂商、环保企业、标准化测试单位等开展合作，有力推进了专利有效实施与大规模应用，具体如下：目前本专利所有权为中国科学院生态环境研究中心独家所有，以技术服务、技术咨询等方式开展专利技术应用与推广。本专利在实施过程中未被提起无效请求，未发生权属、奖酬纠纷。

专利保护：中国科学院生态环境研究中心为本专利的专利权人，通过创新专利技术转化的体制机制，支持并积极推进专利成果授权后的运用、实施与保护。例如，专利权人规定了相关条款：
Ø 为了促使专利技术走向国际市场，实现国际化和产业化，鼓励发明创新与国际接轨，设立向国外申请专利的基金。
Ø 专利的申请、授权和专利技术的实施转让情况列入本中心对研究开发人员的绩效及高级专业职务任职资格的考核内容。

此外，围绕国家知识产权战略和中长期科技规划纲要要求，专利权人把知识产权纳入到科技创新的每一环节，成立专利管理与产业化的专员制度，创新专利转化的激励体制，积极推进专利技术转化与产业化。例如，对专利转化产生的效益中的20%直接用于发明人团队的奖励和激励，有效调动人才积极性；积极推进院地合作和行业技术交流，鼓励发明人以技术入股等方式推进转化。

（七）效益分析

经济效益列表：

1 紫外消毒器优化设计

2 二次供水高效紫外消毒器研发

3 紫外消毒器辐射剂量测试服务

社会效益状况：

进入二十一世纪以来全球疫情不断，从2002年的重症急性呼吸综合征（SARS）、2009年的甲型H1N1流感、2012年的中东呼吸综合征（MERS），到2019年暴发后蔓延全球的新型冠状病毒（SARS‑CoV‑2）疫情，其传播阻控是全世界的共同目标。据世界卫生组织报道，全球因病原微生物气溶胶引起的呼吸道感染率高达20%，全球大约80%的疾病和50%的儿童死亡与饮用水水质不良有关。气、水、物体表面作为病原微生物传播的主要传播介质，其过程的高效、安全消毒是高传染疫情阻控的关键，直接关系人民健康。在众多消毒技术中，紫外线具有广谱性好、几乎不产生消毒副产物、占地面积小、运维简便等突出优势，作为一种绿色、物理消毒技术在水、气、物体表面消毒中的应用日益广泛。但由于紫外消毒装置内光场非均匀分布，导致剂量难以准确测定，制约了紫外线技术在构型优化、剂量验证、实时监测、运行调控等方面的发展。本专利涉及的关键技术可准确测定紫外消毒器内的光场分布规律和关键效应影响，从工艺效能提升（高效性）和运行安全保障（可靠性）两个维度提高紫外消毒设备的品质，对于保障人民生活健康具有重要的意义。

本专利涉及的技术原理与关键技术已先后为多个国内外科研机构与企业提供紫外反应器优化设计和剂量测试。基于相关技术研发的高效紫外消毒器已用于郑州、苏州、东莞等地区，为保障当地饮用水安全和人民健康做出重要贡献。

（八）应用前景

生物剂量法是国际公认的剂量验证方法，但由于测试复杂、价格昂贵、验证工况少等缺点，目前国际上仅有数家公司提供验证服务，国内尚没有有资质的机构，导致国内的紫外消毒器大多未经验证，消毒可靠性收到严重威胁。特别目前国内市政污水厂已有超过半数的市政污水厂采用紫外消毒，但消毒可靠性普遍不佳，不得不常备氯消毒。本专利测试准确度高、成本低，技术推出后，收到广泛关注，已经为国内外科研机构/企业所采用，应用于多个工程项目，引领紫外消毒领域中剂量验证的发展方向。

本专利属于生物安全风险防控和治理领域，符合国家政策明确鼓励支持的技术方向。进入二十一世纪以来，多次高传染性疫情导致国家对环境生物安全极为重视，国家发改委2022年5月10日印发的《“十四五”生物经济发展规划》中强调：我国将加强国家生物安全风险防控和治理体系建设，全面提高国家生物安全保障能力。根据现状，我国在《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002与《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2022中都对微生物指标进行了规定。为保障紫外消毒效果，我国在《紫外线消毒器卫生要求》GB 28235-2020和《城镇给排水紫外线消毒设备》GB/T 19837-2019明确规定需要对UV消毒设备中的有效剂量进行验证，以保障消毒效果。因此，本专利符合国家产业政策与技术发展方向。

（九）获奖情况

本专利技术提出后，测试了多类紫外反应器（低压、中压、单灯管、多灯管等反应器）的光场分布。研究成果在Environ. Sci. Technol.、Water Res.等期刊上发表SCI论文19篇。2013年国际紫外线协会（IUVA）世界大会上，前主席Bolton教授在他的荣誉研讨会总结报告中，强调了本专利相关内容对于光场测试的重要意义。之后，IUVA组织亚、美、欧6个实验室对本专利技术开展评估，在2017世界大会报道并发表于官方杂志，认可其剂量测试精确性，吸引多加国内外公司与专利权人合作优化设计高效反应器。2019年IUVA 20周年庆典大会，发明专利内容获唯一的“UV产品创新奖” ，发明人李梦凯基于发明专利相关内容获2016年国际紫外线协会（IUVA）“UV Young Professional Award”（2013~2015，唯一名额）和国际水协会（IWA）“首创水星奖”前沿科学类一等奖（2018）。2021年课题组发表综述论文（Revealing photon transmission in an ultraviolet reactor: Advanced approaches for measuring fluence rate distribution in water for model validation，J. Environ. Sci.），验证并评价了国际主流紫外反应器光场模型准确性。至此，基本解决了紫外消毒器内光场测试的难题。