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供水处理·卫生工程

臭氧·UV 消毒模拟器 — CT值·IT值设计

用于供水厂或污水处理厂消毒工序设计的工具，可从CT值（残留浓度×时间）或IT值（UV线量）的角度进行设计。改变病原体、方式和反应池尺寸，可立即了解所需暴露量和达到的对数灭活率。

参数设置
消毒方法
选择化学消毒（CT）/UV物理消毒（IT）
病原微生物
自动设置目标病原体的敏感性（CT₉₉%）
目标对数灭活数
log
3-log = 99.9%、4-log = 99.99% 灭活
残留浓度 C / UV强度 I
mg/L or mW/cm²
臭氧·氯以mg/L计，UV以mW/cm²计
处理流量 Q
m³/h
反应池容积 V
m³
理论 HRT = V/Q 对应实际停留时间
水温 T
°C
低温时消毒效率下降（温度上升1°C约改善2%）
计算结果
—
CT/IT 要求 (mg·min/L or mJ/cm²)
—
必需停留时间 (min)
—
实际停留时间 (min)
—
实际 CT/IT (mg·min/L or mJ/cm²)
—
达到对数灭活数
—
设计判定
—
消毒槽 — 病原体去除动画

流入水中的病原体粒子在消毒槽内受臭氧/UV/氯的暴露，在出口被去除。下方条形表示达到的CT/IT值。

方法别 CT/IT 必需值（病原体别，3-log灭活）
灭活曲线 — 对数灭活数 vs CT/IT线量
理论·主要公式

$$CT = C \cdot t,\quad IT = I_{UV} \cdot t,\quad \log_{10}(N/N_0) = -CT/CT_{99\%}$$

N/N₀ = 残存生存率，遵循Chick-Watson一次速度原则。CT₉₉%因病原体而异。

$$t_{HRT} = \frac{V}{Q},\qquad t_{req} = \frac{CT_{req}}{C}$$

理论停留时间HRT由容积V和流量Q决定，必需停留时间t_req由所需CT和浓度C决定。

$$CT_{req} = CT_{99\%} \cdot N_{log} \cdot (1 - 0.02 \cdot (T - 15))$$

基于EPA LT2。水温T (°C)进行线性补正，与目标对数灭活数N_log成正比。

臭氧·UV消毒的CT值·必需线量设计

🙋
在供水厂参观时听到"CT值"这个词，这是什么值？单位是mg·min/L，看起来像是乘积…
🎓
很好的问题。CT值正是"乘法"，即C（残留消毒剂浓度mg/L）和T（接触时间min）的乘积。例如臭氧1 mg/L接触10分钟，则CT = 10 mg·min/L。在消毒领域，根据Chick-Watson一次反应原则，杀菌力由"什么浓度、接触多长时间"的总暴露量决定。所以浓度减半的话，时间加倍理论上可得到相同的CT。对于UV，用UV强度代替浓度，称为IT = I·t [mJ/cm²]。
🙋
原来如此。那么病原体各自有必需的CT值，超过那个值就可以了？我看默认设置中隐孢子虫需要27 mg·min/L。
🎓
是的，美国EPA的LT2ESWTR指南中列有病原体各自的CT₉₉%值（2-log灭活所需CT），本工具也是基于此。隐孢子虫的卵囊被厚壳保护，即使对臭氧也是1-log每9 mg·min/L，3-log需27 mg·min/L，抵抗力非常强。而大肠杆菌只需0.16 mg·min/L就能1-log灭活。隐孢子虫用氯几乎无法灭活（需要CT 7200 = 1 mg/L持续5天！），所以UV或臭氧是必须的。
🙋
氯无法灭活隐孢子虫，这太冲击了…1993年的密尔沃基事件，就是这个原因吗？
🎓
完全正确。1993年美国密尔沃基供水厂隐孢子虫泄漏，导致40万人腹泻，69人死亡。原因是原水浊度上升，凝集沉淀跟不上，而消毒只靠氯，无法杀死原虫。由此EPA LT2规则制定，规定使用表流水的供水厂必须采用UV或膜过滤进行隐孢子虫防控。日本也在1996年埼玉县越生町集团感染后，在饮用水法中规定了隐孢子虫防控措施。
🙋
默认设置（O₃ 2 mg/L、500 m³/h、30 m³槽）下，实际停留时间3.6 min × 2 mg/L = CT 7.2，远达不到所需的27，判定为不合格。需要增加容积还是浓度？
🎓
完全正确。容积从30→120 m³则HRT = 14.4 min，CT = 28.8基本满足。或者浓度从2→8 mg/L则30 m³容积下CT = 28.8也可以。但实际工厂中"容积更便宜"是原则，提高臭氧浓度会增加溴酸盐（BrO₃⁻）副产物和尾气处理成本。还要注意"短路流"。理论HRT中实际有效消毒的只是示踪试验测得的T₁₀（10%示踪物到达的时间），即使有挡板的バッフル型也仅为HRT的0.5～0.7倍。设计中应认为HRT中仅T₁₀部分有效，对所需CT设置1.5～3倍安全系数是实务做法。

常见问题

CT值是残留消毒剂浓度C（mg/L）和接触时间t（min）的乘积，即CT = C·t [mg·min/L]，表示臭氧或氯等化学消毒剂的暴露量指标。IT值是UV强度I（mW/cm²）和时间t（s）的乘积，即IT = I·t [mJ/cm²]，表示UV线量。两者都基于Chick-Watson一次反应原则，以log灭活 = CT / CT₉₉%的形式将必需量与病原体的敏感性相关联。
隐孢子虫的卵囊被厚壳保护，对氯几乎无效（需要CT数千mg·min/L），即使对臭氧，2-log灭活也需要CT≈18，3-log需要CT≈27 mg·min/L，抵抗力非常强。1993年美国密尔沃基事件（40万人感染）之后，美国EPA LT2ESWTR要求地表水处理对隐孢子虫的防控。日本的《饮用水卫生标准》也要求进行防控措施，UV消毒（5.8 mJ/cm²达到2-log）事实上成为标准。
臭氧对原虫、病毒、细菌都有高强杀菌能力，同时可去除味道、臭气、色度，是强大的氧化剂。但在高溴离子含水中会产生致癌的溴酸盐（BrO₃⁻），且无残留性，无法防止供水末端的再污染。UV副生成物几乎为零，特别适合低浓度隐孢子虫的防控，但当原水浊度、色度高时，透光率下降，效率恶化。实务中常采用"UV防控原虫·病毒→末端加氯进行残留消毒"或"臭氧氧化→生物活性炭除副产物→氯进行残留消毒"等多段组合方式。
本工具中理论HRT = V/Q（容积÷流量）显示为实际停留时间，但实际反应池存在短路流（旁路流）和死水区，实际有效接触时间应使用示踪试验测得的T₁₀（流入示踪物10%到达出口的时间）。一般T₁₀/HRT约为0.3～0.7，即使是多挡板バッフル型反应池也仅为0.5～0.7。设计时应认为HRT中仅T₁₀部分有效消毒，对所需CT设置1.5～3倍的安全裕度是实务做法。

实际应用

供水事业（净水处理）：日本中等规模以上的净水厂普遍采用UV装置（5.8 mJ/cm²达2-log灭活）作为隐孢子虫防控，并在UV后段进行氯注入以维持给水末端的残留氯。当原水水质不佳时，采用臭氧+生物活性炭（BAC）组合，同时实现味道·臭气改善和消毒副产物（THM）的降低。东京都金町净水厂是代表性案例。

污水处理厂放流水消毒：污水处理厂在放流到公共水域前需要大肠菌群灭活。根据海域·河川，UV消毒逐渐成主流，但次亚氯酸钠等氯消毒仍然广泛使用，近年因氯副产物的担忧，向UV和臭氧的转换在进行。污水SS（悬浊物质）多，UV透光率低，一般将SS预处理到＜10 mg/L后再进行UV照射。

食品工厂·饮料制造的CIP杀菌：饮料生产线配管杀菌除了热水洗净（80°C以上）外，还使用臭氧水（0.5～2 mg/L）和UV杀菌。臭氧无残留，洗净后无需再冲洗；UV接触时间短，可进行在线安装，各有优点。本工具的CT/IT计算可用于HACCP的CCP（关键控制点）设计。

游泳池·温浴设施·冷却塔维护管理：为防止军团菌属繁殖，冷却塔和温浴设施需维持游离残留氯0.2～0.4 mg/L。游泳池水中，CT值管理外还需注意氰尿酸（氯稳定剂）的影响会降低实际杀菌力。越来越多设施加入臭氧作为辅助消毒，CT的概念在净水厂外也是通用的。

常见误解和注意事项

最大的陷阱是直接将理论HRT作为接触时间使用。本工具也简化为实际停留时间 = V/Q，但实际工厂的反应池，即使是完全混合型或塞流型，也不会严格按理想行为运行，存在短路流和死水区。示踪试验测得的T₁₀一般仅为HRT的0.3～0.7倍，增加挡板的バッフル型也最多0.5～0.7。CT计算应使用T₁₀而不是HRT，设计时建议加入1.5～3倍的安全系数。

其次是UV线量计算中未考虑透光率。UV强度I是灯附近的值，沿水深方向按Lambert-Beer原则 I(z) = I₀·exp(-α·z) 进行指数衰减。原水UVT₂₅₄（254 nm透光率）为90%时问题不大，但污水处理水或色度高的表流水中UVT降至50～70%，所需灯功率可能需要增加一倍以上。加上照射器内的流动分布也会导致实际线量的波动，验证实线量（reduction equivalent dose, RED）的正规方法是进行生物试验（如MS2噬菌体）。

最后是忽视消毒副产物（DBPs）的方式选择。氯消毒产生THM（三卤甲烷）·HAA（卤乙酸），臭氧消毒在高Br⁻含水时产生溴酸盐（BrO₃⁻，IARC 2B级致癌物），UV副产物几乎为零。日本水质标准规定总THM 0.1 mg/L以下，溴酸盐0.01 mg/L以下，要求严格，特别是溴酸盐容易因臭氧投入量增加而超标。设计时不仅要满足CT，还需结合原水中Br⁻浓度·有机物浓度，进行副产物风险评估和设计。

使用指南

  1. 输入目标对数灭活数。例如隐孢子虫的3.0 log（99.9%灭活），在logReductionNum中输入3.0。
  2. 以实测值或设计值输入消毒剂浓度（mg/L）、流量（m³/hr）、反应池容积（m³）。臭氧消毒一般浓度2.0～4.0 mg/L，UV消毒线量10～40 mJ/cm²为标准范围。
  3. 模拟器内计算CT值（C×T，mg·min/L）或IT值（UV线量积累，mJ/cm²），比较必需停留时间和实际停留时间，确认设计判定。

具体计算示例

污水处理厂再生水处理中应用臭氧消毒的情况：隐孢子虫3.0 log灭活、臭氧浓度3.5 mg/L、流量100 m³/hr、反应池容积50 m³的设计。停留时间为50÷100×60 = 30分钟。隐孢子虫的要求CT值约为6.0 mg·min/L。实际CT值 = 3.5 mg/L × 30 min = 105 mg·min/L，远高于所需值，判定为设计合理。在低温环境15°C下，CT值应应用1.5倍的补正系数。

实务中的注意点