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污水處理廠尾水紫外線消毒技術的應用

作者： 肖衛(wèi)星 全國紫外線國家標準委員會委員

呂東明 加拿大TROJAN公司

吳旭升 深圳海川環(huán)境科技有限公司

摘要

紫外線污水消毒技術在國外特別是歐洲和北美地區(qū)經(jīng)過近30多年的發(fā)展已經(jīng)成為成熟、可靠、投資效益高的綠色環(huán)保技術，在世界各地各類城市污水的消毒處理中得到日益廣泛的應用，成為污水處理領域中取代傳統(tǒng)加氯消毒的主流技術和工藝。在國內污水處理廠尾水消毒中也得到了廣泛的應用，為了進一步的引導引導紫外線消毒技術的規(guī)范應用，國家標準化委員會在2005年專門頒布了《城市給排水紫外線消毒設備》（GB/T19837-2005）國家標準，規(guī)范了紫外線消毒技術的運用，本文結合筆者的一些實際經(jīng)驗和研究，對紫外線消毒技術在污水處理廠中尾水消毒工藝中的應用做闡述說明。

關鍵詞

紫外線 消毒 標準

1、城市污水消毒的必要性

為了保護人類的健康、生命以及水環(huán)境和水資源，世界許多國家和地區(qū)（北美、歐盟、日本、韓國、臺灣等）都要求對城市污水在排放前進行消毒處理。污水消毒也是保護飲用水源的第一道防線。2002年11月，我國和許多國家及地區(qū)爆發(fā)了非典型性肺炎，這一疫情的元兇冠狀病毒廣泛的傳播和性頑強存活能力使人們意識到消毒的重要性，尤其是對接納病人排泄物的污水處理廠的尾水消毒成為防止疫情擴散的重要防線。我國國家環(huán)境保護總局和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2002年12月24日頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002中首次將微生物指標列為基本控制指標，要求城市污水必須進行消毒處理，從而使污水處理的病理指標與國際接軌。

許多國家和地區(qū)在對城市污水要求消毒的同時,也制定了相應的消毒指標，相應的排放標準（部分國家和地區(qū)尾水消毒指標見表1），我國的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）將糞大腸菌列為基本污染物控制指標。該標準規(guī)定執(zhí)行二級標準和一級B類標準的污水處理廠排放要求是糞大腸菌群不超過10000個/L，執(zhí)行一級A類標準的污水處理廠排放要求為不超過1000個/L。

表1 部分國家和地區(qū)尾水消毒指標

2、城市污水處理廠尾水不同消毒方法的比較

給排水消毒方法可分為兩大類，即化學消毒方法，如：加氯消毒和臭氧消毒；和物理消毒方法，如：紫外線消毒。目前，國內污水處理廠尾水消毒主要有四種消毒方法，分別是氯氣、二氧化氯、臭氧、紫外線，他們各有優(yōu)缺點，各自有著不同的應用領域。整理見表2

表2不同消毒工藝的比較

3 紫外線污水消毒技術的研究

3．1紫外線消毒的原理

紫外線一般被分為三個不同波段：紫外C(200～280 nm)、紫外B(280～315 nm)和紫外A(315～400 nm)，其中紫外C(UVC)的殺菌效果最好。

紫外線殺菌與化學消毒劑殺菌不同，它不是通過得失電子的氧化還原反應進行，而是通過由紫外光子輻射導致的光化學反應來進行。紫外燈在260 nm附近殺菌效率最高，目前生產(chǎn)的紫外燈的最大紫外輸出功率在波長為253.7 nm處，該波長在世界頂級紫外燈中已占紫外能量的90% 、總能量的30%以上，由于高強度、高效率的紫外C的存在，紫外技術克服了以往殺菌效率低、消毒水量小、成本高的缺點，已在水消毒領域具有相當?shù)母偁幜Α?/p>

紫外線消毒是一種物理消毒方法，紫外線消毒并不是殺死微生物，而是去掉其繁殖能力進行滅活。紫外線消毒的原理主要是用紫外光摧毀微生物的遺傳物質——核酸(DNA或RNA)，使其不能分裂復制。除此之外，紫外線還可引起微生物其他結構的破壞。微生物在人體內不能復制繁殖，就會自然死亡或被人體免疫功能消滅，從而不會對人體造成危害。

紫外線是波長在200 – 400nm 的電磁波，它又分為4個波段(見圖1)，其中具有殺菌消毒功能的紫外波段為200 – 300nm，即紫外C和紫外B中的部分。通常人們較關注微生物對紫外線的吸收頻譜，認為253.7nm是紫外消毒的最佳波段并把紫外消毒技術稱為紫外C消毒，確切來說是不全面的，因為忽視了微生物對紫外線的反應頻譜。

圖1. 紫外消毒波段

圖2.核酸的紫外吸收頻譜與大腸菌消毒頻譜

圖3. 核酸和微生物對紫外的反應頻譜

紫外線對核酸/微生物的破壞取決于核酸/微生物對紫外線的吸收和反應，如果只有吸收，沒有反應，那么該波長的紫外線也不會具有滅活作用。吸收+反應決定了核酸或某種微生物對某一波段紫外光的響應或敏感性、即紫外光對其產(chǎn)生滅活的能力。

圖2和圖3分別為核酸及一些微生物對紫外線的吸收頻譜和反應頻譜，可以看到微生物對紫外照射的響應和核酸對紫外的響應有很強的相關性。由圖可以看出核酸對紫外線的吸收大致在260 – 265nm 左右存在一個峰值，而對紫外線的反應則是在260 – 269nm左右有一個峰值。而某些微生物如：MS2噬菌體、濕疣病毒、mosaic 煙草病毒和reo病毒等的最大紫外反應波長則在230nm以下[9][10][11][12]。

因此若認為能發(fā)出253.7nm波長單頻譜輸出的低壓紫外汞燈消毒效果優(yōu)于多頻譜輸出的中壓紫外燈，是不符合實際的。對很多微生物并不存在唯一的最佳紫外消毒波長。大量的研究和實際運行結果表明單頻譜輸出的低壓紫外燈和多頻譜輸出的中壓紫外燈在照射到微生物上的紫外劑量相同的條件下，其消毒效果是相同的[1][13][14][15][16]。對某一特定微生物來說，接受到的紫外劑量是決定其滅活程度的唯一因素。

3．2．紫外劑量及劑量響應曲線

微生物所接收到的紫外照射劑量決定了其滅活的程度,不同的微生物種類對相同紫外劑量的響應是不同的。微生物在消毒器中通過時接收到的紫外劑量定義為:

(1)

式中Dose為劑量（常用單位：mWs/cm2）；I為微生物在其運動軌跡上某一點接收到的紫外照射光強（常用單位：mW/cm2）；T為曝光時間或滯留時間。在實際的紫外消毒器或系統(tǒng)中由于光強在空間的不均勻分布、流體動力學的限制且微生物在消毒器中滯留時間很短（一般1到10秒左右），每個微生物個體接收到的紫外劑量是不同的，即消毒器是非理想的。如果假設消毒器為理想消毒器，即所有微生物都接收到相同的紫外照射劑量，則方程（1）可表示為

（2）

其中和分別為消毒器內平均光強和平均曝光時間。方程（2）類似于加氯消毒中的CT的計算。

在微生物實驗室中，一般用紫外平行光束儀來測量某種微生物對紫外照射的響應特性，即其對紫外線消毒的敏感性。在特定光強下，通過控制曝光時間得到不同的紫外劑量，再測出相應的存活的微生物含量，即可得到該微生物的紫外劑量響應曲線，如圖4所示。由此方法所得劑量叫做平行光劑量，一般認為此方法可完全排除流體動力學影響，根據(jù)此方法得到的曲線完全反映了紫外線對微生物的純生化作用，故該紫外劑量也叫生化紫外劑量。此曲線是設計紫外消毒工藝的基本依據(jù)，一個紫外消毒系統(tǒng)在考慮其它各種因素及必要的安全系數(shù)后所能實現(xiàn)的有效紫外劑量不能小于由該曲線得出的對微生物達到某一程度消毒時所需要的生化劑量。

圖4. 微生物紫外劑量響曲線

由圖4還可以看出，響應曲線在劑量增加到一定范圍后逐漸持平、即存在極限，也就是說再加大消毒劑量也不能改善消毒效果。這主要和水質條件尤其使總懸浮固體數(shù)TSS及固體顆粒尺寸有關。

3．3．微生物受到紫外照射后的修復

如果微生物沒有接受到足夠的紫外照射劑量，有些微生物可以修復其受到的損傷。大量的研究表明：病毒本身沒有修復能力，有些細菌具有修復能力，但受到的紫外照射劑量越高，其修復能力越低，只要劑量設計適當，可完全去除或有效地抑制這些微生物的修復能力[1][17][18]。

微生物的修復可分為光修復和黑暗修復，光修復需要可見光的存在，而且微生物在受到紫外線照射后到見到可見光之間的間隔時間越長，微生物見到可見光后光修復的能力越低，如果時間間隔超過2小時以上，一些微生物會完全喪失光修復能力 [6][7] [19]，污水廠在設計時可利用這一特點通過增加消毒后污水不見光的時間來進一步抑制微生物的修復。研究證明只要設計合理，微生物的修復在實際污水處理和回用水處理系統(tǒng)中并不重要[2][ 3][ 4]，另外污水本身的特性也被認為不利于微生物受傷后的修復。有些研究還顯示中壓紫外燈發(fā)射的某些紫外波長可能可以抑制或破壞微生物的修復能力。世界上使用紫外消毒工藝的3000多家污水處理廠的實際運行表明微生物的修復并不是實際問題，現(xiàn)在這一問題在國外已不再是紫外污水消毒處理應用中人們擔心的問題。

3．4．影響紫外消毒系統(tǒng)消毒性能的各種因素

3.4.1紫外穿透率 (UVT)

紫外穿透率又可稱為紫外透光率，它反映了水體對紫外線的吸收和散射，水體中所含吸收紫外線物質含量越高，水體的紫外穿透率越低，紫外光強（能量）在水中的衰減越快，消毒器內光強越弱，照射的范圍越小。因此消毒器設計必須根據(jù)水體的紫外穿透率進行光強及劑量設計，紫外光強與紫外穿透率成指數(shù)函數(shù)關系。由于水體的紫外穿透率是不斷波動的，因此紫外消毒系統(tǒng)應按最小紫外穿透率、即最壞工況設計以保證系統(tǒng)的消毒性能和工藝質量。

紫外穿透率定義為紫外光穿透某種介質后的出射光強與入射光強的比值，水體的紫外穿透率習慣上用水體在253.4nm波長的紫外穿透率代表，它可由紫外分光光度計在273.7nm波長測得。見圖5。

圖 5. 水體紫外穿透率的測量

圖5顯示了紫外穿透率的測量方法，以超純水或去離子水為參照水樣，其紫外穿透率為100%；一般測試時的水樣光程長度為1厘米。測量結果可直接顯示為紫外穿透率或水體在253.4nm的吸光度a，紫外穿透率與吸光度的關系如下表示：

（3）

其中：為吸收系數(shù)；d為光程長度； 為吸光度。

3.4.2 TSS和顆粒尺寸分布影響

當懸浮物含量較高時，所需達到某一特定消毒指標的紫外劑量也要提高；而對于一特定的懸浮物含量，存在一個相應的消毒極限（圖4），當趨于消毒極限時，即使紫外劑量大幅度增加也很難再進一步降低水體中微生物的含量。

3.4.3 污水成分

污水的成分很復雜，含有大量的有機物、無機物和微生物。其中很多成分，特別是來自一些工業(yè)廢水中的成分（如：印染、紡織、屠宰等），會吸收紫外線從而降低水體的紫外穿透率。另外，上述很多雜質會在燈管的石英套管表面結成靠純機械掛擦難以有效去除的污垢，降低燈管發(fā)射到水體中的紫外能量，從而影響系統(tǒng)的消毒性能。這些因素必須在紫外消毒系統(tǒng)設計時予以考慮。

3.4.4 紫外消毒系統(tǒng)上游的處理工藝

紫外消毒系統(tǒng)上游的處理工藝也會影響系統(tǒng)的消毒效果，例如：采用的處理程度，一級處理還是一級加強，采用絮凝、混凝劑的成分、二級生化處理選用的工藝等。這些影響一般很難得出理論公式計算，基本是靠大量經(jīng)驗的積累。

3.4.5 消毒系統(tǒng)的關鍵技術

除了水質參數(shù)外，紫外消毒系統(tǒng)自身也有很多因素會影響或決定其消毒性能，系統(tǒng)本身的影響因素主要如下：

1）消毒器的結構設計和劑量計算

消毒器的結構設計是紫外消毒系統(tǒng)設計的關鍵、即如何通過消毒器的流體動力學設計以及燈管的優(yōu)化布局等來提高消毒器利用紫外燈管發(fā)射出的殺菌紫外能量的效率，從而使其更接近于理想消毒器；同時盡可能減少水頭損失。通常用消毒器效率來判斷一個紫外消毒系統(tǒng)的優(yōu)劣，消毒器的效率表達如下：

（4）

式中為消毒器的有效紫外劑量，為燈管發(fā)射出的紫外能量中被消毒器實際利用照射到微生物并被吸收的部分，一般通過在污水中用指標微生物流過紫外消毒器做實際檢測得到，故而也稱之為消毒器的生物實驗驗定劑量，可由方程（1）表示；為消毒器的理論劑量，即如果消毒器為理想消毒器時的劑量，它實際是燈管發(fā)射出的紫外能量，可由方程（2）和點源累加法計算[8]得到。的計算已被編為商業(yè)軟件 – UVDis，故而消毒器的理論劑量又叫做UVDis劑量。

如果消毒器效率< 1，表明消毒系統(tǒng)非理想消毒系統(tǒng)，消毒效果將無法保證。不同制造廠家的紫外消毒系統(tǒng)的效率有較大差別，低的小于50%，高的可達70%以上。因此紫外消毒系統(tǒng)中所用燈管數(shù)量不能取決于單根燈管的紫外輸出能量。

2）紫外燈管性能

紫外燈管是紫外消毒系統(tǒng)的重要組件。其性能不僅僅是新燈管的殺菌紫外能的能量輸出、光電轉換效率還包括燈管的老化特性。新燈管的紫外輸出(單位：W) 指的是一根新燈管在經(jīng)過100小時運行磨合期時的紫外能輸出功率。燈管在使用過程中會逐漸老化，紫外能輸出會隨時間而衰減。燈管老化系數(shù)定義為燈管在壽命周期終點時的紫外輸出與新燈管紫外能輸出之比。

在劑量計算時必須計入燈管老化系數(shù)，而不能單考慮廠家對紫外燈管的保證壽命，目前市場上大多數(shù)紫外燈管的老化系數(shù)在50%左右，個別廠家燈管的老化系數(shù)可達80%左右。NWRI紫外系統(tǒng)協(xié)議[5] 規(guī)定紫外消毒系統(tǒng)燈管老化系數(shù)為0.5。

3）燈管表面結垢

城市污水中的復雜成分會使燈管的石英表面結垢，影響系統(tǒng)的消毒性能。為了保證系統(tǒng)消毒性能不受結垢的影響， 必須在系統(tǒng)劑量計算中計入燈管的結垢系數(shù)。結垢系數(shù)一般與燈管的清洗方式有關。 NWRI紫外系統(tǒng)協(xié)議[5]規(guī)定紫外消毒系統(tǒng)與清洗方式相關的結垢系數(shù)為0.8。

4 紫外線污水消毒技術的經(jīng)濟性研究

2003年~2008年間，國內陸續(xù)有近300家污水廠采用紫外線作為污水廠尾水消毒工藝，如深圳市濱河污水處理廠（35.0萬m3/d）、重慶北碚城市污水處理廠（5萬m3/d）、成都第一污水處理廠(30萬m3/d),廣東潮州第一污水廠（10萬m3/d），上海白龍港污水處理廠（160萬m3/d）等等近300家污水廠的紫外線消毒設備正在運行，本文結合這些污水廠尾水消毒工程實例就紫外線消毒技術和液氯消毒應用的技術經(jīng)濟分析如下：

對消毒系統(tǒng)進行投資經(jīng)濟分析，主要從以下兩個方面考慮：一、投資成本，二、經(jīng)營成本，而投資成本又包括土建投資和設備投資。通過對紫外消毒系統(tǒng)與加氯消毒系統(tǒng)的計算與比較，對二者進行簡單經(jīng)濟分析。

投資成本分析

由于加氯消毒較長接觸時間（約30分鐘—1.5小時）需要較大的接觸池，另外考慮加氯間、氯庫等附屬構筑物，因此土建投資巨大，大約占到總投資的70%以上，而且還未計入土地成本。而紫外消毒由于殺菌時間很短（約1—15秒），并且紫外線消毒設備全天候室外安裝運行，不需專門構筑物，因此所需土建很少，土建投資在整個投資中的比重大約只有幾十分之一；設備方面，紫外消毒系統(tǒng)由于設備的科學性、精密性和對材質的高要求，設備投資要高于加氯設備。但從土建和設備的總投資來分析，紫外消毒系統(tǒng)要低于加氯消毒系統(tǒng)，因此單純從投資成本來講，紫外消毒系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢。

經(jīng)營成本（不計折舊）分析

加氯消毒系統(tǒng)的經(jīng)營成本主要是氯氣消耗費用（約占70%），其它還包括設備重置費用、管理人員工資及福利、大修和日常維護費用，另外考慮到氯氣的化學毒性，運行費用中還應包含安全費用及其它隱形費用，而紫外消毒系統(tǒng)的經(jīng)營費用主要是電費（約占40%）和燈管更換費用（約占40%），其它還有藥耗、管理人員工資及福利（如配全自動清洗系統(tǒng)則不需要管理人員）、大修和日常維護費用，根據(jù)對分別運行紫外和加氯消毒設施的污水廠情況了解，紫外消毒系統(tǒng)的單位經(jīng)營成本大約在1.2分/噸，加氯消毒系統(tǒng)的單位經(jīng)營成本則約2~3分/噸，紫外消毒系統(tǒng)遠低于加氯消毒系統(tǒng)，優(yōu)勢明顯，長期運行經(jīng)濟效益十分顯著。

5 結束語

紫外消毒技術為物理消毒方式，具廣譜性殺菌能力，無二次污染。經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟可靠的高效環(huán)保型消毒技術，在國內污水廠得到廣泛的運用。，隨著《城市給排水紫外線消毒設備》（GB/T19837-2005）國家標準的出臺，紫外線消毒技術必將得到廣泛的推廣，紫外線消毒是通過紫外線的能量去掉微生物的繁殖能力而進行滅活，因此，在設計一套紫外線消毒裝置時，必須了解污水成分、穿透率、TSS濃度，掌握關鍵技術，確定合理的紫外劑量和光照時間，減少投資，節(jié)約運行成本，取得良好的消毒效果。同時研究大型紫外線消毒設備及工程系統(tǒng)并應用于中水回用、污水排放以及自來水等領域，將對提高我國的用水安全性具有重大意義。

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