紫外線消毒應(yīng)用于污水處理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
消毒是污水處理廠處理工藝的最后一個環(huán)節(jié)。國內(nèi)外普遍采用的出水消毒技術(shù)有氯消毒（如次氯酸鹽、氯氣等），二氧化氯消毒等化學(xué)消毒方法。從工藝的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行管理的難易、消毒可靠性等方面，許多工藝都有其缺陷之處。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)證明，雖然氯氣和次氯酸鹽等消毒技術(shù)的成本都很低，這些處理工藝對人體健康和環(huán)境產(chǎn)生了危害。在水處理中使用這些化學(xué)消毒劑會在一定程度上形成有害的消毒副 產(chǎn)物，特別是水中的余氯會嚴(yán)重影響水生生物的生長繁殖。因此，人們在努力尋找能有效滅活水中有害微生物的物理消毒方法。在目前尚無更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法推出前，許多污水廠出水都沒有正常的消毒。隨著研究的不斷深入，紫外線消毒對水中細(xì)菌和病毒去除效果逐漸得到水處理界和廣大用戶的公認(rèn)。世界上已經(jīng)安裝運(yùn)行的大型污水處理廠紫外線消毒裝置有4000多套，其中最大的是新西蘭曼努高污水處理廠紫外線消毒裝置，日處理能力為121萬噸。其簡單的工作原理和優(yōu)良的性價比，體現(xiàn)了紫外線消毒工藝強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。
1與液氯、二氧化氯消毒的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較
1.1與液氯消毒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
氯與水反應(yīng)時生成次氯酸(HOCl)和鹽酸(HCl)。次氯酸是體積很小的中性分子，具有較強(qiáng)的滲透力，可以擴(kuò)散到帶有負(fù)電荷的細(xì)菌表面，穿透細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，破壞其酶系統(tǒng)，致細(xì)菌死亡。對病毒而言，氯主要是對核酸破壞的致死性作用。氯化法消毒應(yīng)用最廣，這是因?yàn)槁认練v史較長，經(jīng)驗(yàn)較多；處理水量較大時，單位水體的處理費(fèi)用較低。但城市生活污水中含有大量的有機(jī)物，經(jīng)氯消毒后，會生成鹵化有機(jī)物等消毒副產(chǎn)物，隨污水進(jìn)入地面水體，污染水源，并對魚類等水生生物產(chǎn)生毒害作用。
以30×104m3/d城市污水處理廠為例，液氯與紫外線消毒經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1。電價按0.49元/Kwh ,燈管使用壽命為12000h/支。
表1 紫外線消毒與液氯消毒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
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項(xiàng)目 |
液氯消毒 |
紫外線消毒 |
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550萬元 |
700萬元 |
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其中 |
設(shè)備 |
200萬元 |
685萬元 |
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土建及安裝 |
350萬元 |
15萬元 |
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2.運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用 |
0.025元/m3 |
0.018元/m3 |
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其中：電費(fèi) |
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0.0098元/m3 |
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燈管更換及維護(hù)費(fèi) |
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0.0086元/m3 |
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藥劑費(fèi) |
0.022元/m3 |
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人工費(fèi) |
0.003元/m3 |
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3.年運(yùn)行費(fèi)用 |
274萬元 |
197萬元 |
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從表1可以看出：
（1）紫外線消毒的一次性投資要高出液氯消毒約150萬元人民幣，但液氯的年運(yùn)行費(fèi)用要高出紫外線消毒法77萬元；
（2）經(jīng)過2年運(yùn)行之后，紫外線消毒與液氯消毒的一次投資與運(yùn)行費(fèi)用之和基本持平，之后每年紫外線消毒要比液氯消毒節(jié)約77萬元；
（3）環(huán)境與社會效益上，液氯消毒產(chǎn)生的三致物質(zhì)將對水環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不良影響。
1.2與二氧化氯消毒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
二氧化氯是廣譜型消毒劑，其氧化能力是氯的25倍。對水中的病原微生物包括病毒、芽孢、真菌、致病菌及肉毒桿菌均有很高的滅活效果，有剩余消毒能力。二氧化氯在控制THMs的形成和減少總有機(jī)鹵方面，與氯相比具有優(yōu)越性。二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也較強(qiáng)。
制備二氧化氯的起始原料有氯酸鈉或亞氯酸鈉，一般都由亞氯酸鈉與氯反應(yīng)制備。因亞氯酸鈉不能貯存，必須現(xiàn)場制取及時使用，且亞氯酸鈉價格昂貴，成本較高，且僅有20%二氧化氯在消毒過程中有效。當(dāng)反應(yīng)不完全時，自由性氯同樣會與有機(jī)物反應(yīng)，可能生成THMs。二氧化氯發(fā)生器規(guī)模較小，如何運(yùn)用于加氯量較大的污水處理廠成為一個問題。
以3×104m3/d污水處理廠為例，二氧化氯與紫外線消毒經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2。電價按0.49元/Kwh ,燈管使用壽命為12000h/支。
表2 紫外線消毒與二氧化氯消毒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
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項(xiàng)目 |
二氧化氯（復(fù)合）消毒 |
二氧化氯（純）消毒 |
紫外線消毒 |
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1.總投資 |
172萬元 |
172萬元 |
212.5萬元 |
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其中 |
設(shè)備 |
30萬元 |
30萬元 |
210萬元 |
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土建及安裝 |
142萬元 |
142萬元 |
2.5萬元 |
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2.運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用 |
0.103元/m3 |
0.063元/m3 |
0.018元/m3 |
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其中：電費(fèi) |
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0.0098元/m3 |
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燈管更換及維護(hù)費(fèi) |
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0.0086元/m3 |
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藥劑費(fèi) |
0.10元/m3 |
0.06元/m3 |
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人工費(fèi) |
0.003元/m3 |
0.003元/m3 |
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3.年運(yùn)行費(fèi)用 |
112.8萬元 |
68.89萬元 |
19.7萬元 |
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從表2可以看出：
（1）紫外線消毒的一次性投資要高出二氧化氯消毒約40.5萬元人民幣，但二氧化氯（復(fù)合）的年運(yùn)行費(fèi)用要高出紫外線消毒法49.2萬元，二氧化氯（純）要高出紫外線消毒法93.1萬元；
（2）經(jīng)過不到1年運(yùn)行之后，紫外線消毒與二氧化氯消毒的一次投資與運(yùn)行費(fèi)用之和基本持平，之后每年紫外線消毒要比二氧化氯消毒節(jié)約49.2(或93.1)萬元。
2工程設(shè)計應(yīng)用
2.1消毒反應(yīng)器的選用
紫外線消毒器按水流邊界的不同分為敞開式和封閉式。在敞開式紫外線消毒器中，被消毒的水在重力作用下經(jīng)消毒器并滅活水中的微生物。敞開式系統(tǒng)又可分為浸沒式和水面式兩種。
浸沒式又稱為水中照射法，將外加同心圓石英套管的紫外燈置入水中．水從石英套管的周圍流過，當(dāng)燈管(組)需要更換時，使用提升設(shè)備將其抬高至工作面進(jìn)行操作。該方式構(gòu)造比較復(fù)雜、但紫外輻射能的利用率高、滅菌效果好且易于維修。
在開放式水渠中，系統(tǒng)設(shè)計上要采用模塊式反應(yīng)器，例如12只360W的燈管固定在一個燈架上，作為一個模塊，易于安裝？梢苑浅ｌ`活地滿足不同的水質(zhì)情況（如初級、二級、三級處理后的污水）、不同的水量要求。
水面式又稱為水面照射法，即將紫外燈置于水面之上，由平行電子管產(chǎn)生的平行紫外光對水體進(jìn)行消毒。該方式雖簡單，但能量浪費(fèi)大，滅菌效果差，實(shí)際中很少應(yīng)用。
2.2配套產(chǎn)品的選用
任何紫外光系統(tǒng)的成功運(yùn)行都取決于維護(hù)的頻率和修理的簡易程度。通過先進(jìn)技術(shù)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，可以簡化維修的要求。選用長壽命的紫外光燈管、可靠耐用的電子鎮(zhèn)流器、優(yōu)質(zhì)燈架和有效的自動清洗技術(shù)，體現(xiàn)出省時、省錢、節(jié)能和維護(hù)簡易的理想特征。
(1)燈管和鎮(zhèn)流器的選用。任何紫外光系統(tǒng)的設(shè)計都是從選擇優(yōu)良的燈管技術(shù)開始的。燈管和鎮(zhèn)流器都十分重要。燈管和鎮(zhèn)流器的結(jié)合以及采用的控制原理將決定紫外光系統(tǒng)的性能、運(yùn)行成本及穩(wěn)定性。由于紫外光燈必須在水中才能殺菌，因此整個紫外光系統(tǒng)的運(yùn)行也取決于水中自動清洗系統(tǒng)的有效性和可靠性。系統(tǒng)的核心部分是紫外光燈。一般采用高強(qiáng)低壓汞燈，這種燈管的耗能最經(jīng)濟(jì)而紫外光輸出量可以達(dá)到最大。在耗電相同的情況下，好的紫外光燈發(fā)出的紫外光能是普通低壓水銀燈的四至五倍。這樣就可以用更少的燈管，從而減少了設(shè)計運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)省了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，降低了安裝成本。
選用可變輸出式電子鎮(zhèn)流器，即鎮(zhèn)流器可以根據(jù)流量和水質(zhì)的變化調(diào)節(jié)光能輸出。以保證整個系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性最大化。
(2)自動清洗系統(tǒng)。一般采用易于維修不含化學(xué)劑的自動清洗系統(tǒng)。清洗環(huán)進(jìn)行有效的特別設(shè)計，采取不間斷操作方式，以防止石英管結(jié)垢，不影響消毒過程，保證紫外光能量最大限度地放射到水里，發(fā)揮殺菌消毒的作用。清洗頻率根據(jù)污水特點(diǎn)自動調(diào)節(jié)。做到處于備用狀態(tài)的燈管，也能保持清潔，隨時可投入運(yùn)行。使用氣動和無扭力矩陣方式運(yùn)行，即使在完全沒有化學(xué)清潔劑的情況下也可以完全清洗燈管。
(3)選用自動化的劑量調(diào)節(jié)、監(jiān)測及控制系統(tǒng)
紫外光系統(tǒng)中微生物失活的程度取決于該微生物吸收到的紫外光劑量：紫外光的強(qiáng)度主要取決于以下三點(diǎn)：紫外光有效輸出功率、石英套管的潔凈程度、污水水質(zhì)的透光率。
在紫外光燈模塊組中設(shè)計安裝紫外線感應(yīng)器（探頭），根據(jù)監(jiān)測紫外光強(qiáng)度數(shù)據(jù)和污水流量（決定曝光時間）自動運(yùn)行。
為保證對紫外光強(qiáng)度的監(jiān)測，采用可校驗(yàn)自動清洗紫外光強(qiáng)度感應(yīng)器，具有紫外光波長選擇性，并且具備操作穩(wěn)定，使用壽命長的基本要求。
采用適時劑量調(diào)控的紫外線系統(tǒng)。這種技術(shù)以紫外光強(qiáng)度為基礎(chǔ)，可對放射到微生物組織的紫外光劑量進(jìn)行不間斷監(jiān)測和控制。它自動控制調(diào)節(jié)光強(qiáng)度，補(bǔ)償因水質(zhì)變化、燈管老化、燈管潔凈度而受影響的光強(qiáng)度。
3結(jié)論
為有效地保護(hù)江河湖海的水源，最終保護(hù)人類的健康，城市污水處理后必須經(jīng)消毒后才能排放到水體中。紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用于污水處理廠出水處理，具有其它消毒劑不可替代的許多優(yōu)點(diǎn)。通過與液氯、二氧化氯的對比分析，雖然紫外線消毒一次性投資略高，但年運(yùn)行費(fèi)用低，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上可行。在工程應(yīng)用上應(yīng)針對設(shè)計對象進(jìn)行紫外線消毒系統(tǒng)的高集成度和模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)轉(zhuǎn)，并采用高壽命的元件，以使維護(hù)和管理的工作量大大降低。
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