提要：紫外線(xiàn)消毒在醫(yī)院及小型給水系統(tǒng)中有較多的應(yīng)用,但在城市污水處理中鮮有采用。近年來(lái),隨著成本的下降及對(duì)氯和氯衍生物的控制,紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在國(guó)外迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)也有了采用紫外線(xiàn)消毒處理城市污水的實(shí)例。介紹了紫外線(xiàn)消毒技術(shù)及其實(shí)際運(yùn)用情況。

        消毒是水處理中的重要工序,《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ13-86(1997年版)中規(guī)定:“生活飲用水必須消毒”?！妒彝馀潘O(shè)計(jì)規(guī)范》雖沒(méi)有明確規(guī)定,但在2000年6月5日由建設(shè)部、國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局、科技部聯(lián)合發(fā)出的“關(guān)于印發(fā)《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》的通知(建城[2000]124號(hào))”中規(guī)定“為保證公共衛(wèi)生安全,防治傳染性疾病傳播,城市污水處理設(shè)施應(yīng)設(shè)置消毒設(shè)施”。因此污水處理出水的消毒不再是可有可無(wú)的了。由于污水中含有大量細(xì)菌及病毒,污水處理廠應(yīng)把好最后一道關(guān),盡可能殺滅致病菌。

1. 消毒技術(shù)及發(fā)展

        通常消毒方法可分為物理法和化學(xué)法。物理法包括加熱、紫外線(xiàn)、γ或X射線(xiàn)照射、分子篩等;化學(xué)法主要采用強(qiáng)氧化劑如氯氣、二氧化氯、臭氧、高錳酸鉀、氯胺、次氯酸等化學(xué)藥劑。長(zhǎng)期以來(lái),由于化學(xué)法具有容易實(shí)現(xiàn)、成本低的優(yōu)點(diǎn),所以使用較多,而液氯作為廉價(jià)的消毒劑有著最廣泛的應(yīng)用。

        從理論上分析,消毒劑消毒能力的大小取決于單位摩爾物質(zhì)得電子的能力。因此消毒能力依次為:O₃>ClO₂>ClO^->Cl₂>氯胺>KMnO₄

        從實(shí)際使用成本分析由高到低為:KMnO₄>ClO^->O₃>ClO₂>氯胺>Cl₂。
 
        在上述消毒劑中KMnO₄消毒能力差、價(jià)格高,工程中很少單獨(dú)使用;O₃,Cl₂及ClO^-都可以氧化有機(jī)物,但ClO₂對(duì)氨氮無(wú)氧化作用。雖然液氯使用最多,但氯氣是一種具有強(qiáng)烈刺激性的有毒氣體,在運(yùn)輸和使用過(guò)程中易發(fā)生泄漏和爆炸。由于氯氧化性強(qiáng),易與水中有機(jī)物發(fā)生反應(yīng),對(duì)消毒產(chǎn)生干擾,另外其反應(yīng)產(chǎn)物鹵代烴、氯仿、三氯甲烷、多氯聯(lián)苯等物質(zhì)對(duì)人畜有毒害,許多還是致癌、致畸、致突變的“三致”物質(zhì)?，F(xiàn)在國(guó)際上許多國(guó)家和地方政府已限制氯及其衍生物的使用。我國(guó)一些地方的環(huán)保部門(mén)和勞動(dòng)保護(hù)部門(mén)也對(duì)液氯的使用進(jìn)行了控制,在前尚無(wú)更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法推出前,許多污水廠出水都沒(méi)有正常的消毒,為此國(guó)內(nèi)二氧化氯消毒技術(shù)迅速發(fā)展。二氧化氯使用時(shí)要現(xiàn)場(chǎng)制備,而且僅有20%二氧化氯在消毒過(guò)程中有效。另外,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(gè)問(wèn)題?；谏鲜鲈?紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在污水處理領(lǐng)域開(kāi)始嶄露頭角。

        紫外線(xiàn)技術(shù)早在1900年便已存在,但現(xiàn)在的紫外線(xiàn)技術(shù)與過(guò)去已是不完全相同了。據(jù)統(tǒng)計(jì),過(guò)去很少有紫外線(xiàn)消毒運(yùn)用于污水處理的實(shí)例,但到了1995年紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在美國(guó)污水處理中的應(yīng)用已達(dá)5%,并呈逐年上升趨勢(shì)。近來(lái),由于采用紫外線(xiàn)消毒具有不需投加任何化學(xué)藥劑,不改變水的成分和結(jié)構(gòu),消毒時(shí)間短,殺菌范圍寬效果好的優(yōu)點(diǎn),國(guó)際上一些對(duì)細(xì)菌排放有嚴(yán)格要求的地區(qū),大多采用了紫外線(xiàn)消毒。

2. 紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的原理

        紫外線(xiàn)是一種肉眼不可見(jiàn)的光線(xiàn),通常我們將波長(zhǎng)在200 nm以上的光都稱(chēng)為紫外線(xiàn),根據(jù)不同的波長(zhǎng)還可細(xì)分為UVA(315~400nm),UVB(280~315 nm),UVC(200~280 nm)。過(guò)量的VA會(huì)導(dǎo)致色素沉積,UVB是色斑和維生素D綜合癥的致病原因,而UVC最易被DNA(核糖核酸)吸收。紫外線(xiàn)消毒使用的就是UVC。當(dāng)病毒細(xì)胞經(jīng)紫外線(xiàn)照射后,波長(zhǎng)254 nm的紫外線(xiàn)被DNA吸收。細(xì)胞在DNA鏈上的相鄰的胸腺嘧啶將相互糾纏,新的二聚物會(huì)阻礙RNA(核糖核酸)鏈上正確的DNA遺傳代碼復(fù)制,RNA是信息的傳遞者,其功能是傳遞DNA碼至細(xì)胞的不同部分。由于RNA傳遞功能喪失,最終導(dǎo)致細(xì)胞功能衰退而死亡,從而達(dá)到消毒殺菌的目的。

        紫外線(xiàn)消毒燈管類(lèi)型可分成低壓、中壓、高壓3種,常用的是低壓和中壓系統(tǒng)。

        低壓汞燈內(nèi)為負(fù)壓,汞呈蒸氣狀,中壓汞燈內(nèi)為常壓。低壓燈按輸出能量的不同分為高強(qiáng)度和低強(qiáng)度兩類(lèi)。低強(qiáng)度燈類(lèi)似于普通的熒光燈,在內(nèi)部鏡頭上沒(méi)有磷涂層。鏡頭由特殊玻璃制成,因此可以保持較高的紫外線(xiàn)轉(zhuǎn)輸率,防止鏡頭被紫外線(xiàn)曬黑。低壓高強(qiáng)度燈是近來(lái)用于污水處理中較多的產(chǎn)品,其紫外線(xiàn)轉(zhuǎn)換率比低壓低強(qiáng)度燈高4倍。單根功率也達(dá)到100 W以上。

        中壓系統(tǒng)每根燈能耗最高可達(dá)5 000 W,而低壓系統(tǒng)每根燈管能耗為65~1 500 W。處理同樣的水量,中壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)相比,則需要較少的燈管,水流通過(guò)時(shí)的水頭損失也較小,燈管自清潔系統(tǒng)的費(fèi)用也較少。但由于中、高壓系統(tǒng)發(fā)出的波長(zhǎng)范圍寬,而能被有效利用的只有一小部分,所以能量轉(zhuǎn)換率低(通常只是低壓系統(tǒng)的1/2~1/3)能耗大,因此一般只在大型水處理廠中使用。

        紫外線(xiàn)消毒效果的好壞與紫外線(xiàn)燈源發(fā)出有效波長(zhǎng)的能量轉(zhuǎn)換率、紫外線(xiàn)弧長(zhǎng)有關(guān),還與燈管和水的透射率以及照射時(shí)間有關(guān)?，F(xiàn)在的高效燈源可發(fā)出40%以上的有效光譜,石英燈管的透射率也在90%以上。因此,與傳統(tǒng)意義上的紫外線(xiàn)燈已不能相提并論。目前,世界上先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的燈管壽命已達(dá)15 000 h以上,但價(jià)格卻降低了不少,從而大大降低了投資及運(yùn)行成本。

3. 紫外線(xiàn)消毒與傳統(tǒng)加氯消毒的比較

        紫外線(xiàn)消毒在小型的水處理和滅菌要求較高的醫(yī)院污水處理中一直有較多的應(yīng)用。其滅菌范圍廣、效果好、無(wú)須投加化學(xué)藥劑、使用簡(jiǎn)便、無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的認(rèn)同。然而昂貴的設(shè)備及成本限制了紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的推廣。近年來(lái),隨著紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的不斷進(jìn)步和國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,尤其是僅有少數(shù)國(guó)家才能生產(chǎn)的高技術(shù)含量的紫外線(xiàn)燈管價(jià)格大幅度下降,紫外線(xiàn)消毒技術(shù)已在國(guó)外污水處理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

        3.1　投資

        紫外線(xiàn)設(shè)施的一次投資主要有紫紫外線(xiàn)燈架、紫外線(xiàn)燈管、清洗裝置、制設(shè)備。而液氯消毒系統(tǒng)包括加氯間氯庫(kù),設(shè)備有自動(dòng)加氯機(jī)、氯瓶、電子磅裝置、真空調(diào)節(jié)器、漏氯檢測(cè)報(bào)警儀、液和裝置、通風(fēng)設(shè)備、配電裝置和控制設(shè)毒系統(tǒng)的土建和設(shè)備均多于紫外線(xiàn)消。

        圖1是根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的和紫外線(xiàn)消毒的投資費(fèi)用比較。

        從圖1可知,當(dāng)處理水量在10萬(wàn)m3/d以下時(shí),紫外線(xiàn)消毒設(shè)備的投資小于液氯消毒系統(tǒng),若有脫氯要求,則當(dāng)處理水量小于25萬(wàn)m3/d時(shí),紫外線(xiàn)比液氯消毒經(jīng)濟(jì)。

        3.2　運(yùn)行成本

        在眾多的消毒方法中,液氯消毒一向被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的,所以雖然有著許多弊端,仍被廣泛使用。液氯消毒的成本主要在于液氯的費(fèi)用和設(shè)備的折舊以及少量的電費(fèi)。紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)運(yùn)行成本主要取決于電費(fèi)和燈管的設(shè)備折舊。

        圖2是根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的采用液氯消毒和紫外線(xiàn)消毒的運(yùn)行成本比較。

        目前國(guó)內(nèi)一般中等規(guī)模污水處理廠的運(yùn)行成本如下:液氯消毒為0.02元/m³;次氯酸鈉為0.54元/m³;二氧化氯為0.08元/m³;分子篩為0.30元/m³;臭氧消毒為0.10元/m³;上海閔行污水處理廠紫外線(xiàn)消毒:0.016元/m_³。由此可見(jiàn),紫外線(xiàn)消毒處理的運(yùn)行成本具有一定的優(yōu)勢(shì)。

        3.3　操作運(yùn)行

        紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)運(yùn)行中基本上不需人工干預(yù),但如果配備人工清洗系統(tǒng),須定期將燈管提出消毒渠,浸入清洗槽清洗。而其他消毒工藝在工作過(guò)程中需要較多的人工。

        液氯消毒系統(tǒng)則需要操作工人現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視和勞作,裝卸、切換氯瓶等工作必須由人工進(jìn)行。

        3.4　維護(hù)管理

       由于紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的高集成度和模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可24 h全自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),高壽命的元件將維護(hù)和管理的工作量大大降低。

        液氯消毒系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備較多,所以日常的維護(hù)和管理工作量也較大。

4. 紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的計(jì)算

        紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮以下因素:水質(zhì)、透射率、水量、峰值系數(shù)、殺滅率、照射強(qiáng)度、照射時(shí)間。

        通常先取得需要消毒的水樣,測(cè)出其水質(zhì),包括細(xì)菌數(shù)、種類(lèi)、水樣透射率等。其次可采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)得到在設(shè)計(jì)殺滅率時(shí)的紫外線(xiàn)劑量。紫外線(xiàn)劑量可用下式表示:紫外線(xiàn)劑量=紫外線(xiàn)密度×照射時(shí)間。紫外線(xiàn)劑量單位為J/m²,紫外線(xiàn)密度單位為W/m²,照射時(shí)間單位為s。

        在過(guò)去,常用理論紫外劑量測(cè)算,理論紫外劑量是假定在理想系統(tǒng)中,所有微生物都能接受到同樣的紫外線(xiàn)輻射,這時(shí)需要的劑量即稱(chēng)為紫外劑量。由于消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常常偏離理想條件,按理論紫外劑量設(shè)計(jì)的消毒器往往不能保證設(shè)計(jì)殺滅率。因此,現(xiàn)在常以生物驗(yàn)定劑量(即紫外線(xiàn)消毒器實(shí)際能達(dá)到的有效紫外線(xiàn)劑量)為設(shè)計(jì)參數(shù)。

        加拿大的一個(gè)二級(jí)污水處理廠出水水樣的紫外劑量試驗(yàn)表明:當(dāng)紫外線(xiàn)劑量在0~15 mW•s/cm²時(shí),已有微生物功能衰退現(xiàn)象出現(xiàn),當(dāng)紫外線(xiàn)劑量>30 mW•s/cm²時(shí),殺菌效果無(wú)法進(jìn)一步提高。這主要是因?yàn)槲鬯写罅繎腋」腆w顆粒的存在屏蔽了紫外線(xiàn),使與懸浮顆粒結(jié)合的微生物得以存活。這是污水處理與給水處理不同的特點(diǎn)。因此,設(shè)計(jì)的紫外劑量通常<30 mW•s/cm²。

5. 紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在上海污水處理廠的運(yùn)用

        上海是全國(guó)最早建有污水處理廠的城市,市區(qū)范圍內(nèi)有12座污水處理廠,都建有液氯消毒設(shè)施。由于污水所需的消毒劑量較大,通常相當(dāng)于同等規(guī)模自來(lái)水廠的5倍,運(yùn)行成本高,運(yùn)輸和使用都成為問(wèn)題。另一方面,隨著城市迅速發(fā)展,上海的污水廠都被周?chē)用駞^(qū)包圍,液氯使用的安全問(wèn)題成為另一個(gè)重要的考慮因素。因此,許多污水廠的消毒系統(tǒng)從建成后就沒(méi)有很好使用過(guò)。閑置多年后,設(shè)備均已腐蝕、損壞,很難恢復(fù)。

        上海市黃浦江水源保護(hù)條例制定后,對(duì)排入黃浦江的污水有了細(xì)菌數(shù)量的控制,生活污水處理廠排出的水中,大腸桿菌的數(shù)量都在105~106個(gè)/L左右,且種類(lèi)多。由于污水水質(zhì)的特殊性,殺滅難度較大。

        從環(huán)境保護(hù)的角度考慮,更應(yīng)減少污水處理廠對(duì)環(huán)境造成的二次污染。污水中含有大量有機(jī)污染物,如苯、酚、氨等。這些物質(zhì)一方面會(huì)干擾消毒過(guò)程,消耗消毒劑,還會(huì)產(chǎn)生許多致死、致畸、致突變的消毒副產(chǎn)品。為了更有效地殺滅細(xì)菌,同時(shí)更有效地保障上海市人民的身心健康,對(duì)地處上海黃浦江水源保護(hù)地的閔行污水處理廠采用先進(jìn)的紫外線(xiàn)消毒技術(shù)。

        上海閔行污水處理廠建于1980年,幾經(jīng)擴(kuò)建已從最初的2•5萬(wàn)m³/d的常規(guī)活性污泥工藝改造成5萬(wàn)m³/d的脫氮工藝。閔行污水廠原建有加氯間及加氯接觸池,由于運(yùn)行費(fèi)用和安全方面的原因,沒(méi)有很好運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò),設(shè)備、設(shè)施已很難修復(fù)。在改成紫外線(xiàn)消毒時(shí),充分利用了原加氯接觸池出水渠(見(jiàn)圖3)。

        閔行污水處理廠紫外線(xiàn)消毒采用的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

        處理量5萬(wàn)m³/d,峰值流量2 875 m³/h,BOD30 mg/L,SS 30 mg/L,大腸桿菌數(shù)1×106個(gè)/L,紫外線(xiàn)燈管數(shù)300根,單根功率65 W,接觸時(shí)間6 s, 投射率70%,燈管壽命>10 000 h,出水大腸桿菌數(shù)3 000個(gè)/L。

6. 紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的評(píng)價(jià)

        閔行污水處理廠紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行,從廠方和有關(guān)衛(wèi)生檢驗(yàn)部門(mén)的檢測(cè)數(shù)據(jù)看,消毒效果較為理想,達(dá)到黃浦江準(zhǔn)水源保護(hù)地的排放標(biāo)準(zhǔn)。平均殺滅率達(dá)到99•8%。但與國(guó)外污水處理廠的消毒效果相比還有一定差距。主要表現(xiàn)在抗沖擊負(fù)荷和細(xì)菌復(fù)活兩方面。

        數(shù)據(jù)表明,紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的效果好壞與處理流量和水質(zhì)密切相關(guān),水量突然增大時(shí),紫外線(xiàn)照射時(shí)間短,需要更強(qiáng)的輻射劑量。紫外線(xiàn)系統(tǒng)通常根據(jù)最大峰值流量設(shè)計(jì),但由于水力負(fù)荷大時(shí),出水水質(zhì)也較平時(shí)差,而水質(zhì)下降勢(shì)必使透光率下降,因此殺菌率無(wú)法保證。

        紫外線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)出水SS值非常敏感,國(guó)外出水SS值大多在10 mg/L以下,而國(guó)內(nèi)出水SS值通常在20~30 mg/L之間。相對(duì)來(lái)說(shuō)就需要更強(qiáng)的輻射劑量。閔行污水處理廠采用的是低壓低強(qiáng)燈,能耗較小,但單管功率和光強(qiáng)也小,需要的燈管數(shù)較多。

        為了減少投資,采用了人工清洗的方式。清洗的工作量非常大,每次清洗的周期也較長(zhǎng)。

        由于紫外線(xiàn)系統(tǒng)是在原加氯接觸池基礎(chǔ)上改造而成,出水渠較長(zhǎng)。測(cè)得出水渠末端大腸桿菌數(shù)遠(yuǎn)高于紫外線(xiàn)消毒槽出口處。經(jīng)分析主要有兩方面的原因:紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)后的老渠道內(nèi)積累細(xì)菌較多;紫外線(xiàn)劑量不夠,殺滅不徹底,細(xì)菌復(fù)活。這也是紫外線(xiàn)消毒的一個(gè)缺點(diǎn)。

        從運(yùn)行成本分析,電耗僅為0.007元/m,加上設(shè)備折舊、人員工資后,處理成本約為0.016元/m3。

7. 結(jié)語(yǔ)
        閔行污水處理廠,作為國(guó)內(nèi)第一家建成有紫外線(xiàn)消毒的城市污水處理廠,將為我們積累大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)行半年來(lái)的實(shí)踐證明,紫外線(xiàn)可以替代液氯用于城市污水消毒領(lǐng)域。綜合各種因素,在選用紫外線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)宜采用國(guó)外先進(jìn)的低壓高強(qiáng)度或中壓系統(tǒng),并帶自動(dòng)清洗裝置。紫外線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵,燈管間距布置合理,盡量避免黑洞的產(chǎn)生,確保消毒效果。相信,在對(duì)環(huán)保日益重視的今天,紫外線(xiàn)消毒將在我國(guó)污水處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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