北碚污水处理厂紫外光消毒系统选型及应用
重庆北碚污水处理厂设计日处理污水量5万m3／d，于2000年12月建成投入试运行，采用的是改良型氧化沟工艺。起初没有消毒工艺，后因重庆市水价上涨，为降低城市绿化用水成本和保护嘉陵江水质，污水处理厂增建了紫外光消毒装置，于2002年3月安装调试完成，投入正式运行。
紫外光消毒技术是基于现代防疫学、医学和光动力学的基础上，利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的C波段紫外光照射流水，将水中各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，达到消毒的目的。目前，世界上已经安装运行的大型污水处理厂紫外光消毒装置有4000多套，其中，最大的是新西兰曼努高污水处理紫外光消毒装置，日处理能力为121万吨（2001年7月）。
1 系统介绍
1.1消毒原理
紫外线分为四个不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB （315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外线（200～100nm）。其中能透过臭氧保护层和云层到达地球表面的只有UVA和 UVB部分。就杀菌速度而言，UVC处于微生物吸收峰范围之内（见图1），可在1s之内通过破坏微生物的DNA结构杀死病毒和细菌，而UVA和UVB由于 处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度很慢，往往需要数小时才能起到杀菌作用，在实际工程的数秒钟水力停留（照射）时间内，该部分实际上属于无效紫外部分。真空紫外光穿透能力极弱，灯管和套管需要采用极高透光率的石英，一般用半导体行业降解水中的TOC，不用于杀菌消毒。因此，给排水工程中所说的紫外光消毒实际上就是指UVC消毒。
目前能够输出足够的UVC强度用于工程消毒的只有人工汞（合金）灯光源。汞灯根据点亮后的灯管内汞蒸气压的不同和UV输出强度的不同，分为三种：低压低强度汞灯、中压高强度汞灯和低压高强度汞灯。三种光源的波谱图见图2～图4。
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杀菌效果是由微生物所接受的照射剂量决定的。
照射剂量（J／m2）＝照射时间（s）×UVC强度（W／m2）
照射剂量越大，消毒效率越高。由于设备尺寸要求，一般照射时间只有几秒，因此，灯管的UVC输出强度就成了衡量紫外光消毒设备性能最主要的参数。在城市污水消毒中，一般平均照射剂量在300 J／m2以 上。低于此值，有可能出现光复活现象，即病菌不能被彻底杀死，当从渠道中流出接受可见光照射后，重新复活，降低了杀菌效果。杀菌效率要求越高，所需的照射剂量越大。影响微生物接受到足够紫外光照射剂量的主要因素是透光率（254 nm处），当UVC输出强度和照射时间一定时，透光率的变化将造成微生物实际接受剂量的变化。
1.2 系统构成
污水处理厂使用的紫外光消毒系统主要包括：（1）紫外灯及镇流器构成的消毒系统、（2）传感器与PLC构成的实时调节系统、（3）自动清洗系统和（4）供配电系统。
2 设备选择
由于目前国内安装的UVC污水处理消毒装置较少，许多用户和设计人员缺乏设备比选的经验。我们通过北碚污水处理厂UVC消毒装置的选择以及随后的应用研究，积累了一定的经验，认为应该重点注意以下4个方面。
2.1 灯管的选择
分 两个方面。一是单支灯管的UVC输出强度越高，所需要的灯管数量越少，投资和运行维护费用越低。从图2～图4可以看出，高强度汞灯的输出强度高，优于低强 度汞灯。二是UVC电光转换效率（253.7 nm），这又分两个层次。一是灯管消耗的电能转换为光能的效率，二是光能中253.7 nm波长（即UVC）部分所占的比例。从图2～图4可以看出，低压汞灯的紫外输出主要集中在253.7 nm，而中压汞灯的紫外输出主要集中在366 nm，且中压汞灯发热量很大，进一步造成能量浪费，因此，低压高强度汞灯的电光转换效率高于中压高强汞灯。北碚UVC消毒系统的电光转化效率高达42％。 此外，应选择质保寿命较长的灯管。
2.2 传感器及实时调节系统的选择
污水处理厂水量、水质波动较大， 因此进行UVC输出强度的实时调节对节约电耗和延长灯管寿命意义重大。这主要通过灯管的可变输出和传感器的真实反馈来实现。就传感器进行真实反馈而言，其位置和波长的选择性极为重要。有些产品的传感器放在紫外灯管和石英套管之间，反馈的信号没有包含被消毒水的透光率变化情况。此外，一些传感器的波长选择性 不强，测出的紫外光强度还包含了除253.7nm之外的其他波长的紫外光。能真实反应微生物实际接受的UVC照射强度的传感器应是放置在水中（与微生物处于同一位置），并且只监测253.7nm波长强度。北碚污水处理厂即采用的这种传感器，其低压高强度汞灯在50～100％的范围内可以实现电耗与UVC输出的线性自动调整。
2.3 自动清洗系统的选择
污 水处理厂紫外光消毒系统的清洗系统有人工清洗、自动机械清洗和自动化学清洗三种。由于人工清洗要中断消毒、工作量大、操作时易损伤灯管，且间隔时间长（自动清洗一般1～2次／小时），无法保证石英套管所必需的最低综合透光率，因此，除极个别特殊情况外，极少使用。自动清洗系统的选择与所使用的灯管有关。对于中压高强度灯管，温度在600～900℃之间，结垢严重，必须采用机械化学清洗。对于低压高强度灯管，温度低于110℃，结垢量和速度都远远低于中压高 强灯管，在1～2次／h的清洗频率内，不会形成结垢。北碚连续10个月的实际运行结果也证明了这一点。
2.4 二次污染及事故污染
正 常运行时的二次污染来自化学清洗系统中的清洗剂。事故情况下的二次污染发生在灯管破损时汞进入水中，以及液压驱动的自动清洗系统发生泄漏。北碚污水处理厂选用的汞灯使用的是固态汞合金，固定粘附在灯管两端的突起点，灯管破损时不会象液态汞那样流到水中，将粘附着汞合金的石英碎片打捞出来即可。而且研究表明 该汞合金在污水中长期浸泡后水中汞的本底浓度未见升高。此外，该系统采用压缩空气为动力的自动机械清洗系统，不存在运行期间和事故泄漏造成二次污染的问题。
3 紫外光消毒的局限性
与饮用水UVC消毒（目前世界上最大的UVC饮用水消毒系统安装在芬兰的赫尔辛基，18.8万m3／d）不同的是，污水中由于SS包裹细菌的影响，很难在投资允许的范围内达到非常严格的消毒标准。目前，只有一家紫外光消毒设备制造商的产品得到了的美国加州污水回用标准Title22 of the California Code of Regulations的认可，该标准要求总大肠菌值小于2.2TC／100mL。
4 监测结果
北碚污水处理厂进、出水设计粪大肠菌值为106～108FC／100 mL，实测几何平均值小于20FC／100mL（见表1）。监测方法采用多管发酵法。
表1 北碚污水处理厂紫外光消毒系统监测结果
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月份 |
平均进口浓度 （×105 FC/100mL） |
平均出口浓度 （FC/100mL） |
月份 |
平均进口浓度 （×105 FC/100mL） |
平均出口浓度（FC/100mL） |
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3 |
9.1 |
18 |
7 |
11 |
20 |
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4 |
8.4 |
12 |
8 |
21 |
32 |
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5 |
8.9 |
11m |
9 |
7.8 |
15 |
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6 |
4.3 |
16 |
10 |
11 |
17 |
5 运行成本
装置总装机容量：47.3KW。
运行费用合计：0.018元／m3，其中：
能源消耗费： 0.0098元／m3
灯管更换费用：0.0086元／m3
（实际能耗：0.02kWh／m3综合电价：0.49元／kWh ）
6 结论
（1）紫外光用于城市污水二级处理出水的消毒可以满足目前国内景观及绿化用水要求。
（2）该技术具有无二次污染的特点，应用前景广阔。
（3）能耗低、运行费用低；自动化程度高；维护简便。
（4）在设备选用方面，低压高强度紫外灯的综合技术经济指标优于中压高强度紫外灯。
参考文献：
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