紫外线消毒工艺在水处理中的应用前景
1 前言
在水处理领域中，通常采用氯消毒法。传统的氯消毒会产生三卤甲烷等三致物质（致畸、致癌、致突变）。20世纪初，人们发现紫外线消毒法是一种更加安全和有效的方法，其具有不投加化学药剂、不增加水的嗅和味、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点。1970年美国环境保护署（EPA）完成了第一个污水紫外线消毒的示范工程。此后，在美国、加拿大等北美国家应用紫外线消毒法处理污水开始普及。随着科学技术的进步和人们自身健康意识的增强，紫外线消毒法在水处理的各个领域都得到了较大的发展。
2 消毒原理
紫外线根据生物效应的不同，按照波长划分为A、B、C、D四个波段，水处理领域的消毒主要采用的是C波段紫外线。
水的紫外线消毒，是一种光化学效应。研究表明，紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体) 的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死从而达到消毒的目的。微生物的核酸分子吸收光谱的范围是240nm～280nm,对波长260nm的紫外线有最大吸收，而低压紫外线消毒灯所产生的光波波长其中心辐射波长是253.7nm，正好与之相符合。故此传统的紫外线消毒系统大多采用低压高输出系统。
3 影响紫外线灭菌效率的主要因素
3.1 处理水的性质：处理水的悬浮物（SS）、浊度、色度、PH、温度以及水中微生物的类型和数量等。
⑴SS SS为紫外线消毒效率的重要影响因素。当进流水SS＞30 mg/l时，随紫外线反应时间增加或紫外线剂量增加,其大肠杆菌数未明显骤降;而进流水SS＜30 mg/l，出流水大肠杆菌数大为降低，一般建议进入紫外线消毒工艺的SS小于20mg/l。
⑵浊度和色度 浊度和色度较高会影响紫外线的穿透率，从而降低消毒效率。一般建议进入紫外线消毒系统的水的浊度应小于5度，色度小于15度。
⑶PH PH=5～9时，PH愈高残菌数愈少。
⑷温度 随温度增加，紫外线消毒效率呈递减现象。
3.2 紫外光剂量和消毒时间
消毒时间和消毒剂量是紫外线消毒系统设计的重要参数。随紫外线剂量增加除菌率递增。系统中微生物失活的程度取决于该微生物吸收到的紫外光剂量，灭活微生物所需剂量与微生物的种类和要求的杀灭率有关，而微生物吸收的剂量与紫外光强度和微生物在紫外线中的曝露时间有关：
紫外光剂量 [J/m2]= 紫外光强度 [W/m2]×曝光时间[s]
紫外光的强度主要取决于以下三点：
(1) 紫外光输出功率；
(2) 石英套管的洁净程度；
(3) 污水水质的透光率；
由杀菌所需的紫外光剂量和紫外光灯管的强度可以得出其曝光时间。
3.3 紫外线的消毒能力还与紫外灯照射方式有着直接的联系，照射方式分水下照射式和水面照射式，目前多采用水下照射式。
4 紫外线消毒法与其它消毒方法比较
目前常见的有五种消毒方法：加氯消毒法，氯胺消毒法，二氧化氯消毒法，臭氧消毒法和紫外线（紫外线）消毒法。前面四种消毒方法均属于化学消毒法，紫外线消毒法是瞬间物理消毒法。表1对常用五种消毒法的优缺点进行了比较。
表1 紫外线消毒与其余消毒方法的比较
|
消毒剂 |
消毒时间 |
消毒副产物 |
费用 |
效果 |
安全性 |
|
液氯 |
>30min |
氯仿、卤乙酸、卤化腈 |
基建、运行费用较低 |
能有效灭菌，但杀灭病毒的效果差;持久性灭菌效果好 |
氯气有毒，腐蚀性强，运行、管理有一定危险 |
|
氯胺 |
>30min |
卤乙酸、氯化腈、溴化腈 |
基建、运行费用较低 |
杀灭病毒的效果差; 持久性灭菌效果是消毒剂中最好的 |
管网腐蚀少于连续氯消毒 |
|
二氧化氯 |
10~20min |
亚氯酸盐、氯酸盐、有机性副产物 |
基建和安装费用高，运行费用较低 |
灭菌效果较Cl2好 |
二氧化氯不稳定，强氧化性，有毒性和腐蚀性，只能就地生产，操作管理要求高 |
|
臭氧 |
5~10min |
溴酸盐、醛类物质、酮类物质、羧酸、二溴丙酮腈 |
基建投资较大，运行成本高 |
灭菌和杀灭病毒的效果均很好，无持续性灭菌效果 |
有毒性，强氧化性，操作管理要求高 |
|
紫外线 |
5～10s |
无 |
安装费用为二氧化氯的50％；运行费用为氯胺的25％（Busseltston 公司） |
消毒效果好，快速简便， 无持续性灭菌效果 |
紫外线系统为密闭系统，安全性较好 |
由表1可见紫外线消毒在经济性，运行的安全性、可靠性都有明显的优势。
5 应用
紫外线消毒法有着传统的消毒法所不具有的许多优点，自1910年法国马赛的一家自来水厂首次运用紫外线消毒工艺以来，紫外线消毒法在饮用水，再生水，生活污水以及工业用水和废水的消毒处理中被广泛应用。
5.1 饮用水消毒
饮用水微生物安全性是与人民健康休戚相关的问题。如何有效杀灭细菌和病毒，同时又不产生有毒副产物一直是饮用水消毒的关键。紫外线灭菌安全有效，不产生副产物，不改变水的物理化学性质，完全符合饮用水消毒的各项要求。此外饮用水的低浊度使消毒效果较好，故此加拿大和北美的许多饮用水处理厂采用了紫外线消毒系统。一般用封闭型的紫外线消毒系统对饮用水进行终端处理。
5.2 再生水消毒
再生水的消毒，是紫外线污水消毒的另一个重要应用范围。再生水的特性是低浊度和高紫外线穿透率。出于对氯消毒三致性物质的担忧和化学药剂对农作物的危害，美国加州于90 年代初委托美国国家水研究所(NWRl)、美国供水协会(AWWA)和加州戴维斯大学对紫外线消毒技术在废水再生处理中的应用做了大量研究工作，并最早将紫外线污水消毒技术应用于再生水的消毒处理中。根据美国1998年的一项不完全统计，表明其12个州80家城市污水处理厂采用了紫外线污水消毒技术处理再生水，总处理量约为260万m3／d。目前世界上最大的使用紫外线消毒技术的再生水处理厂是加州Santa Rosa污水处理厂，处理规模25万m3／d，该系统为明渠式中压灯消毒系统。
5.3 生活污水消毒
小型的污水处理站可用封闭型的紫外线消毒系统，对于大型的污水处理而言，多采用明渠式，易于监测和维护。常规二级生化处理后的污水消毒，是紫外线污水消毒应用最为普遍的领域。这类污水TSS一般在10～30 mg／l 紫外穿透率在40％～70％。美国 Valley Creek污水处理厂可消毒227万m3／d 污水，该紫外线消毒系统是目前世界上最大的紫外线污水消毒系统，采用了明渠式中压灯消毒技术。对于水质在短时间有变化幅度较大的合流管道溢流污水用紫外线消毒，不仅消毒效果好，而且比加氯消毒在剂量控制上更为可靠和容易。2001年上海闵行水质净化厂运用紫外线消毒工艺，出水微生物完全达标。
5.4 工业用水和工业废水的灭菌及消毒
紫外线消毒可用于食品加工用水，水产养殖用水，工业循环冷却水的消毒、灭菌，还可用于制药废水以及医院废水等含致病细菌废水的灭菌处理。福建省水产技术推广总站使用新大陆环保公司的NLC系列水消毒设备（封闭式系列水消毒设备）在水产苗种培育上的应用，获得巨大成功，海水鱼苗成活率平均提高20-30%，直接经济净效益47万元/年。
6 紫外线消毒的前景展望
6.1 系统自身的优化：
近年来人们对紫外线消毒机理进行了深入研究，紫外线技术的不断发展，消毒装置在设计上克服了自身的一些缺点，尝试使用更有效的参数, 建立更接近于实际情况的动力学模型，日趋完善。较为成功的优化系统为中压紫外消毒系统。按照功率紫外线灯管可分为低压和中压灯管。低压灯管使用较普遍，但是输出功率较低，对于大型水厂而言，灯泡的使用量极大，会导致电子系统增加和紫外单元数增加，从而投资和维修的费用也会随之增加。中压灯管虽然在253.7nm的输出功率比例低于低压灯管，但是在254nm时有更高的多色紫外光谱输出和较低的恢复，可减少反应器和灯泡的数量，设备和投资则接近低压系统的费用，作为大型水厂的消毒设备有很大的优越性。
6.2 外部环境的有力支持：
随着用于减少氯消毒副产物费用的上升，氯化消毒的经济性下降。现有的氯消毒构筑物改为紫外线消毒构筑物比较简单，无需额外的基建设施。同时我国的西部地区丰富的水电资源也为紫外线消毒技术的广泛应用提供了电力支持。目前国产的紫外线消毒设备的价格约为同类型进口设备的一半。在这种外部条件下，紫外线消毒不失为一种低投资，低成本的消毒技术，有着广阔的发展前景。
6.3 紫外线消毒联用技术：
紫外线与臭氧、二氧化氯、液氯等消毒剂联用可增加消毒能力，有效灭菌，又可减少消毒剂的使用量和出水的消毒副产物，大大增加了出水安全性。比起单一的消毒法，联用技术在经济性和安全性上都有很大优势。
6.4 应用领域的不断拓宽：
世界的水资源的紧张以及国际水质量标准监测的日益严格使紫外线消毒技术在污水处理和再生水消毒有着极大的发展潜力。经过紫外线消毒的污水可以在很多领域再利用，以实现污水资源化。经紫外线消毒处理的再生水中的有害物质比常规消毒工艺少，增加了回用水的安全性。烟台市套子湾污水厂的深度处理就采用了敞开式UV消毒工艺，可向城市提供40000m3/d的工业回用水，目前运行状况良好。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
