UV消毒法在水处理工艺中的应用前景
UV消毒法以其对广谱细菌的杀伤力强、设备简单和不产生有害副产物等特点,具有取代传统加氯消毒法的吸引力。废水处理工艺中应用UV的国家,最先是美国,迄今已有20多年的商业运行历史。最近,美国又在实验论证亚利桑娜生物圈实验室和航天飞行废水回收工艺中,应用UV消毒法的可行性。英国伦敦的饮用水UV消毒预处理装置,处理能力约达66000 m3/d,是目前世界上最大的UV消毒装置。英格兰东部的福克斯顿和多弗供水公司经营的Drellingore泵站,率先安装由微机控制的井水UV消素系统,以24 000 m3/d的最大处理能力,为5万用户供水。苏格兰研制成获准应用的隐孢子卵囊UV杀灭器(CryptokillerWR5000型),用于饮用水或井水管网的在线消毒。
目前,美国和加拿大的城市废水UV消毒工艺处于世界前列,北美地区现有的废水UV清毒装置已达300多座。爱尔兰的Jersey废水UV消毒装置,处理Bellozarme全岛的污水,出水的粪便大肠杆菌数为44个/100 mL,现已成功运行4年多。英国南部水业公司(Souther Water)和安吉利娜水业公司(Anglina Water)于1992年安装了按浴池水质管理标准(EC BWQDS,1976)运行的废水UV消毒装置,后者的处理能力达10万人口当量。其他地区和国家,正在加快水处理工艺中应用UV消毒法的步伐。
1 UV消毒法在水处理工艺中方兴未艾的原因
1.1 UV灯技术的发展
老式的两种UV灯均有不足之处:低压型的效率虽高,而功率低(一般为6~40 W),仅适用于小流量水处理;中压型的功率较高,但效率低。
新研制的中压型UV灯,UV发射率高,UV波长范围较宽,既能引起氧化反应、又能破坏有机物。据测算,1根新式中压灯的杀菌效率与40多根老式低压灯的相当。美国新研制的中压型脉冲光放电管(Pulsed light discharge),除产生高强度的UV辐射外,还有可见光区的辐射。据称这种脉冲式辐射的杀菌效率较之稳定的纯UV辐射更高。但中压灯的技术复杂些,所构造的消毒装置,价格昂贵。
低压UV灯,产生的几乎是纯254 nm波长的短波UV辐射(常称之为UV-C),其杀菌力最强。最新研制的长寿命、超高强度的低压UV灯,被广泛用于紧凑的多灯UV消毒装置设计。
1.2 低压多灯UV消毒装置设计的优势
同中压UV消毒装置相比较,低压多灯UV消毒装置设计有诸多优点:
a•多灯设计的UV辐射强度分布比中央单灯的匀称。典型情况下,多灯装置消毒室中任何一点的最低UV辐射强度均在平均强度的60%以上。因此,室壁近处几乎不会出现消毒盲区,而且层流效应最小(而中压灯的短室没计,容易发生层流效应)。目前,投影面积(footprint)为1600 mm×550mm的低压多灯UV消毒装置的处理能力可达600m3/h。
b•多灯设计的消毒作用可靠性强,不需要昂贵的备用系统。低压多灯设计的消毒室,其中每盏灯的故障以及UV辐射的平均强度都能以相应的装置监视和监测,加上灯的寿命长(平均1万h),所以灯的故障率低。即使某盏灯出了故障,短波UV辐射的剂量降低较小(约10%),对杀菌率影响很小。
c•低压灯的总运行费用最小。在短波UV发射率相同的条件下,低压灯的能量效率约达40%(按电功率计),这比中压灯高得多。
d•低压灯是冷运行,灯套管表面没有高强度UV辐射的烘烤;而中压灯相反,使灯套管表面易结垢,需要长期、经常性的清垢维护操作。因此,消毒处理污秽水或污水,用低压灯比用中压灯有利。
e•低压灯的电源为市电,用起来像普通照明灯一样可靠、方便和经济。由于不需要中、高压电路和相应的元器件,就格外安全、保险。
最后一点,也是最突出的优点,通过对消毒室几何形状和灯数的计算机优化设计,能满足用户对多灯UV消毒装置的特定要求。
1.3 UV消毒装置产品的商业化
目前,设计制造UV灯元器件和装置的专业厂商很多仅英国就有多家。它们不仅能设计制造通用的标准产品,还可按用户的需求和水质管理标准,通过计算机的优化设计为用户定制不同规格型号的UV消毒装置及其辅助系统。英国有两家著名的公司:紫外装置公司(UV System Ltd)是有30多年历史、设计制造低压多灯UV消毒装置的骨干公司,其产品齐全,小型的用于家庭,大型的用于市政水处理工程;另一家创建于1989年的Triogen公司,瞄准水处理工业的广阔市场需要,设计制造各种规格型号的低压和中压UV消毒装置。
2 UV消毒法面临的问题
UV消毒法在水处理工业中的应用推广,除了要考虑工程经济学问题外,还有如下值得研究和探讨的问题。
2.1 短波UV辐射消毒功效的评价方法
UV辐射消毒功效的正确评价,是决定UV消毒法可否广泛应用推广的关键。美国推荐过几种评价方法,其中有NSF55法(全国科学基金会的方法)。欧洲国家则考虑用ONORM法(奥地利标准委员会的方法)。迄今还没有各国一致认可的评价方法。
2.2 短波UV辐射杀菌的致死剂量
目前,短波UV辐射致死剂量的许多数据均是由实验室菌株试验结果外推荐求出的,而野生菌株的生活环境和摄食相关性值得进一步探讨。事实上,自然状态下结块丛生或吸着于固体颗粒物表面的野生菌株,其致死剂量远高于实验室状态下菌株的致死剂量。化学药剂消毒过程证实,其致死剂量高出100倍。即使将致死剂量加大100倍,甚至也不能杀死全部的野生菌株。美国自1985年以来,一直在寻求解决这个问题的方法。爱尔兰的Russell采用超声波预处理的方法,据说能使结块丛生或形成生物膜的菌株的杀死效率增大3至16倍。
2.3 影响短波UV辐射消毒功效的因素
研究表明,低压灯的短波UV辐射消毒功效与灯的工作温度、水的透明度、UV光的行程和辐射时间,以及水中杂质种类、含量等因素有关。在控制的水流量和最佳工作温度(20~40℃)下,低压灯最适用于澄清水的消毒处理。因此,在水处理工艺中应用UV消毒法,应着重考虑原水的透光率和固体悬浮物的含量,必要时应采取有效的澄清或过滤处理措施。
2.4 饮用水UV消毒装置的小型化
UV消毒法的不足之处,是不像加氯法那样能提供剩余的消毒效力,以便防止供水管网内发生细菌再生或再污染的问题。倘若能提供价格低廉、性能可靠和易于安装维修的小型化UV消毒装置,就可在供水管网末端或用户家中,对饮用水进行再消毒处理。
综上所述,随着对UV消毒机理的深入揭示、UV发射技术的发展和UV消毒装置设计的臻善,在水处理工艺中,有望以UV消毒法代替传统的加氯消毒法。
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