淺論紫外線消毒技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用

作者：吳玲

一、概述

由于污水中含有大量病毒以及細(xì)菌，傳統(tǒng)工藝廣泛采用加氯消毒，顯著減少了以水做為載體的疾病的爆發(fā)，全面提高了人類的健康水平。但同時(shí)化學(xué)消毒也帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題例如：化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，消毒副產(chǎn)物帶給水體的毒性（如：余氯）、有機(jī)氯的潛在危險(xiǎn)（三氯甲烷和鹵乙酸等），而且長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致原生動(dòng)物以及很多病毒（如：隱孢子蟲(chóng)）對(duì)氯的抗藥性增加。為了保護(hù)好水環(huán)境，保證人類的生命健康，防止和避免引發(fā)公共衛(wèi)生安全事件，世界許多國(guó)家和地區(qū)都要求對(duì)城市污水在排放前進(jìn)行消毒處理，盡可能殺滅致病菌。由此可見(jiàn)，污水處理廠出水采用消毒工藝意義重大。

近年來(lái)某些國(guó)家及地區(qū)不斷爆發(fā)各種傳染性疫情，病毒的廣泛傳播和頑強(qiáng)存活的能力，使人們意識(shí)到消毒的重要性，尤其是污水處理廠的尾水消毒，成為防止疫情擴(kuò)散的重要防線。

2003年5月4日，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局要求城鎮(zhèn)污水處理廠出水應(yīng)結(jié)合實(shí)際采取臭氧、紫外線或加氯等消毒滅菌處理使出水水質(zhì)糞大腸菌群數(shù)小于10000個(gè)／L，由此可見(jiàn)污水處理廠尾水消毒的必要性和緊迫性。近年來(lái)，業(yè)界以糞大腸桿菌群數(shù)作為水的衛(wèi)生品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

二、紫外線消毒技術(shù)與傳統(tǒng)消毒技術(shù)的比較[1] [2]

目前對(duì)污水廠尾水消毒的控制措施可分為兩大類，即化學(xué)消毒方法如：臭氧消毒、加氯消毒和二氧化氯消毒以及物理消毒方法如：紫外線消毒。

各種化學(xué)消毒殺菌方法的效果和優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下表所示。

通過(guò)上表可以看出尋找化學(xué)消毒劑的替代品，減少二次污染，已成為目前污水消毒的必然趨勢(shì)。而紫外線消毒法系統(tǒng)以其廣譜高效的消毒能力和可靠的操作安全性，以及投資運(yùn)營(yíng)成本低廉、操作管理簡(jiǎn)便、不會(huì)對(duì)水體造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，逐漸為業(yè)界所接受。

2. 紫外線消毒法[1]

2.1 紫外線消毒原理

紫外線消毒是通過(guò)紫外線對(duì)水的照射進(jìn)行，是一個(gè)光化學(xué)過(guò)程,它是一種物理消毒方法。紫外線波長(zhǎng)中紫外C是殺菌效果最好波長(zhǎng)范圍，紫外C殺菌的效果取決于紫外線的劑量，紫外線劑量取決于紫外C強(qiáng)度和照射時(shí)間，即D=I×S，其中D為劑量，I為強(qiáng)度，S為照射時(shí)間。

其殺菌原理是利用紫外線光子的能量破壞水體中各種病毒、細(xì)菌以及其它致病體的DNA結(jié)構(gòu)，使各種病毒、細(xì)菌以及其它致病體喪失復(fù)制繁殖能力，達(dá)到滅菌的效果。

2.2 紫外線消毒技術(shù)與傳統(tǒng)消毒技術(shù)的比較

2.2.1 投資成本

氯消毒需要有較長(zhǎng)的接觸時(shí)間，面積的接觸池需要大量征地及土建，而紫外C消毒其土建投資低（其占地面積小、初投資?。虼瞬捎米贤饩€消毒的投資遠(yuǎn)比氯消毒低的多。

2.2.2 運(yùn)行、維護(hù)成本

紫外線消毒的運(yùn)行費(fèi)用主要為電費(fèi)，維修費(fèi)用包括更換燈管及配套費(fèi)用和清洗液費(fèi)用等。國(guó)際權(quán)威調(diào)查研究加氯消毒的成本為紫外線消毒成本的2~6倍，紫外線消毒成本以我廠為例約為0.0079元/噸

2.2.3 消毒效果比較

①.高效率殺菌: 具有較高的殺菌效率，紫外C對(duì)細(xì)菌、病毒的殺滅作用一般在1秒以內(nèi)，若要達(dá)到紫外C的殺菌效果的話傳使用氯氣以及臭氧方法，一般需要20分鐘至1小時(shí)

②.廣譜性: 紫外C技術(shù)在目前的消毒技術(shù)中，殺菌的廣譜性相當(dāng)高并且對(duì)一些氯氣和臭氧在水消毒可能的濃度內(nèi)很難有效殺滅的原生動(dòng)物都能有效殺滅。

③.無(wú)二次污染: 由于紫外C技術(shù)不添加任何化學(xué)藥劑，因此它不會(huì)對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生二次污染，不改變水中任何成分。

④.運(yùn)行安全可靠： 傳統(tǒng)的消毒技術(shù)如采用氯化合物或臭氧，其消毒劑屬于劇毒、易燃、易爆腐蝕性物質(zhì)而紫外C水消毒操作系統(tǒng)是一種相對(duì)安全可靠的技術(shù)。

三、紫外線消毒系統(tǒng)在祥坂廠的應(yīng)用

1.消毒系統(tǒng)概述

本廠采用A/O工藝二級(jí)生物處理，主要處理福州市城市生活污水，處理后的水排入閩江，廠內(nèi)污水處理工藝流程如圖1，圖一：

經(jīng)檢測(cè)進(jìn)水未消毒前出水的糞大腸菌群數(shù)約為105-106個(gè)/升，為使我廠的出水達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)水源地，保護(hù)人民身體健康，我廠安裝了先進(jìn)的NLQ—75K（240）型模塊化紫外線消毒系統(tǒng)（圖2），該系統(tǒng)安裝于一條紫外消毒明渠中。（內(nèi)徑尺寸：長(zhǎng)×寬×水深＝14.5m×2.6m×2.6m）系統(tǒng)由若干獨(dú)立的紫外燈模塊組成，此模塊組安裝了132支240w低壓高強(qiáng)貢燈，平均功耗33kw。所有燈管彼此互相平行且為均勻排列，紫外燈管與水流方向順流，保證在明渠中的紫外燈管模塊組中每一點(diǎn)有均勻的紫外光亮以保持穩(wěn)定的滅菌效果。水流靠重力流動(dòng)因此不需要泵、管道以及閥門。維護(hù)時(shí)系統(tǒng)無(wú)需停機(jī)，可繼續(xù)運(yùn)行消毒，維護(hù)可對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行且模塊可很容易地從明渠中直接取出進(jìn)行維護(hù)檢修，所以無(wú)需備用設(shè)備并且對(duì)明渠進(jìn)行清理也很方便。模塊化明渠式消毒裝置系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便大大降低了紫外線污水消毒的成本。只需適當(dāng)增加紫外燈模塊的數(shù)量，無(wú)需添購(gòu)整套系統(tǒng)，，即可滿足污水處理廠在擴(kuò)建或改造時(shí)的需求，因此可以節(jié)省設(shè)備投資，使用起來(lái)非常靈活。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行調(diào)試后，我廠的紫外線消毒系統(tǒng)效果完全能達(dá)到規(guī)定的要求。

2. 紫外線消毒效果的驗(yàn)證

紫外線消毒的效果以水中糞大腸菌群數(shù)來(lái)表示

2.1 采用的方法：多管發(fā)酵法。[3]

2.2 水樣的保存：

水樣采取后，迅速送回實(shí)驗(yàn)室立即檢驗(yàn)，若來(lái)不及檢驗(yàn)，應(yīng)放置于4度的冰箱內(nèi)保存，若缺乏低溫保存條件，應(yīng)注明水樣采集與檢驗(yàn)相隔的時(shí)間。污水要在6小時(shí)內(nèi)結(jié)束檢驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在本廠的無(wú)菌操作間進(jìn)行

2.3.1 紫外線的消毒效果與水流量的關(guān)系

2.3.2 紫外線的消毒效果與懸浮物SS的關(guān)系

2.3.3 消毒劑量與糞大腸菌群去除率的關(guān)系

2.3.4 光復(fù)活現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)

3.結(jié)果

3.1紫外線的消毒效果與水流量及SS關(guān)系如下表（一）所示：

3.1.1 在相同的參數(shù)下流量的增加或減少會(huì)影響紫外線消毒效果，流量的增加使糞大腸菌群數(shù)去除率下降，減少時(shí)去除率上升如（圖3）

3.1.2 出水懸浮物SS值會(huì)影響消毒效果。因懸浮物會(huì)吸收、阻擋紫外線并包裹細(xì)菌，SS值提高會(huì)導(dǎo)致消毒效果下降，達(dá)到一定極限即使增加消毒劑量也不會(huì)提高消毒效果，SS值小于30mg時(shí)消毒效果最好如（圖4）

3.2 紫外消毒劑量與糞大腸桿菌去除率的關(guān)系

3.2.1 糞大腸桿菌的培養(yǎng)制備

取消毒池進(jìn)水口水樣培養(yǎng)得到足夠量的糞大腸桿菌培養(yǎng)物，濃度為1.8×106個(gè)/L，SS值為18mg/L。

3.2.2 將培養(yǎng)物倒入無(wú)菌培養(yǎng)皿內(nèi)，深度1cm。滅菌參數(shù)：30W紫外燈，照射距離30cm，時(shí)間為5s、10s、15s、20s、30s、40s、50s、60s不等。滅菌后的樣品再做進(jìn)一步的菌群培養(yǎng)。

3.2.3 紫外C殺菌的效果，結(jié)果如下：

4. 出水經(jīng)紫外線消毒后還要流經(jīng)一段水渠而后排放入閩江，取經(jīng)紫外線消毒后的水渠中前端和后端水樣做水中糞大腸桿菌群數(shù)，共進(jìn)行了五組實(shí)驗(yàn)（分別以樣1、樣2……表示）得出以下結(jié)果，如下表三所示：

可見(jiàn)水離開(kāi)紫外線消毒系統(tǒng)后水中糞大腸桿菌群數(shù)呈輕微增加的趨勢(shì)。這是受到紫外消毒劑量以及微生物的光（暗）復(fù)活現(xiàn)象的影響。

四.結(jié)果分析評(píng)價(jià)

1.實(shí)驗(yàn)通過(guò)多管法檢測(cè)了本廠紫外線消毒池進(jìn)水和出水的糞大腸桿菌群數(shù)，同時(shí)還對(duì)水質(zhì)指標(biāo)SS進(jìn)行了檢測(cè)。由于污水處理廠出水的基本控制項(xiàng)目允許排放濃度應(yīng)遵循《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定糞大腸桿菌群數(shù)的最大級(jí)數(shù)不得超過(guò)104個(gè)/L。見(jiàn)下表：基本控制項(xiàng)目最高允許排放濃度（GB18918-2002）單位mg/L

由實(shí)驗(yàn)一結(jié)果可以看出，污水處理廠未經(jīng)紫C消毒前的糞大腸桿菌群數(shù)為≥2.4×104個(gè)/L超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，而經(jīng)過(guò)紫C消毒后糞大腸桿菌群數(shù)＜10000個(gè)/L，平均去除率為99.53%，說(shuō)明我廠的紫外消毒系統(tǒng)的滅菌效果是十分顯著的，出水指標(biāo)完全符合國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.紫外C殺菌受水流量以及進(jìn)水口SS值影響較大

流量變化導(dǎo)致水負(fù)荷變化致使處理的污水中的懸浮物、溶解性有機(jī)物和無(wú)機(jī)物相應(yīng)的增加或減少。流量過(guò)多容易造成燈管結(jié)垢，會(huì)抑制紫外線的透射，影響消毒效果，流量過(guò)少會(huì)使石英燈管暴露在空氣中。因此石英套管外壁的清洗工作是運(yùn)行和維修的關(guān)鍵，必須確保出水懸浮物控制在20mg／L以下，且得對(duì)石英玻璃套管、燈管、消毒器定時(shí)清洗以除去燈管上的結(jié)垢，保證燈管的透光率，達(dá)到最佳的殺菌消毒效果

3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以知道紫外C殺菌的效果取決于紫外線的劑量，隨著消毒劑量的增加，糞大腸桿菌的去除率越高，效果越好。紫外線劑量足夠情況下在15S內(nèi)去除率可達(dá)到90%以上，20S內(nèi)去除率可達(dá)到99%以上，其具有高效性滅菌的特點(diǎn)。因此在紫外運(yùn)行過(guò)程中，平時(shí)應(yīng)注意燈管是否全部點(diǎn)燃，電源電壓是否正常，進(jìn)出水是否通暢并定期進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在燈管臨近有效期終點(diǎn)時(shí)應(yīng)增加頻度延長(zhǎng)照射的時(shí)間增加強(qiáng)度，及時(shí)更換燈管,保證有足夠的消毒劑量，以達(dá)到最佳的效果。

4. 在實(shí)驗(yàn)中我們做了紫外線消毒后水渠中前端和后端水樣的水中糞大腸桿菌群數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，后端值會(huì)比前端值呈輕微增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)樽贤庀痉▽傥锢硐痉?，沒(méi)有向水中添加任何化學(xué)藥劑，不能提供剩余的消毒能力，當(dāng)處理水離開(kāi)消毒池之后，一些被紫外線殺傷的微生物在光復(fù)活和暗復(fù)活機(jī)制下會(huì)修復(fù)損傷的DNA，使細(xì)菌再生水體再次受到污染。實(shí)際上由于污水的水質(zhì)特性，這種影響其實(shí)是非常小的，污水處理過(guò)程中幾乎可以不做考慮。

五.經(jīng)濟(jì)效益分析

以我廠采用的此套NLQ—75K（240）紫外消毒系統(tǒng)為例，該設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本如下：

紫外系統(tǒng)功率=33kw

燈管老化系數(shù)=0.8

電價(jià)=0.64元/度

每小時(shí)流量=99000噸/天÷24小時(shí)

燈管總數(shù)=132支

燈管單價(jià)=1500元/支

燈管壽命=13000小時(shí)

1.紫外系統(tǒng)運(yùn)行成本計(jì)算：設(shè)備電耗一項(xiàng)：

電耗成本/噸=紫外系統(tǒng)功率×（1+燈管老化系數(shù)）÷2×電價(jià)÷每小時(shí)流量=33（KW）×（1+0.8）÷2×0.64(元/度)÷[99000噸/天÷24小時(shí)]=0.0046元/噸

2.紫外系統(tǒng)維護(hù)成本是更換燈管的費(fèi)用：

更換燈管的費(fèi)用/噸 =燈管數(shù)×單價(jià)×（1+ 燈管老化系數(shù)）÷2÷燈管壽命÷每小時(shí)流量=132（支）×1500（元/支）×（1+0.8）÷2÷13000小時(shí)÷[99000噸/天÷24小時(shí)]=0.0033元/噸

3.運(yùn)行維護(hù)成本/噸

運(yùn)行維護(hù)成本/噸 =電耗成本/噸＋更換燈管費(fèi)用/噸=0.0046元/噸＋0.0033元/噸=0.0079元/噸

六、結(jié)論

紫外線消毒技術(shù)作為物理消毒方式的一種，具有廣譜高效的消毒能力和可靠的操作安全性，以及投資運(yùn)營(yíng)成本低廉、操作管理簡(jiǎn)便、不會(huì)對(duì)水體造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，其在水處理方面得到了廣泛的運(yùn)用。隨著對(duì)污水尾水消毒的日益重視和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，紫外線消毒技術(shù)將得到推廣，將會(huì)成為替代目前的氯化消毒技術(shù)的主流技術(shù)，其有著顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，是適合污水處理廠家以及其他處理水不允許含氯離子時(shí)的其他廠家考慮使用的消毒系統(tǒng)。

[1] 胡家駿，周群英。環(huán)境工程微生物學(xué)，高等教育出版社，1994。

[2] 李金成，夏文香，王永儀。二氧化氯應(yīng)用于水廠消毒的探討，中國(guó)給水排水，2001

[3] 國(guó)家環(huán)保局，《水和廢水檢測(cè)分析方法》委員會(huì)編。水和廢水檢測(cè)分析方法，中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1997。

[4] 高廷耀 顧國(guó)維.《水污染控制工程》.北京：高等教育出版社，2000

[5] 周葆珍.飲用水氯化消毒致癌問(wèn)題..給水排水,1983