城市污水處理中紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用

鄭 鷹，康文剛

（新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

1 紫外線消毒原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)言之，紫外線消毒就是利用紫外線的生物滅活機(jī)理來(lái)達(dá)到消滅微生物、凈化水質(zhì)的目的。紫外線是一種不可見(jiàn)光，是一種波長(zhǎng)在100～400 nm之間的電磁波。根據(jù)不同的紫外光波長(zhǎng)，可以將紫外線分為不同的類型，其中波長(zhǎng)在315～400 nm的為紫外A，波長(zhǎng)在280～315 nm的為紫外B，波長(zhǎng)在200～280 nm的為紫外C，波長(zhǎng)在100～200 nm的為紫外D[1]。其中紫外C能夠被微生物遺傳物質(zhì)DNA、RAN吸收，破壞生物體的DNA結(jié)構(gòu)。微生物內(nèi)的DNA、RNA在吸收了紫外能量后，內(nèi)部的核酸鏈會(huì)被打斷重新排列，可以阻斷DNA、RNA的復(fù)制，微生物就會(huì)失去活性而不再?gòu)?fù)制、再生，最終達(dá)到殺菌消毒的作用。在整個(gè)過(guò)程中，不需要使用任何化學(xué)藥劑，也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，這是一種高效、環(huán)境友好型的消毒方法。隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到大規(guī)模氯消毒的危害性，因此對(duì)于紫外線消毒技術(shù)的認(rèn)可也越來(lái)越廣泛。

相比其他消毒方法，紫外線消毒的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，物理消毒不會(huì)產(chǎn)生其他有毒有害化學(xué)物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境、人類、生態(tài)等造成二次污染，而有些化學(xué)消毒方法會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷、高分子誘變劑、其他致癌物質(zhì)等，在某些國(guó)家的污水排放、飲用水標(biāo)準(zhǔn)中存在這些物質(zhì)都會(huì)被明確判定為不合格。其次，紫外線消毒操作安全、維護(hù)管理簡(jiǎn)單方便，紫外線消毒技術(shù)在整個(gè)過(guò)程中都不會(huì)用到危險(xiǎn)化學(xué)消毒劑，十分安全可靠，并且在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需復(fù)雜的操作、維護(hù)，只需每年清洗或更換一次燈管即可，還有一些紫外線消毒系統(tǒng)為自帶燈管的自動(dòng)清洗設(shè)備，能讓系統(tǒng)的管理與維護(hù)更簡(jiǎn)便化[2]。再次，紫外線消毒技術(shù)對(duì)微生物作用最具廣譜性，能夠有效地控制大腸桿菌、賈地蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)等，且紫外線消毒性能穩(wěn)定，水體溫度、酸堿度的變化不會(huì)對(duì)消毒效果產(chǎn)生影響。最后，紫外線消毒技術(shù)無(wú)須構(gòu)筑物，占地面積小，消毒時(shí)間只需要2～5秒，而加氯消毒需要半個(gè)小時(shí)，因此紫外線消毒可以在不接觸水池的情況下實(shí)現(xiàn)消毒操作，且紫外線消毒技術(shù)對(duì)房屋建筑沒(méi)有額外要求，大大節(jié)省了征地、土建等設(shè)備安裝成本，在人口密集的城市應(yīng)用非常方便。因此綜合考慮環(huán)保因素、生態(tài)因素、經(jīng)濟(jì)因素、人類健康等各方面的要求，紫外線消毒是一種投資效益高、消毒效果好、適用性強(qiáng)的消毒技術(shù)。

2 影響紫外線消毒效果的主要因素

雖然紫外線消毒是一種經(jīng)濟(jì)效益高、消毒效果好的技術(shù)，但是在使用過(guò)程中多種因素均會(huì)對(duì)其使用效果產(chǎn)生較大影響，主要包括以下幾個(gè)方面：

首先，紫外劑量。紫外劑量是指單位面積上接收到的紫外線能量的多少，計(jì)算方法是紫外光強(qiáng)度乘以接觸時(shí)間。當(dāng)紫外光強(qiáng)度條件一致，接觸時(shí)間越長(zhǎng)、紫外劑量越大、理論上紫外劑量越大消毒效果就越好，不過(guò)紫外劑量也是有極限的，超過(guò)極限值不僅達(dá)不到相應(yīng)的滅殺效果，反而會(huì)增加消毒成本。其次，污水水質(zhì)。污水的懸浮物、顆粒也會(huì)對(duì)紫外線消毒效果產(chǎn)生直接影響。污水中的懸浮物會(huì)影響紫外線消毒效果，這主要是因?yàn)閼腋☆w粒會(huì)吸收、分散紫外線能量，且微生物有可能隱藏于懸浮顆粒中，紫外線的滅活效果就會(huì)大打折扣，所以紫外線消毒系統(tǒng)要嚴(yán)格控制污水懸浮物，系統(tǒng)前端會(huì)設(shè)置懸浮物沉淀或過(guò)濾裝置，懸浮物濃度越低，消毒效果就越好。因此紫外線消毒技術(shù)在使用過(guò)程中通常先用膜法過(guò)濾，再用紫外線消毒，以減少紫外劑量，改善消毒效果。除了懸浮物，污水中可能還含有不同粒徑的顆粒物，如果顆粒物粒徑達(dá)到某個(gè)臨界值，粒徑越大，紫外劑量的應(yīng)用就會(huì)越高，特別是一些易結(jié)成大顆粒團(tuán)狀物的致病微生物，紫外線消毒的應(yīng)用效果就會(huì)受到一定限制，且效率不高。針對(duì)這種情況，需要對(duì)二級(jí)處理出水進(jìn)行過(guò)濾，將較大顆粒去除后再利用紫外線進(jìn)行消毒，以提高紫外線利用率。再次，紫外燈套管清潔情況及水力負(fù)荷。污水流過(guò)紫外線消毒器時(shí)，其中的無(wú)機(jī)物雜質(zhì)會(huì)粘附在套管外壁，特別是污水有機(jī)物含量越高，就越容易形成污垢膜，微生物容易生長(zhǎng)成生物膜，直接影響到紫外線的透射，降低消毒效果[3]。污水處理流量也會(huì)影響到紫外線消毒效果，因?yàn)樽贤饩€接觸水流時(shí)間短，如果水量突然增加而紫外光劑量沒(méi)有變化，就會(huì)影響到紫外線消毒效果，因此要根據(jù)水流最大峰值設(shè)計(jì)紫外線劑量。最后，光復(fù)活作用。當(dāng)污水流經(jīng)紫外線消毒渠后，在紫外線的照射下，水中的微生物會(huì)被滅殺，但是有些微生物可能會(huì)在受到可見(jiàn)光照射后激發(fā)體內(nèi)光復(fù)活酶作用，原本連接在一起的二聚體解聚并形成單體，微生物的復(fù)制能力也被恢復(fù)。光復(fù)活是紫外線消毒水處理領(lǐng)域的常見(jiàn)現(xiàn)象，諸如大腸桿菌等指示性微生物都具有光復(fù)活能力，因此紫外線消毒技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中要通過(guò)增加消毒劑量、在避光條件下排濕出水等方式減少光復(fù)活問(wèn)題，以改善消毒效果。

3 城市污水處理中紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用

3.1 紫外線消毒系統(tǒng)的組成

按照結(jié)構(gòu)不同，紫外線消毒系統(tǒng)可以分為明渠式與封閉管道式兩種，其中在污水處理廠應(yīng)用最為廣泛的就是明渠式紫外線消毒系統(tǒng)，其主要組成部分包括紫外線消毒模塊組、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、紫外光強(qiáng)探頭、低水位探頭、水位控制裝置、清洗裝置及混凝土渠道等[4]。其中紫外線消毒模塊組是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括紫外燈、燈管套管、遮光板、鎮(zhèn)流器以及一臺(tái)用于安裝及維護(hù)紫外線模塊的微型起吊設(shè)備；配電系統(tǒng)的主要作用是向紫外線消毒系統(tǒng)提供電源支持；控制系統(tǒng)則對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整；紫外光強(qiáng)探頭的主要作用是對(duì)消毒模塊的紫外光劑量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而監(jiān)測(cè)消毒效果是否滿足要求；低水位探頭及水位控制裝置的主要作用是保證水位處于一個(gè)合理的狀態(tài)，避免水位過(guò)低導(dǎo)致紫外燈管暴露在空氣中干燒而損壞，保證系統(tǒng)水位的穩(wěn)定性，從而更好地保證消毒效果；清洗裝置的主要作用就是擦洗燈管表面的附著物。

3.2 紫外燈管類型的選擇

污水處理紫外線消毒系統(tǒng)中消毒燈主要采用汞蒸汽燈，汞蒸汽與電子元件碰撞激發(fā)汞，汞原子返回基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)射紫外光，少量汞被加入含氫氣載氣的燈中，燈中電極產(chǎn)生等離子體向汞蒸汽燈提供電子，由于紫外線無(wú)法穿透普通玻璃，因此紫外燈多采用石英套管。目前應(yīng)用于紫外線消毒系統(tǒng)中的紫外燈管包括低壓燈、低壓高強(qiáng)燈、中壓燈等，不同類型的燈管有著不同的特性：中壓燈可獲得更高的單根輸出功率，紫外光分散度大，光譜范圍更高，可達(dá)到230～300 nm的波長(zhǎng)，不過(guò)光電轉(zhuǎn)換率較低，僅在15%左右，耗電高。燈管使用壽命相對(duì)較短，在5 000 h左右，更換周期短。低壓型系統(tǒng)可獲得更高的光電轉(zhuǎn)化率，且燈管使用壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中壓燈，在8 000～12 000 h左右，燈管利用率更具優(yōu)勢(shì)，不過(guò)單根燈管輸出功率低，所需燈管數(shù)量多，因此增加了更換燈管的成本。三種燈管只要有效劑量相同，就可以獲得相同的消毒效果，不過(guò)低壓燈光強(qiáng)較弱，穿透力不高，所以多應(yīng)用于低濁度污水；而中壓紫外燈光強(qiáng)更強(qiáng)，具有更高的穿透力，因此高濁度污水的處理可以選擇中壓紫外燈[5]。

3.3 紫外線劑量計(jì)算

紫外線劑量的計(jì)算是整個(gè)紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，因此要準(zhǔn)確、合理計(jì)算紫外線劑量，既能夠保證消毒效果，又可以降低運(yùn)行成本。在計(jì)算紫外線劑量時(shí)，要先取得消毒對(duì)象的水質(zhì)樣品，測(cè)量其細(xì)菌數(shù)、種類、水樣透射率等相關(guān)水質(zhì)參數(shù)，再通過(guò)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)試驗(yàn)得到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的紫外線劑量，具體可用下式計(jì)算：D=IT，式中，D即為紫外線劑量，單位：J/m2，I表示紫外線密度，單位：W/m2，T表示紫外線照射時(shí)間，單位：s[6]。應(yīng)用理論紫外線劑量進(jìn)行測(cè)算是假定一個(gè)理想狀態(tài)下，所有微生物都能夠接受到同樣劑量紫外線的輻射，然而上文中提到，諸多因素均會(huì)對(duì)紫外線消毒效果產(chǎn)生影響，消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也無(wú)法真正處于一個(gè)完美的理想條件，因此測(cè)算理論紫外線劑量只具有參考價(jià)值，無(wú)法保證達(dá)到設(shè)計(jì)的滅殺率，因此要采用生物驗(yàn)定劑量為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，即紫外線消毒器實(shí)際能夠達(dá)到的設(shè)計(jì)滅殺率所需要的紫外線劑量。在計(jì)算紫外線劑量時(shí)，要將燈管的老化系數(shù)計(jì)算進(jìn)去，通?？梢匀?.5～0.8，視不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品而定。此外還要考慮燈管表面結(jié)垢的影響，因此在計(jì)算紫外線劑量時(shí)要考慮燈管的結(jié)垢系數(shù)，結(jié)垢系數(shù)一般為0.8，但是燈管的清洗方式不同，結(jié)垢系數(shù)的確定也稍有差異，比如人工清洗燈管時(shí)結(jié)垢系數(shù)就選擇0.7，純機(jī)械清洗燈管時(shí)，結(jié)垢系數(shù)選擇0.8，機(jī)械加化學(xué)清洗時(shí)，結(jié)垢系數(shù)可選擇1.0。