紫外线消毒技术在污水处理中的应用

引言
　　
        随着国民经济的迅猛发展和人口的不断增加,水源污染和水资源枯竭的问题日益严重,而人们对高质量的生活用水和饮用水的需求却与日俱增。为了确保这些用水的质量和数量,需要开发新的水源和采用先进的水净化工艺和技术。

        城市污水经过处理后回用,成功地解决了给水排水工程中的水源开发和再利用问题。由于污水就近可得,水质、水量相对稳定,而且污水回用后还可以减少水污染。因此,水质净化工作具有深远的环境效益、社会效益和经济效益。消毒是污水处理厂处理工艺的最后一个环节。国内外普遍采用的出水消毒技术有氯消毒(如次氯酸盐、氯气等),二氧化氯消毒等化学消毒方法。从工艺的经济性、运行管理的难易、消毒可靠性等方面考虑,许多工艺都有缺陷。当代科学技术证明,虽然氯气和次氯酸盐等消毒技术的成本都很低,但这些处理工艺对人体健康和环境产生了危害。在水处理中使用这些化学消毒剂会在一定程度上形成有害的消毒副产物,特别是水中的余氯会严重影响水生生物的生长繁殖。因此,人们在努力寻找能有效灭活水中有害微生物的物理消毒方法。随着研究的不断深入,紫外线消毒对水中细菌和病毒去除效果逐渐得到水处理界和广大用户的公认。

1　紫外线消毒原理及其特点

1.1　紫外线消毒原理
　　
        辐射光分为三个区域波长在380~780nm之间是可见区;小于380nm的是紫外区;大于780nm的是红外区。紫外线是一种肉眼不可见的光线,通常将波长在200nm以上的光都称为紫外线,紫外辐射对生物、微生物具有特殊的作用。紫外线依生物效应的不同可分为三类,即弱效应波长(UV-A,320~400nm,对生物影响不大),强效应波长(UV-B,280~320nm,对生物有杀伤作用)和超强效应波长(UV-C,200~280nm,属灭生性辐射)。
　　
        紫外线辐射使生物失去活性,是由于吸收了光而发生了光化反应,这些反应改变了细胞机能的基本组成成分。紫外线之所以能杀菌,是因为紫外线能破坏微生物细胞中的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),DNA和RNA对紫外线中波长为255~260nm光波最灵敏,且具有最大的吸收作用。紫外线穿透微生物的细胞壁,能量与核酸及其它重要的细胞成分反应,细胞在DNA链上的相邻的胸腺嘧啶将相互纠缠,新的二聚物会阻碍RNA(核糖核酸)链上正确的DNA遗传代码复制,RNA是信息的传递者,其功能是传递DNA码至细胞的不同部分。由于RNA传递功能丧失,最终导致细胞功能衰退而死亡,从而达到消毒杀菌的目的。由于紫外线对DNA的破坏力强,所以对任何微生物(细菌、真菌、病毒等)都具有明显的杀伤效果。有充分证据证明,只要提供足够剂量的紫外线能量,对于水中灭菌来说,无论什么程度的灭菌要求,紫外线都是可以达到的。

1.2　紫外线消毒的特点
　　
        (1)紫外线杀菌消毒可靠,杀菌范围宽,对任何微生物细菌都有杀灭效果,特别是对病毒的灭活效果比药物杀菌效率更强。处理时间短,仅需数秒就能杀灭细菌和病毒,防止病菌,病毒和病原体的大量繁殖。
　　
        (2)不向水中投加任何化学药剂,无化学污染风险,从而也减少了操作者处理有害化学品的危险;不改变水的成分和结构,不会导致腐蚀性物质的产生,不产生任何有毒有害副产物和残留物。随着人口的增长,污水回用于灌溉及其它用途的需求越来越大,特别是在水资源本来并不丰富的地区。如果有一种杀菌系统可以对水质进行保护,那么水的回用就会成为一种积极安全的水源保护方法,不含化学剂的物理消毒———紫外光技术,是已被广泛认可和接受的环保型污水处理技术。紫外线消毒的这一特点将会是在未来得到广泛的应用。
　　
        (3)反应时间短,使占用空间更小;装置简单、经济,运行管理简便,综合费用低。

2　与液氯、二氧化氯消毒的经济技术比较

2.1　与液氯消毒的技术经济比较
　　
        氯与水反应时生成次氯酸(HOCl)和盐酸(HCl)。次氯酸是体积很小的中性分子,具有较强的渗透力,可以扩散到带有负电荷的细菌表面,穿透细胞壁进入细菌内部,破坏其酶系统,致细菌死亡。对病毒而言,氯主要是对核酸破坏的致死性作用。氯化法消毒应用最广,这是因为用氯消毒历史较长,经验较多;处理水量较大时,单位水体的处理费用较低。但城市生活污水中含有大量的有机物,经氯消毒后,会生成卤化有机物等消毒副产物,随污水进入地面水体,污染水源,并对鱼类等水生生物产生毒害作用。
　　
        以3×104m3/d城市污水处理厂为例,液氯与紫外线消毒经济指标如表1。电价按0.49元/kW•h ,灯管使用寿命为12 000h/支。从表1可以看出,紫外线消毒的一次性投资要高出液氯消毒约150万元人民币,但液氯的年运行费用要高出紫外线消毒约77万元。
 

　　
        经过2 a年运行之后,紫外线消毒与液氯消毒的一次投资与运行费用之和基本持平,之后每年紫外线消毒要比液氯消毒节约77万元;
　　
        环境与社会效益上,液氯消毒产生的有害物质将对水环境和人体健康产生不良影响。

2.2　与二氧化氯消毒的技术经济比较
　　
        二氧化氯是广谱型消毒剂,其氧化能力是氯的25倍。对水中的病原微生物包括病毒、芽孢、真菌、致病菌及肉毒杆菌均有很高的灭活效果,有剩余消毒能力。二氧化氯在控制THMs的形成和减少总有机卤方面,与氯相比具有优越性二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也较强。
　　
        制备二氧化氯的起始原料有氯酸钠或亚氯酸钠,一般都由亚氯酸钠与氯反应制备。因亚氯酸钠不能贮存,必须现场制取及时使用,且亚氯酸钠价格昂贵,成本较高,且仅有20%二氧化氯在消毒过程中有效。当反应不完全时,自由性氯同样会与有机物反应,可能生成THMs。二氧化氯发生器规模较小,如何运用于加氯量较大的污水处理厂成为一个问题。
　　

        以3×104m3/d污水处理厂为例,二氧化氯与紫外线消毒经济指标如表2。电价按0.49元/kW•h ,灯管使用寿命为12 000h/支。从表2可以看出,紫外线消毒的一次性投资要高出二氧化氯消毒约40.5万元人民币,但二氧化氯(复合)的年运行费用要高出紫外线消毒法49.2万元,二氧化氯(纯)要高出紫外线消毒法93.1万元;
　　
        经过不到1a运行之后,紫外线消毒与二氧化氯消毒的一次性投资与运行费用之和基本持平,之后每年紫外线消毒要比二氧化氯消毒节约49.2(或93.1)万元。

3　紫外线消毒技术在国内外污水处理中的应用
　　
        UV消毒法最早应用于美国(1970年美国环保局完成第一个污水紫外线消毒的示范工程),现已在美国、加拿大普遍应用。据报道,1985年美国的污水厂中仅有50座采用了UV消毒,并且其中大部分处理水量相当低(≤3.785×104m3/d);到1990年已经超过500座,而且处理能力有相当大的提高(>3.785×104m3/d);1995年已经有1 500座污水处理厂采用了UV消毒。目前加拿大的魁北克省拥有最大的污水UV消毒设施,处理能力达到7.42×105m3/d。
　　
        近年来一些污水处理厂将原有的氯消毒系统改造成为紫外线消毒系统,譬如美国新罕布什尔州、得克萨斯州、俄亥俄州等地的污水处理厂。因为UV消毒接触时间短,占用的空间小,故完全可以利用已有的氯接触池改造成紫外线消毒系统。
　　
        大多数紫外线装置利用传统的低压紫外灯技术,但是国产紫外线灯辐射强度小、寿命短。紫外线光源的选择是决定UV消毒器处理效果的关键问题之一。目前国产的紫外线低压汞灯执行直管型石英紫外线低压汞消毒灯的国家行业标准(YY/T0160-94),功率一般为30~40W,强度为0.9~1.0 W/m2,有效寿命一般为1 000~3 000h,而进口低压灯管的有效运行时间可达8 000~12 000h,中压灯管的有效运行时间可达5 000~6 000 h。与国外相比,使用国产的低压汞灯的消毒器会增加运行成本及维修费用。同时这也制约了我国紫外线消毒技术的应用。因此亟需研究制造高强度、长寿命的紫外线灯。
　　
        国内研究、生产和应用污水UV消毒器者为数尚少。天津大学的顾平等人以天津纪庄子污水处理厂的深度处理出水为研究对象,进行了静态和动态试验,确定了紫外线剂量与细菌灭活率之间的关系,并设计出能产生紊流的UV消毒器。但此紫外线消毒器缺乏自动清洗功能。当污水流经UV消毒器时,有许多无机物杂质会沉淀、粘附在套管外壁上,尤其是当污水中有机物含量较高时更容易形成污垢膜,而且微生物易生长形成生物膜,这些都会抑制紫外线的透射,影响消毒效果。为了避免影响紫外线透过率,需要定期清洗石英套管上粘附的杂质,石英套管外壁的清洗工作是运行和维修的关键。
　　
        国外的UV消毒器中有的内置文丘里气动冲洗装置,可以自动清洗套管及筒体内部,操作简单。国产UV消毒器缺乏这一功能,相比之下增加了管理费用。因此,需要进一步研究不同水质下的清洗周期,开发具有自动清洗功能的紫外线消毒器。

4　结束语
　　
        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。譬如将其用于灌溉农田、林地和草坪等,可避免化学消毒剂对植物的影响;用地下水回灌,可以防止微生物对化学消毒剂产生适应性而再度繁殖造成的地层堵塞。随着对UV消毒机理的深入研究、紫外线消毒技术的不断发展以及消毒装置在设计上的日臻完善,UV消毒法有望成为代替传统氯化消毒的主要方法之一。