污水處理廠紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用
摘要
紫外線污水消毒技術(shù)在國外特別是歐洲和北美地區(qū)經(jīng)過近30多年的發(fā)展已經(jīng)成為成熟、可靠、投資效益高的綠色環(huán)保技術(shù)，在世界各地各類城市污水的消毒處理中得到日益廣泛的應(yīng)用，成為污水處理領(lǐng)域中取代傳統(tǒng)加氯消毒的主流技術(shù)和工藝。在國內(nèi)污水處理廠尾水消毒中也得到了廣泛的應(yīng)用，為了進(jìn)一步的引導(dǎo)引導(dǎo)紫外線消毒技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)在2005年專門頒布了《城市給排水紫外線消毒設(shè)備》（gb/t19837-2005）國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了紫外線消毒技術(shù)的運(yùn)用，本文結(jié)合筆者的一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和研究，對(duì)紫外線消毒技術(shù)在污水處理廠中尾水消毒工藝中的應(yīng)用做闡述說明。
關(guān)鍵詞紫外線消毒標(biāo)準(zhǔn)
1、城市污水消毒的必要性
為了保護(hù)人類的健康、生命以及水環(huán)境和水資源，世界許多國家和地區(qū)（北美、歐盟、日本、韓國、中國臺(tái)灣等）都要求對(duì)城市污水在排放前進(jìn)行消毒處理。污水消毒也是保護(hù)飲用水源的*道防線。2002年11月，我國和許多國家及地區(qū)爆發(fā)了非典型性肺炎，這一疫情的元兇冠狀病毒廣泛的傳播和性頑強(qiáng)存活能力使人們意識(shí)到消毒的重要性，尤其是對(duì)接納病人排泄物的污水處理廠的尾水消毒成為防止疫情擴(kuò)散的重要防線。我國國家環(huán)境保護(hù)總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2002年12月24日頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》gb18918-2002中將微生物指標(biāo)列為基本控制指標(biāo)，要求城市污水必須進(jìn)行消毒處理，從而使污水處理的病理指標(biāo)與接軌。
許多國家和地區(qū)在對(duì)城市污水要求消毒的同時(shí),也制定了相應(yīng)的消毒指標(biāo)，相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)（部分國家和地區(qū)尾水消毒指標(biāo)見表1），我國的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（gb18918-2002）將糞大腸菌列為基本污染物控制指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)b類標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠排放要求是糞大腸菌群不超過10000個(gè)/l，執(zhí)行一級(jí)a類標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠排放要求為不超過1000個(gè)/l。
表1部分國家和地區(qū)尾水消毒指標(biāo)
國家或地區(qū)
糞大腸菌群數(shù)
標(biāo)準(zhǔn)
美國國家環(huán)保局（epa）
200個(gè)/100ml
二級(jí)生化處理后的出水
美國加州
加利福尼亞第22號(hào)條例
總大腸菌群數(shù)2.2個(gè)/100ml
非限制性使用的回用水
歐盟
2000個(gè)/100ml
浴場水指導(dǎo)準(zhǔn)則（bathingwaterdirectives）
日本指針
大腸桿菌數(shù)3000個(gè)/ml
中國
gb18918-2002
10000個(gè)/l
二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
1000個(gè)/l
一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)a類
10000個(gè)/l
一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)b類
中國
gb8978-1996
5000個(gè)/l
醫(yī)院、獸醫(yī)院及含病原體污水
三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
1000個(gè)/l
醫(yī)院、獸醫(yī)院及含病原體污水
二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
500個(gè)/l
醫(yī)院、獸醫(yī)院及含病原體污水
一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
1000個(gè)/l
傳染病、結(jié)合病醫(yī)院
三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
500個(gè)/l
傳染病、結(jié)合病醫(yī)院
二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
100個(gè)/l
傳染病、結(jié)合病醫(yī)院
一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
上海市地方標(biāo)準(zhǔn)db31/199-1997
3000個(gè)/l
黃浦江上游水源保護(hù)區(qū)
10000個(gè)/l
黃浦江上游準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)
中國再生水用作冷卻水的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)
2000個(gè)/l
gb50335-2002
中國城鎮(zhèn)雜用水
水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)
總大腸菌群數(shù)3個(gè)
gb50335-2002
中國景觀環(huán)境用水的
再生水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)
gb50335-2002
10000個(gè)/l
觀賞性景觀環(huán)境用水
河道、湖泊類
2000個(gè)/l
觀賞性景觀環(huán)境用水
水景類
500個(gè)/l
娛樂性景觀環(huán)境用水
河道、湖泊類
不得檢出
娛樂性景觀環(huán)境用水
水景類
2、城市污水處理廠尾水不同消毒方法的比較
給排水消毒方法可分為兩大類，即化學(xué)消毒方法，如：加氯消毒和臭氧消毒；和物理消毒方法，如：紫外線消毒。目前，國內(nèi)污水處理廠尾水消毒主要有四種消毒方法，分別是氯氣、二氧化氯、臭氧、紫外線，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，各自有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域。整理見表2
表2不同消毒工藝的比較
方法
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
應(yīng)用領(lǐng)域
氯氣
（cl2）
傳統(tǒng)技術(shù)，比較成熟
純?cè)O(shè)備投資成本相對(duì)低
具有余氯持續(xù)消毒作用
對(duì)賈第蟲、隱孢子蟲無效
會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物（thms）
具致癌，致畸毒害作用
氯氣危險(xiǎn)，不宜儲(chǔ)運(yùn)
自來水和污水中傳統(tǒng)的消毒方式
二氧化氯
（cl02）
投放簡單、方便
副產(chǎn)物較少，不受ph影響
運(yùn)行成本高不適合大水廠應(yīng)用
現(xiàn)場制備，存在安全隱患
對(duì)小規(guī)模項(xiàng)目具有一定的針對(duì)性，如醫(yī)院污水處理
臭氧
（o3）
有強(qiáng)氧化能力
除臭、脫色、除鐵、錳等
消毒投資較大，運(yùn)行成本高，產(chǎn)生臭化副產(chǎn)物
一些自來水廠深度處理和一些工業(yè)用水
紫外線
（uv）
不產(chǎn)生任何消毒副產(chǎn)物，對(duì)賈第蟲、隱孢子蟲效果好，具廣譜性殺菌能力;操作安全簡易/運(yùn)行成本低
對(duì)水體的懸浮物、色度等
影響uvt的因素比較敏感
無后續(xù)殺菌作用
大型市政給排水項(xiàng)目和工業(yè)用水（如半導(dǎo)體、食品行業(yè)等）
3紫外線污水消毒技術(shù)的研究
3．1紫外線消毒的原理
紫外線一般被分為三個(gè)不同波段：紫外c（200～280nm）、紫外b（280～315nm）和紫外a（315～400nm），其中紫外c（uvc）的殺菌效果。
紫外線殺菌與化學(xué)消毒劑殺菌不同，它不是通過得失電子的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行，而是通過由紫外光子輻射導(dǎo)致的光化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行。紫外燈在260nm附近殺菌效率zui高，目前的紫外燈的zui大紫外輸出功率在波長為253.7nm處，該波長在世界*紫外燈中已占紫外能量的90%、總能量的30%以上，由于高強(qiáng)度、率的紫外c的存在，紫外技術(shù)克服了以往殺菌效率低、消毒水量小、成本高的缺點(diǎn)，已在水消毒領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)母偁幜Α?br>紫外線消毒是一種物理消毒方法，紫外線消毒并不是殺死微生物，而是去掉其繁殖能力進(jìn)行滅活。紫外線消毒的原理主要是用紫外光摧毀微生物的遺傳物質(zhì)—核酸（dna或rna），使其不能分裂復(fù)制。除此之外，紫外線還可引起微生物其他結(jié)構(gòu)的破壞。微生物在人體內(nèi)不能復(fù)制繁殖，就會(huì)自然死亡或被人體免疫功能消滅，從而不會(huì)對(duì)人體造成危害。
紫外線是波長在200–400nm的電磁波，它又分為4個(gè)波段，其中具有殺菌消毒功能的紫外波段為200–300nm，即紫外c和紫外b中的部分。通常人們較關(guān)注微生物對(duì)紫外線的吸收頻譜，認(rèn)為253.7nm是紫外消毒的*波段并把紫外消毒技術(shù)稱為紫外c消毒，確切來說是不全面的，因?yàn)楹鲆暳宋⑸飳?duì)紫外線的反應(yīng)頻譜。
3．2微生物受到紫外照射后的修復(fù)
如果微生物沒有接受到足夠的紫外照射劑量，有些微生物可以修復(fù)其受到的損傷。大量的研究表明：病毒本身沒有修復(fù)能力，有些細(xì)菌具有修復(fù)能力，但受到的紫外照射劑量越高，其修復(fù)能力越低，只要?jiǎng)┝吭O(shè)計(jì)適當(dāng)，可*去除或有效地抑制這些微生物的修復(fù)能力。
微生物的修復(fù)可分為光修復(fù)和黑暗修復(fù)，光修復(fù)需要可見光的存在，而且微生物在受到紫外線照射后到見到可見光之間的間隔時(shí)間越長，微生物見到可見光后光修復(fù)的能力越低，如果時(shí)間間隔超過2小時(shí)以上，一些微生物會(huì)*喪失光修復(fù)能力，污水廠在設(shè)計(jì)時(shí)可利用這一特點(diǎn)通過增加消毒后污水不見光的時(shí)間來進(jìn)一步抑制微生物的修復(fù)。
研究證明只要設(shè)計(jì)合理，微生物的修復(fù)在實(shí)際污水處理和回用水處理系統(tǒng)中并不重要，另外污水本身的特性也被認(rèn)為不利于微生物受傷后的修復(fù)。有些研究還顯示中壓紫外燈發(fā)射的某些紫外波長可能可以抑制或破壞微生物的修復(fù)能力。世界上使用紫外消毒工藝的3000多家污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行表明微生物的修復(fù)并不是實(shí)際問題，現(xiàn)在這一問題在國外已不再是紫外污水消毒處理應(yīng)用中人們擔(dān)心的問題。
3.3消毒系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
除了水質(zhì)參數(shù)外，紫外消毒系統(tǒng)自身也有很多因素會(huì)影響或決定其消毒性能，系統(tǒng)本身的影響因素主要如下：
1）消毒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和劑量計(jì)算
消毒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是紫外消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵、即如何通過消毒器的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)以及燈管的優(yōu)化布局等來提高消毒器利用紫外燈管發(fā)射出的殺菌紫外能量的效率，從而使其更接近于理想消毒器；同時(shí)盡可能減少水頭損失。通常用消毒器效率來判斷一個(gè)紫外消毒系統(tǒng)的優(yōu)劣.
2）紫外燈管性能
紫外燈管是紫外消毒系統(tǒng)的重要組件。其性能不僅僅是新燈管的殺菌紫外能的能量輸出、光電轉(zhuǎn)換效率還包括燈管的老化特性。新燈管的紫外輸出（單位：w）指的是一根新燈管在經(jīng)過100小時(shí)運(yùn)行磨合期時(shí)的紫外能輸出功率。燈管在使用過程中會(huì)逐漸老化，紫外能輸出會(huì)隨時(shí)間而衰減。燈管老化系數(shù)定義為燈管在壽命周期終點(diǎn)時(shí)的紫外輸出與新燈管紫外能輸出之比。
在劑量計(jì)算時(shí)必須計(jì)入燈管老化系數(shù)，而不能單考慮廠家對(duì)紫外燈管的保證壽命，目前市場上大多數(shù)紫外燈管的老化系數(shù)在50%左右，個(gè)別廠家燈管的老化系數(shù)可達(dá)80%左右。nwri紫外系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定紫外消毒系統(tǒng)燈管老化系數(shù)為0.5。
3）燈管表面結(jié)垢
城市污水中的復(fù)雜成分會(huì)使燈管的石英表面結(jié)垢，影響系統(tǒng)的消毒性能。為了保證系統(tǒng)消毒性能不受結(jié)垢的影響，必須在系統(tǒng)劑量計(jì)算中計(jì)入燈管的結(jié)垢系數(shù)。結(jié)垢系數(shù)一般與燈管的清洗方式有關(guān)。nwri紫外系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定紫外消毒系統(tǒng)與清洗方式相關(guān)的結(jié)垢系數(shù)為0.8。
4紫外線污水消毒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性研究
2003年~2008年間，國內(nèi)陸續(xù)有近300家污水廠采用紫外線作為污水廠尾水消毒工藝，如深圳市濱河污水處理廠（35.0萬m3/d）、重慶北碚城市污水處理廠（5萬m3/d）、成都*污水處理廠（30萬m3/d）,廣東潮州*污水廠（10萬m3/d），上海白龍港污水處理廠（160萬m3/d）等等近300家污水廠的紫外線消毒設(shè)備正在運(yùn)行，本文結(jié)合這些污水廠尾水消毒工程實(shí)例就紫外線消毒技術(shù)和液氯消毒應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析如下：
近期3萬噸/天的污水項(xiàng)目
紫外線消毒系統(tǒng)（進(jìn)口設(shè)備）
加氯消毒系統(tǒng)（進(jìn)口設(shè)備）
前期固定投資
1消毒設(shè)備（按近期考慮）
78萬元
33萬元
2配套土建（按遠(yuǎn)期考慮）
1.1萬元
110.00萬元
2.1地上部分（設(shè)備間）
無
45.00萬元
2.2地下部分（消毒池）
1.1萬元
65.00萬元
3安裝費(fèi)用
1.0
3.3
合計(jì)
80.2萬元
146.3萬元
噸水經(jīng)營成本（不計(jì)折舊）
1系統(tǒng)運(yùn)行成本
0.0058元/噸
0.0207元/噸
1.1噸水電耗（紫外線）
噸水氯氣消耗（加氯）
0.0044元/噸
0.018元/噸
1.2噸水藥耗
0.00002元/噸
—
1.3管理人員工資及福利
0.0014元/噸
0.0027元/噸
2系統(tǒng)維護(hù)成本
0.0052元/噸
0.0077元/噸
2.1燈管更換費(fèi)用（紫外線）整套系統(tǒng)重置費(fèi)用（加氯）
0.0044元/噸
0.0072元/噸
2.2大修理基金提存
0.00054元/噸
0.00034元/噸
2.3檢修維護(hù)費(fèi)
0.00027元/噸
0.00017元/噸
合計(jì)
0.0110元/噸
0.0284元/噸
年經(jīng)營總成本
10.04萬元
25.915萬元
5結(jié)束語
紫外消毒技術(shù)為物理消毒方式，具廣譜性殺菌能力，無二次污染。經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟可靠的環(huán)保型消毒技術(shù)，在國內(nèi)污水廠得到廣泛的運(yùn)用。，隨著《城市給排水紫外線消毒設(shè)備》（gb/t19837-2005）國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，紫外線消毒技術(shù)必將得到廣泛的推廣，紫外線消毒是通過紫外線的能量去掉微生物的繁殖能力而進(jìn)行滅活，因此，在設(shè)計(jì)一套紫外線消毒裝置時(shí)，必須了解污水成分、穿透率、tss濃度，掌握關(guān)鍵技術(shù)，確定合理的紫外劑量和光照時(shí)間，減少投資，節(jié)約運(yùn)行成本，取得良好的消毒效果。同時(shí)研究大型紫外線消毒設(shè)備及工程系統(tǒng)并應(yīng)用于中水回用、污水排放以及自來水等領(lǐng)域，將對(duì)提高我國的用水安全性具有重大意義。
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