1 概述

目前，給排水消毒方法可分為兩大類，即化學(xué)消毒法和物理消毒法?；瘜W(xué)消毒法有加氯消毒和臭氧消毒等；物理消毒法有紫外線消毒等。化學(xué)消毒法一般都會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，而紫外線消毒是唯一早在1878年人類就發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光中的紫外線具有殺菌消毒作用。人類對(duì)紫外線消毒技術(shù)在城市污水處理中的應(yīng)用則始于20世紀(jì)60年代中葉，并于70年代到80年代初對(duì)紫外線消毒在城市污水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了大量早期的研究，這主要是由于當(dāng)時(shí)人們已認(rèn)識(shí)到被廣泛使用的加氯消毒工藝中的余氯對(duì)受納水體中的魚(yú)類等生物有毒，而且發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了氯消毒等化學(xué)消毒方法會(huì)產(chǎn)生如三鹵甲烷(THMs)等致癌、致基因，致畸變的副產(chǎn)物。這些發(fā)現(xiàn)促使人類尋求一種更好的消毒方法，不會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的方法，也不會(huì)造成二次污染問(wèn)題。于是，人們開(kāi)始關(guān)注紫外線在消毒方面的應(yīng)用。

紫外線消毒法最早應(yīng)用于美國(guó)(1970年美國(guó)環(huán)保局完成了第一個(gè)污水紫外線消毒的示范工程)，現(xiàn)已在美國(guó)和加拿大普遍應(yīng)用。紫外線消毒技術(shù)為物理消毒方式的一種，具有廣譜殺菌能力，無(wú)二次污染，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為成熟可靠高效環(huán)保的消毒技術(shù)，在國(guó)外各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。在我國(guó)由于對(duì)其技術(shù)的了解有一定的局限性，在污水處理中的應(yīng)用不多。上海市政工程設(shè)計(jì)研究院在這方面開(kāi)展了許多研究，并已在上海閔行、長(zhǎng)橋等污水處理廠得到應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，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，預(yù)計(jì)今后有條件的污水處理廠中 50％將會(huì)采用紫外線消毒，并成為取代傳統(tǒng)化學(xué)消毒方法的主流技術(shù)。

2 紫外線消毒原理

紫外線殺菌消毒原理是利用適當(dāng)波長(zhǎng)的紫外線能夠破壞微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子結(jié)構(gòu)，造成生長(zhǎng)性細(xì)胞死亡和(或)再生性細(xì)胞死亡，達(dá)到殺菌消毒的效果。經(jīng)試驗(yàn)，紫外線殺菌的有效波長(zhǎng)范圍可分為四個(gè)不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外線（200～100nm）。其中能透過(guò)臭氧保護(hù)層和云層到達(dá)地球表面的只有UVA和UVB部分。就殺菌速度而言，UVC處于微生物吸收峰范圍之內(nèi)，可在1s之內(nèi)通過(guò)破壞微生物的DNA結(jié)構(gòu)殺死病毒和細(xì)菌，而UVA和UVB由于處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要數(shù)小時(shí)才能起到殺菌作用，在實(shí)際工程的數(shù)秒鐘水力停留（照射）時(shí)間內(nèi)，該部分實(shí)際上屬于無(wú)效紫外部分。真空紫外光穿透能力極弱，燈管和套管需要采用極高透光率的石英，一般用半導(dǎo)體行業(yè)降解水中的TOC，不用于殺菌消毒。因此，給排水工程中所說(shuō)的紫外光消毒實(shí)際上就是指UVC消毒。紫外光消毒技術(shù)是基于現(xiàn)代防疫學(xué)、醫(yī)學(xué)和光動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，利用特殊設(shè)計(jì)的高效率、高強(qiáng)度和長(zhǎng)壽命的UVC波段紫外光照射流水，將水中各種細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)、水藻以及其他病原體直接殺死，達(dá)到消毒的目的。

研究表明，紫外線主要是通過(guò)對(duì)微生物(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體) 的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達(dá)到消毒的目的。紫外線對(duì)核酸的作用可導(dǎo)致鍵和鏈的斷裂、股間交聯(lián)和形成光化產(chǎn)物等，從而改變了DNA的生物活性，使微生物自身不能復(fù)制，這種紫外線損傷也是致死性損傷。

紫外線消毒是一種物理方法，它不向水中增加任何物質(zhì)，沒(méi)有副作用，這是它優(yōu)于氯化消毒的地方，它通常與其它物質(zhì)聯(lián)合使用，常見(jiàn)的聯(lián)合工藝有UV+H2O2、UV+H2O2+O3、UV+TiO2，這樣，消毒效果會(huì)更好。

3 紫外線殺菌燈工作原理

目前能夠輸出足夠的UVC強(qiáng)度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。紫外線殺菌燈燈管是由石英玻璃制成，汞燈根據(jù)點(diǎn)亮后的燈管內(nèi)汞蒸氣壓的不同和紫外線輸出強(qiáng)度的不同，分為三種：低壓低強(qiáng)度汞燈、中壓高強(qiáng)度汞燈和低壓高強(qiáng)度汞燈。殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的，同時(shí)，也受到紫外線的輸出能量，與燈的類型，光強(qiáng)和使用時(shí)間有關(guān)，隨著燈的老化，它將喪失30%-50%的強(qiáng)度。紫外照射劑量是指達(dá)到一定的細(xì)菌滅活率時(shí)，需要特定波長(zhǎng)紫外線的量：照射劑量（J／m2）＝照射時(shí)間（s）×UVC強(qiáng)度（W／m2）照射劑量越大，消毒效率越高，由于設(shè)備尺寸要求，一般照射時(shí)間只有幾秒，因此，燈管的UVC輸出強(qiáng)度就成了衡量紫外光消毒設(shè)備性能最主要的參數(shù)。在城市污水消毒中，一般平均照射劑量在300 J／m2以上。低于此值，有可能出現(xiàn)光復(fù)活現(xiàn)象，即病菌不能被徹底殺死，當(dāng)從渠道中流出接受可見(jiàn)光照射后，重新復(fù)活，降低了殺菌效果。殺菌效率要求越高，所需的照射劑量越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射劑量的主要因素是透光率（254 nm處），當(dāng)UVC輸出強(qiáng)度和照射時(shí)間一定時(shí)，透光率的變化將造成微生物實(shí)際接受劑量的變化。

4 紫外線消毒的優(yōu)點(diǎn)

（1） 紫外線消毒無(wú)需化學(xué)藥品，不會(huì)產(chǎn)生THMs類消毒副產(chǎn)物。

（2） 殺菌作用快，效果好。

（3） 無(wú)臭味，無(wú)噪聲，不影響水的口感。

（4） 容易操作，管理簡(jiǎn)單，運(yùn)行和維修費(fèi)用低。

5 紫外線消毒在實(shí)際中的應(yīng)用情況

大多數(shù)紫外線裝置利用傳統(tǒng)的低壓紫外燈技術(shù)，也有一些大型水廠采用低壓高強(qiáng)度紫外燈系統(tǒng)和中壓高強(qiáng)度紫外燈系統(tǒng)，由于產(chǎn)生高強(qiáng)度的紫外線可能使燈管數(shù)量減少90%以上，從而縮小了占地面積，節(jié)約了安裝和維修費(fèi)用，并且使紫外線消毒法對(duì)水質(zhì)較差的出水也適用。

目前國(guó)內(nèi)研究、生產(chǎn)和應(yīng)用污水紫外線消毒器還很少。天津大學(xué)的顧平等人以天津紀(jì)莊子污水處理廠的深度處理出水為研究對(duì)象，進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，確定了紫外線劑量與細(xì)菌存活率之間的關(guān)系，并設(shè)計(jì)出能產(chǎn)生紊流的紫外線消毒器，多元水環(huán)保技術(shù)產(chǎn)業(yè)(中國(guó))有限公司研制生產(chǎn)的封閉式消毒器可處理100～500m3/h水量，并且在游泳池的循環(huán)水消毒中已有應(yīng)用，模塊化敞開(kāi)式消毒器可根據(jù)用戶需求具體設(shè)計(jì)安裝。煙臺(tái)市套子灣污水廠的深度處理采用了敞開(kāi)式紫外線消毒工藝，可向城市提供4×104m3/d的工業(yè)回用水，目前運(yùn)行狀況良好。

6 存在問(wèn)題

（1）紫外線消毒法不能提供剩余的消毒能力，當(dāng)處理水離開(kāi)反應(yīng)器之后，一些被紫外線殺傷的微生物在光復(fù)活機(jī)制下會(huì)修復(fù)損傷的DNA分子，使細(xì)菌再生。因此，要進(jìn)一步研究光復(fù)活的原理和條件，確定避免光復(fù)活發(fā)生的最小紫外線照射強(qiáng)度、時(shí)間或劑量。

（2）石英套管外壁的清洗工作是運(yùn)行和維修的關(guān)鍵。當(dāng)污水流經(jīng)紫外線消毒器時(shí)，其中有許多無(wú)機(jī)雜質(zhì)會(huì)沉淀、粘附在套管外壁上。尤其當(dāng)污水中有機(jī)物含量較高時(shí)更容易形成污垢膜，而且微生物容易生長(zhǎng)形成生物膜，這些都會(huì)抑制紫外線的透射，影響消毒效果。因此，必須根據(jù)不同的水質(zhì)采用合理的防結(jié)垢措施和清洗裝置，開(kāi)發(fā)研制具有自動(dòng)清洗功能的紫外線消毒器。

（3）目前國(guó)產(chǎn)紫外燈執(zhí)行直管型石英紫外線低壓汞消毒燈的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，燈的最大功率為4W，且有效壽命一般為1000～3000h，而進(jìn)口低壓燈管的有效運(yùn)行時(shí)間可達(dá)8000～12000h，中壓燈管也可達(dá)5000～6000h。相比之下，使用國(guó)產(chǎn)燈管會(huì)增加維修費(fèi)用，因此，研制生產(chǎn)壽命長(zhǎng)的紫外燈或直接引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的紫外燈生產(chǎn)技術(shù)是目前亟待解決的問(wèn)題。

（4）在我國(guó)目前污水廠紫外消毒系統(tǒng)招標(biāo)中，有些污水廠由于大量工業(yè)污水的導(dǎo)入，使得排放的污水色度加深，但招標(biāo)文件中的污水紫外透射率參數(shù)仍采用國(guó)外提供的數(shù)值，造成與國(guó)內(nèi)污水實(shí)際情況差別很大，為將來(lái)紫外設(shè)備的運(yùn)行達(dá)到消毒要求，留下了難以克服的障礙。

7　結(jié)論

紫外線在飲用水處理中的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史。但是由于其技術(shù)復(fù)雜，成本昂貴，使其應(yīng)用受到限制。本世紀(jì)七十年代，由于水污染的加劇和公眾健康意識(shí)的提高，迫使人們?cè)趥鹘y(tǒng)水處理工藝的基礎(chǔ)上采用新的手段，保證供水水質(zhì)符合更加安全的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)近二十年的研究和實(shí)踐，以紫外線為主組成的復(fù)合應(yīng)用技術(shù)，以其良好的處理效果成為給水深度凈化技術(shù)的首選。

（1）紫外光用于城市污水二級(jí)處理出水的消毒可以滿足目前國(guó)內(nèi)景觀及綠化用水要求。

（2）該技術(shù)具有無(wú)二次污染的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

（3）能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低；自動(dòng)化程度高；維護(hù)簡(jiǎn)便。

（4）在設(shè)備選用方面，低壓高強(qiáng)度紫外燈的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于中壓高強(qiáng)度紫外燈。

另外，經(jīng)過(guò)紫外線消毒的污水可以在很多領(lǐng)域再利用，以實(shí)現(xiàn)污水資源化。將其用于灌溉農(nóng)田、林地和草坪等可避免化學(xué)消毒劑對(duì)植物的損傷；用于地下水回灌可以防止微生物對(duì)化學(xué)消毒劑產(chǎn)生適應(yīng)性而再度繁殖造成的地層堵塞。隨著對(duì)紫外線消毒機(jī)理的深入研究、紫外線技術(shù)的不斷發(fā)展以及消毒裝置在設(shè)計(jì)上不斷完善，紫外線消毒法有望成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)氯化消毒的主要方法之一。

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