摘　要: 　針對常用的明渠水下照射式污水紫外線消毒系統(tǒng)的設(shè)計，探討了明渠水下照射式污水紫外線消毒系統(tǒng)的紫外燈型式的選擇、紫外劑量的確定方法以及設(shè)計流量的確定，介紹了消毒明渠及其水位控制器的設(shè)計方法。

　　隨著對氯消毒缺陷的認(rèn)識，人們在尋求氯消毒的替代技術(shù)。紫外線消毒由于具有殺菌快速高效、安全、易操作及占地小等優(yōu)點，在美國和加拿大已廣泛應(yīng)用，目前大部分的紫外線污水消毒系統(tǒng)都采用明渠水下照射式。在我國，紫外線消毒在污水處理中的應(yīng)用剛剛起步，對明渠水下照射式的污水紫外線消毒技術(shù)的研究及其系統(tǒng)設(shè)計的報道不多。
 

1　系統(tǒng)組成

       明渠水下照射式紫外線消毒系統(tǒng)的組成如圖1所示。

       紫外燈平行放置于支架上并浸沒在水中。各模塊之間彼此獨立。每個模塊可配置2、4、6、8或16支紫外燈管[ 1 ] 。紫外線消毒系統(tǒng)若采用自動清洗則還要安裝有清洗設(shè)施。污水重力流經(jīng)紫外燈，渠道下游設(shè)水位控制器。

圖1　明渠水下照射式紫外線消毒系統(tǒng)
Fig. 1　Submerged radiation type ultraviolet disinfection system in open channel
 

2　系統(tǒng)設(shè)計

2. 1　紫外燈型式的選擇

        紫外消毒燈有低壓低強燈、低壓高強燈和中壓高強燈3種。低壓低強燈和低壓高強燈均發(fā)出單色光，輸出波長為253. 7 nm，燈管的壽命為8 000 ～12 000 h，而中壓高強燈發(fā)出復(fù)色光，波長為230～300 nm，燈的壽命為5 000 h。低壓高強燈單根燈管紫外能輸出(90～100 W)要比低壓低強燈(30～60W)高，但比中壓高強燈的(420～25 000 W)低。在照射到微生物上的紫外劑量相同的條件下，三種類型紫外燈的消毒效果是相同的[ 2 ] 。但低壓低強紫外燈的光強相對較弱，穿透力不高，對總懸浮固體>30 mg/L的二級處理出水消毒效果不好[ 3 ] 。而中壓紫外燈的光強最強、穿透力高，比較適合低濃度污水的處理。處理相同的水量時，若采用中壓高強燈系統(tǒng)則需要的燈管數(shù)最少，低壓高強燈次之。燈管數(shù)量少，相應(yīng)地設(shè)備占地也省，基建費用和燈管維護(hù)費用少。但中壓高強燈的光電轉(zhuǎn)換率低(只有15%左右) 、能耗大、電費高;而低壓低強燈和低壓高強燈的光電轉(zhuǎn)換率為30% ～40%。目前，污水處理廠多采用低壓高強燈和中壓高強燈系統(tǒng)，設(shè)計時需根據(jù)實際情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較。

2. 2　紫外劑量的確定

       紫外燈數(shù)量取決于滅活微生物所需的紫外劑量。微生物的滅活與紫外照射劑量的關(guān)系可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。若大腸桿菌數(shù)量在通常的消毒范圍內(nèi)，則滅活速率與紫外劑量的關(guān)系表達(dá)如下：　
            dN/dt= - kN² I                                                     (1)
經(jīng)積分，得到:
　       1 /N - 1 /N₀ = k It                                                 (2)
式中 N ———某時刻t的大腸桿菌含量，最大可能數(shù)量/100 mL
          N₀ ———初始大腸桿菌含量，最大可能數(shù)量/100 mL
          k ———速率常數(shù)，大腸桿菌數(shù)/ s
          I ———消毒反應(yīng)器中紫外平均強度，mW / cm²
          t ———消毒時間， s
 

大腸桿菌初始含量常常比消毒后大得多，以致1 /N₀ 項可以忽略不計，故式(2)可以簡化為：

　     1 /N = kIt　或　N = ( kIt) ^{- 1} = ( kD ) ^{- 1}                                                    (3)

式中　D———紫外劑量，為紫外平均強度與消毒時間的乘積， (mW•s) / cm2

式(3)可以用于計算在已知速率常數(shù)下不同紫外強度與消毒時間時的大腸桿菌數(shù)。另外， Scheible等的研究表明，紫外劑量和糞大腸菌群含量之間的關(guān)系符合如下經(jīng)驗公式^{[ 4 ]} ：　

       消毒后糞大腸菌群含量= ( 1. 26 ×1013 ) (紫外劑量)                                           (4)

此外，Loge等研究得到可以用來計算糞大腸菌群在紫外光照下數(shù)量變化的經(jīng)驗公式^{[ 5 ]} ：

　      N =A ( SS) ^a (N₀ ) ^b (UFT) ^c ( I) ⁿ ( t) ⁿ                                                (5)

式中　N ———在紫外輻射后的糞大腸菌群含量，最大可能數(shù)量/mL
           I ———紫外平均強度，mW / cm²
           t ———消毒時間， s
          SS———水中懸浮固體濃度，mg/L
          N₀ ———糞大腸菌群的初始含量，最大可能數(shù)量/100 mL
          UFT———在253. 7 nm處的紫外透射率， %
         A、a、b、c、n———經(jīng)驗系數(shù)，分別是102. 919、1. 947、0. 323 3、0、- 2. 484式(3) ～ (5)表達(dá)了紫外劑量與消毒后污水中的大腸桿菌或糞大腸菌群濃度的關(guān)系。其中式( 5)考慮了懸浮固體、透射率等因素對紫外線消毒的影響，能較合理地預(yù)測達(dá)到一定的糞大腸菌群殺滅指標(biāo)時所需的紫外劑量。例如，美國國家污染物排放系統(tǒng)(NPDES)的消毒標(biāo)準(zhǔn)要求糞大腸菌< 200 個/100 mL，對于總懸浮固體TSS < 20 mg/L、65%透射率的二級處理出水，在通常的消毒范圍內(nèi)，用式(5)計算得到的紫外劑量與報道的20～30 (mW • s) /cm² 基本一致。我國的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)將糞大腸菌群列為基本控制項目，可以根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對糞大腸菌群的最高允許排放濃度以及污水廠的具體水質(zhì)來計算紫外線劑量。

         確定紫外劑量的另一種方法是根據(jù)微生物對紫外劑量的響應(yīng)所得到的響應(yīng)曲線來確定[ 6 ] 。不同種類的微生物對于相同紫外劑量的響應(yīng)是不同的，因為它們對紫外線的敏感程度不同。由紫外平行光束儀測定不同紫外劑量下某種微生物的存活含量，從而得到紫外劑量與存活微生物含量的關(guān)系曲線，即響應(yīng)曲線。該法排除了消毒反應(yīng)器中流體動力學(xué)對微生物接受紫外劑量不均勻的影響。

         確定紫外劑量時，應(yīng)考慮紫外燈管老化和燈管的石英套管表面結(jié)垢問題。使用壽命周期終點時的紫外輸出與新燈管紫外輸出之比為燈管的老化系數(shù)。大多數(shù)燈管的老化系數(shù)在0. 5左右。另外，污水中的某些成分會使燈管的石英套管表面結(jié)垢而影響紫外透射率。結(jié)垢系數(shù)與燈管的清洗方式有關(guān):人工清洗為0. 7，純機械清洗為0. 8，機械加化學(xué)清洗為1. 0。因此，在確定紫外劑量時通過上述方法求得的紫外劑量還應(yīng)計入燈管老化系數(shù)以及結(jié)垢系數(shù)，才能得到在燈管壽命周期內(nèi)達(dá)到微生物消毒標(biāo)準(zhǔn)所需要的紫外劑量。

2. 3　設(shè)計流量及光照時間

       紫外消毒系統(tǒng)必須在紫外燈的壽命期內(nèi)按最大流量設(shè)計，否則，當(dāng)流量增大時將不能保證消毒要求。同時，也必須滿足最小流量時的消毒要求。許多較小的污水處理廠在晚上流量接近于零，這期間在石英套管周圍的污水會升溫而在套管上產(chǎn)生沉積，也有可能使石英套管露出水面而暴露在空氣中，留在套管上的物質(zhì)會被烤干，從而形成沉積物。因而，設(shè)計時必須確定最大與最小流量。

       光照時間也是個重要的設(shè)計參數(shù)。在相同的紫外強度下滅活不同種類的微生物需要的光照時間不同。目前的設(shè)計是采用高強度的紫外能而取較短的光照時間，例如光照時間為6～10 s[ ^{1 ]} 。

2. 4　消毒明渠的設(shè)計

        消毒明渠可根據(jù)紫外消毒系統(tǒng)的大小用混凝土或不銹鋼建成。國外的經(jīng)驗是， 16 根或更少燈管的紫外消毒系統(tǒng)應(yīng)采用不銹鋼渠道，但也可以采用混凝土渠道。當(dāng)渠道中有多個紫外燈組時，紫外燈組的最佳距離是1. 22 m^{[ 1 ]} 。如果渠道流量變化大，則渠道最好不少于1 道，這樣可根據(jù)流量變化開通或關(guān)閉某些渠道，以節(jié)省電耗和延長燈的壽命。

       渠道需用水位控制器來控制水位，以防燈管以上的水層厚度太大而影響消毒效果，或避免低于設(shè)定的流量范圍時紫外燈暴露于空氣中。在任何流量時位置最高的紫外燈石英套管頂以上的水層厚度需維持在1. 9～2. 54 cm^{[ 1 ]} ，污水不應(yīng)超出這一厚度，否則紫外強度太小而不能使所有的病原體滅活。兩種基本的水位控制器是銳頂堰和水力自動控制翻板閘門( flap gate) ^{[ 1 ]} 。銳頂堰既可保持高峰流量時間的最高水位，也可保證在零流量時紫外燈浸沒在水中，其缺點是在堰的上游底沉積固體，這可通過安裝沖洗閥來解決。水力自動控制翻板閘門是通過重力和污水流過渠道的沖力進(jìn)行工作的，以翻板閘門上放置的重錘來限制閘門的開啟度，合理設(shè)計的翻板閘門將使水位保持在一個較寬的流量變化范圍內(nèi)。其缺點是在零流量或接近零流量時會發(fā)生滲漏以致紫外燈露出水面，影響消毒效果。翻板閘門與紫外燈組的最小距離為2 m。在兩種水位控制器中，采用使紫外燈在零流量時仍能保持完全浸沒的堰可能更好。一般地，堰用于小于20根紫外燈的小型消毒系統(tǒng)，而翻板閘門則用于大型的紫外消毒系統(tǒng)^{[ 1 ]} 。

3　結(jié)語

        明渠水下照射式污水紫外線消毒系統(tǒng)的合理設(shè)計是紫外線消毒技術(shù)在污水處理中應(yīng)用的關(guān)鍵，選擇合適的紫外燈型式有利于節(jié)省投資和運行費用，正確確定紫外劑量、最大和最小流量以及合理設(shè)計水位控制器是保證消毒效果的重要方面。
 

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