摘要　介紹了紫外線消毒技術(shù)的發(fā)展，消毒設(shè)備的類型及特點(diǎn)。著重對(duì)明渠式紫外線消毒系統(tǒng)的燈管排布形式、燈管類型及其運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并對(duì)紫外污水消毒的應(yīng)用前景作了簡單的預(yù)測分析。
   

1 　紫外線消毒型式的發(fā)展

 
      20 世紀(jì)80 年代初，紫外線污水消毒技術(shù)在美國環(huán)保局( EPA) 的創(chuàng)新和取代技術(shù)資金項(xiàng)目支持下，在美國的城市污水處理中開始得到應(yīng)用。但早期的紫外線消毒系統(tǒng)全為封閉管道式(見圖1) ，污水容易污染設(shè)備，維護(hù)麻煩，燈管清洗更換時(shí)需要停機(jī)，故需要備用設(shè)備，還需要泵、管道、閥門等配套設(shè)備，成本很高，不適合大規(guī)模應(yīng)用，使得紫外線消毒技術(shù)在城市污水處理中難以有效推廣。
 

圖1 　封閉管道式紫外線消毒系統(tǒng)

       1982 年加拿大特潔安( Trojan) 技術(shù)公司開發(fā)了世界上第一套明渠式安裝的紫外線消毒系統(tǒng)UV2000 ，并引進(jìn)了模塊化紫外線消毒系統(tǒng)概念，即系統(tǒng)可由若干獨(dú)立的紫外燈模塊組成(見圖2) ，且水流靠重力流動(dòng)，不需要泵、管道以及閥門等配套設(shè)備。系統(tǒng)維護(hù)可對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行，紫外燈模塊可輕易地從明渠中直接取出進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)時(shí)系統(tǒng)無需停機(jī)，因而無需備用設(shè)備，從而使得系統(tǒng)維護(hù)簡單方便，大大降低了紫外污水消毒的成本。同時(shí)，當(dāng)污水處理廠在擴(kuò)建或改造時(shí)，只需適當(dāng)增加紫外燈模塊的數(shù)量，而無需添購整套系統(tǒng)。目前在世界各地已經(jīng)有3 000 多家城市污水處理廠安裝使用了紫外線污水消毒系統(tǒng)，在北美地區(qū)經(jīng)過20 多年的發(fā)展，已成為成熟、可靠、實(shí)用的污水消毒技術(shù)。
 
 

圖2 　明渠式模塊化紫外線消毒系統(tǒng)

2 　紫外線消毒裝置的發(fā)展

(1) 紫外線燈管。早期是適用于小規(guī)模污水消毒處理的常規(guī)低壓紫外燈;20 世紀(jì)90 年代中期出現(xiàn)了所有燈管類型中紫外線發(fā)射能量最強(qiáng)的中壓紫外燈，使大規(guī)模污水處理應(yīng)用紫外設(shè)備成為可能;90年代末又出現(xiàn)了低壓高強(qiáng)紫外燈，可作為常規(guī)低壓紫外燈和中壓燈消毒技術(shù)應(yīng)用的過渡或備選，為污水處理廠提供適合各種情況的最佳消毒方案。低壓燈管使用壽命也從早期的1 000～3 000 h 提高到8 000～12 000 h 左右。

(2) 清洗方式。接觸式消毒裝置無法避免燈管的結(jié)垢，需頻繁的清洗。最早采用人工清洗液化學(xué)清洗的方式，工人勞動(dòng)強(qiáng)度非常大;隨后發(fā)明了機(jī)械清洗方式，減輕了清洗工作量，90 年代中期發(fā)明的高效機(jī)械化學(xué)式燈管自動(dòng)清洗裝置，完全取代了人工清洗液化學(xué)清洗方式，大大降低了消毒系統(tǒng)的維護(hù)需求和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 　明渠式紫外線消毒系統(tǒng)的型式

       目前全球安裝使用的紫外線污水消毒系統(tǒng)95 %以上采用20 世紀(jì)80 年代發(fā)明的明渠式紫外線消毒系統(tǒng)，該系統(tǒng)將若干獨(dú)立的紫外燈模塊安裝在開放的明渠中，水流靠重力流經(jīng)消毒裝置，在明渠可直接插入或取出紫外燈模塊進(jìn)行維護(hù)檢修。

311 　燈管排布形式

       紫外消毒器中燈管的排布可分為順流式和橫流式。順流式指的是燈管彼此平行且與水流方向平行，而橫流式排布燈管彼此平行但與水流方向垂直。90 %的城市污水紫外線消毒系統(tǒng)采用順流式，這主要是由于橫流式不利于流體形成理想的均勻流動(dòng)，紫外能量浪費(fèi)較大，在燈管和渠壁或水面間容易形成消毒短流區(qū)，使通過的微生物得不到足夠的紫外照射劑量而影響消毒效果。簡單來說，如果短流區(qū)的容積占總消毒容積的1 % ，那么該消毒系統(tǒng)所能達(dá)到的最好消毒效果為99 % ，二級(jí)生化處理的出水中大腸菌群含量一般在106～107 個(gè)/ L ，要達(dá)到104個(gè)/ L 的國家標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)有困難。

312 　紫外燈管的類型
        目前污水紫外線消毒系統(tǒng)中常用的紫外燈管有：低壓燈(L P) 、低壓高輸出燈(L PHO ， 又稱作低壓高強(qiáng)燈) 和中壓燈(MP) 。這些燈管的主要性能參數(shù)及適用范圍見表1 。
 

表1 　各種紫外燈性能參數(shù)及適用范圍

        適用范圍 小型污水處理廠常規(guī)處理污水和再生水消毒，處理流量一般5萬m3/d以下 中型污水處理廠常規(guī)處理污水和再生水消毒 大型污水處理廠常規(guī)處理污水、再生水消毒或低質(zhì)污水消毒

　　中壓燈是所有紫外燈中單根燈管紫外能輸出最高的，因此可以用很少的燈管數(shù)量達(dá)到消毒效果，占地最少，可以大大減少設(shè)備與征地、土建等投資，具有規(guī)模效益，比較適合于大型城市污水處理廠的消毒處理，特別是用地緊張的污水處理廠。另外由于中壓燈光強(qiáng)最強(qiáng)，穿透力高，所以比較適合低質(zhì)污水的消毒處理。當(dāng)然，中壓燈的光電轉(zhuǎn)換效率較低，電耗較高，但由于燈管數(shù)目很少，燈管更換費(fèi)用較低。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的紫外線消毒系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要是電費(fèi)和燈管更換費(fèi)用。燈管數(shù)量減少，可減少與燈管數(shù)量相關(guān)部件的更換數(shù)量和費(fèi)用。
表1 中各類燈管的適用范圍只具有參考意義，
污水處理廠應(yīng)結(jié)合實(shí)際和特殊情況對(duì)不同燈管類型的紫外線消毒系統(tǒng)進(jìn)行全面詳細(xì)的可行性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選用適合的方案。在方案比較時(shí)，還應(yīng)全面考慮占地、土建、輔助設(shè)備設(shè)施以及其他相關(guān)因素。
 

313 　鎮(zhèn)流器   

       早期的紫外線消毒系統(tǒng)使用電磁式鎮(zhèn)流器。20世紀(jì)90 年代初電子鎮(zhèn)流器首先應(yīng)用在低壓燈紫外消毒系統(tǒng)，90 年代中葉又解決了用電子鎮(zhèn)流器控制中壓燈管的難題，現(xiàn)在各類污水紫外線消毒系統(tǒng)使用的鎮(zhèn)流器基本都是電子鎮(zhèn)流器。鎮(zhèn)流器的布置一般分為兩大類，一類是將鎮(zhèn)流器密封后和紫外燈模塊一體化，另一類是鎮(zhèn)流器與紫外燈模塊或燈組分離，放在明渠外，離燈管有一定的距離。后者需要空氣排風(fēng)冷卻鎮(zhèn)流器等電控元件，從而會(huì)導(dǎo)致空氣中的灰塵、水汽和污染物侵蝕，降低鎮(zhèn)流器等敏感電控元件壽命，帶來額外的系統(tǒng)維護(hù)，增加與更換鎮(zhèn)流器有關(guān)的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，而且需要單獨(dú)的房屋和空調(diào)來安放鎮(zhèn)流器等電控部件。鎮(zhèn)流器遠(yuǎn)離紫外燈管會(huì)增加鎮(zhèn)流器到燈管間電壓降，因此降低燈管的輸入功率和燈管的紫外能輸出，從而降低紫外線消毒系統(tǒng)效率并影響消毒效果。
 

314 　石英套管的清洗方式
     

       清洗方式可分為兩大類：人工清洗和自動(dòng)清洗。人工清洗就是將燈管從明渠中取出，用清洗液噴淋到套管上，然后用棉布擦拭清潔;或?qū)讉�(gè)紫外燈模塊放到移動(dòng)式清洗罐中用清洗液同時(shí)攪拌清洗，清洗罐中帶有曝氣攪拌裝置; 當(dāng)燈管數(shù)量較多時(shí)，也可一次將整個(gè)燈組(由若干個(gè)模塊組成) 從明渠中起吊出來放入固定的清洗池內(nèi)用清洗液清洗，池中帶有曝氣攪拌裝置。從勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性上分析，人工清洗比較適合小型或中型污水處理廠。自動(dòng)清洗還可分為純機(jī)械式自動(dòng)清洗和機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗，純機(jī)械式自動(dòng)清洗系統(tǒng)實(shí)際上是用鐵氟龍環(huán)來回刮擦套管表面;而機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗系統(tǒng)則是在清洗頭內(nèi)裝有清洗液，在清洗頭機(jī)械刮擦套管表面的同時(shí)通過清洗頭內(nèi)的清洗液去掉難以通過刮擦有效去除的污垢。純機(jī)械式自動(dòng)清洗系統(tǒng)需要頻繁(10～30 min一次) 的來回刮擦以減緩套管表面污垢的積累，清洗頭磨損快，壽命短，一般半年到一年就需要更換，維護(hù)要求勞動(dòng)強(qiáng)度和清洗成本較高;機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗一般一天清洗一次，清洗頭壽命在5 年左右，清洗效果較好。機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗裝置發(fā)明于90 年代中葉，并應(yīng)用到污水紫外線消毒中，清洗效果好。常用磷酸作清洗液，會(huì)進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，但由于其用量極少，不會(huì)造成二次污染。機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗在排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的北美地區(qū)的污水再生利用消毒處理中廣泛使用，未產(chǎn)生不良影響。當(dāng)然也可使用食品等級(jí)的清洗劑以適應(yīng)更高的需求。

4 　應(yīng)用前景

       加氯消毒是城市污水消毒處理中使用最為普遍的方法，但隨著氯消毒的大規(guī)模使用，人們對(duì)該方法的認(rèn)識(shí)和了解也不斷加深，對(duì)其使用中產(chǎn)生的問題也越來越關(guān)注。這主要是余氯對(duì)受納水體中的魚類有害，在處理過程中會(huì)產(chǎn)生三致副產(chǎn)物。在氯消毒已知的500 多種消毒副產(chǎn)物中，只有為數(shù)很少的被研究并證實(shí)對(duì)人類健康有影響，尚有500 多種消毒副產(chǎn)物有待查明身份，而且更令人擔(dān)心的是使用中缺乏對(duì)這些副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)分析和管理計(jì)劃。正是由于對(duì)這些問題的擔(dān)心，世界各國和地區(qū)對(duì)氯消毒的使用制定了各種法律規(guī)定，限制或控制使用。例如：荷蘭、德國、加拿大魁北克等地已禁止使用氯消毒;歐美等地有脫氯要求;美國加利福尼亞、佛羅里達(dá)等州根據(jù)污水處理廠具體情況要求零余氯排放;除此之外，污水處理廠必須實(shí)施嚴(yán)格的安全生產(chǎn)條例和措施，有關(guān)部門對(duì)加氯消毒的通風(fēng)和安全生產(chǎn)設(shè)施嚴(yán)格控制，必須有完善的氯泄漏收集措施;在國外還有風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃，包括污水處理廠附近居民的撤離計(jì)劃;而公民知情權(quán)法則要求污水處理廠應(yīng)將氯消毒的使用及情況通報(bào)給附近居民等等。這些法律、規(guī)定和法規(guī)大大增加了氯消毒成本，也使得氯消毒越來越不受歡迎。另外氯作為危險(xiǎn)化學(xué)藥品，有關(guān)部門對(duì)其運(yùn)輸和儲(chǔ)存的安全問題和審批控制非常嚴(yán)格，我國的一些污水處理廠在建成加氯接觸池后常常因此而無法正常運(yùn)行使用，現(xiàn)在越來越多的城市污水處理廠已開始考慮使用紫外線消毒技術(shù)替代氯消毒。紫外線消毒技術(shù)作為物理消毒方式，無二次污染;運(yùn)行維護(hù)安全、簡便; 消毒時(shí)間短(一般1～10s) ，無需接觸池，占地小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備安裝快，在各種消毒方法中對(duì)微生物最具廣譜性，消毒效果不受水體pH 和溫度影響。圖3 為各種消毒方法在城市污水處理中的應(yīng)用程度，可以看出紫外線消毒技術(shù)正得到越來越多的應(yīng)用。

圖3 　各種消毒方法在城市污水處理中的應(yīng)用份額。
 

5 　結(jié)語

       由于氯消毒技術(shù)的負(fù)面影響逐步顯現(xiàn)，選擇綠色的消毒技術(shù)越來越受到大眾的關(guān)注。紫外線消毒技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用剛剛起步，在設(shè)計(jì)紫外線消毒系統(tǒng)時(shí)，必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐母鞣N條件，選擇合適的紫外線消毒系統(tǒng)。不同類型的燈管、鎮(zhèn)流器和清洗方式直接影響工程投資、運(yùn)行費(fèi)用和處理效果。通過進(jìn)行廣泛的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定合適的工藝方案，是取得最佳消毒效果的必要條件。
　
 

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