摘 要：我國(guó)日益突出的城市缺水和水污染問(wèn)題使得污水回用受到重視,而消毒處理是其中的關(guān)鍵。針對(duì)污水消毒處理中傳統(tǒng)化學(xué)殺菌法的缺點(diǎn),紫外線(xiàn)消毒法因其安全、易操作、殺菌快速有效的優(yōu)點(diǎn)而有著廣闊的應(yīng)用前景。

1. 概況

        紫外線(xiàn)消毒法有著悠久的歷史,1910年法國(guó)的Cernovdeow和Henvi首次將紫外線(xiàn)用于飲用水消毒,1960年以后,出現(xiàn)了較多的新型、高效的紫外光源,促進(jìn)了紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的發(fā)展。1970年,美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)完成了第一個(gè)污水紫外線(xiàn)消毒的示范工程。此后,在美國(guó)、加拿大等北美國(guó)家,應(yīng)用紫外線(xiàn)消毒法處理污水開(kāi)始普及,北美地區(qū)現(xiàn)有的污水紫外線(xiàn)消毒裝置已達(dá)300多座。歐洲目前也積極的開(kāi)展這方面的研究和實(shí)際應(yīng)用,日本于近幾年也在十幾個(gè)污水處理廠安裝了紫外線(xiàn)消毒裝置,進(jìn)行開(kāi)發(fā)、利用。在中國(guó),人們也接觸到這項(xiàng)技術(shù),一些專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究、試驗(yàn),但由于受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各種因素的制約以及人們環(huán)保意識(shí)的淡薄和健康意識(shí)的匱乏,紫外線(xiàn)消毒污水的技術(shù)在我國(guó)還未推廣應(yīng)用。

        常用的消毒工藝有鹵素消毒(如氯氣、二氧化氯)、氧化劑消毒(如臭氧、過(guò)氧乙酸)、輻射消毒(如紫外線(xiàn)、γ射線(xiàn))。表1對(duì)常用的氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒和紫外線(xiàn)消毒法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。
 

表1 常用消毒方法比較 

	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	消毒效果
氯Cl2	具有余氯的持續(xù)消毒作用;藥劑易得,成本較低;工藝簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟;操作簡(jiǎn)單,投量準(zhǔn)確;不需要龐大的設(shè)備	原水有機(jī)物高時(shí)會(huì)產(chǎn)有機(jī)氯化物(THMs),具致癌、致畸毒害作用;處理水有氯或氯酚味;氯氣有毒,腐蝕性強(qiáng);運(yùn)行、管理有一定的危險(xiǎn)性	能有效殺菌,但殺滅病毒的效果相當(dāng)差
二氧化氯ClO2	具有強(qiáng)烈的氧化作用,不會(huì)生成有機(jī)氯化物(THMs);除臭、氧化、漂白和脫色;投放簡(jiǎn)單、方便;副產(chǎn)物較少;不受pH影響	ClO2是不穩(wěn)定的化合物,對(duì)溫度、壓力和光較敏感,遇火花和有機(jī)物,易爆炸;不利于大批量制取和運(yùn)輸,只能就地生產(chǎn),就地使用;制取設(shè)備復(fù)雜;操作管理要求高	較Cl2殺菌效果好
臭氧O3	有強(qiáng)氧化能力,接觸時(shí)間短;能除臭、脫色,氧化鐵錳等物質(zhì);能除酚,無(wú)氯酚味;不產(chǎn)生有毒氯化物;不受pH影響;能增加水中溶解氧	臭氧具毒性,不穩(wěn)定,在水中易分解;易泄漏;操作要求高,設(shè)備復(fù)雜;制取臭氧的產(chǎn)率低;電能消耗大;基建投資較大;運(yùn)行成本高	殺菌和殺滅病毒的效果均很好
紫外線(xiàn)	不需投加任何化學(xué)藥品;在水中不生成有害的殘余物質(zhì);無(wú)臭味;操作安全、簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;運(yùn)行、管理、勞務(wù)和維修費(fèi)用低	電耗大;紫外燈管與石英套管需定期更換;對(duì)處理水的水質(zhì)要求較高;無(wú)后續(xù)殺菌作用	消毒效果好;快速簡(jiǎn)便

       從表中可以看出,用二氧化氯、臭氧或氯之類(lèi)的化學(xué)殺菌法,都有化學(xué)殘留物,甚至還會(huì)產(chǎn)生副作用,危害人體健康,如三鹵甲烷(THMs)。而使用紫外線(xiàn)進(jìn)行消毒,不會(huì)有消毒藥物的殘存和產(chǎn)生有機(jī)氯化物等衍生物而引起對(duì)水生環(huán)境的破壞,實(shí)現(xiàn)了安全、衛(wèi)生程度較高的、更貼近大自然的消毒方式;其操作管理也更安全方便。就消毒效果而言,紫外線(xiàn)消毒法殺菌快速有效,殺菌率高。有實(shí)驗(yàn)表明,在一定的條件下,經(jīng)紫外線(xiàn)消毒后的污水甚至可以達(dá)到我國(guó)的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤3個(gè)/L)世界衛(wèi)生組織推薦的飲水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(≤0個(gè)/100ml)。

2. 影響紫外線(xiàn)消毒的因素

        所謂紫外線(xiàn)消毒,是由紫外線(xiàn)對(duì)水進(jìn)行照射來(lái)達(dá)到殺菌的目的。微生物細(xì)胞中的核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)吸收光譜的范圍在240nm-280nm,對(duì)波長(zhǎng)255-260nm的紫外線(xiàn)有最大吸收。而紫外線(xiàn)消毒燈所產(chǎn)生的光波的波長(zhǎng)恰好在此范圍內(nèi)。放射性的紫外光被微生物的核酸所吸收,一方面可使核酸突變阻礙其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄,封鎖蛋白質(zhì)的合成;另一方面,產(chǎn)生自由基,可引起光電離,從而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡,由此達(dá)到殺菌的目的。

        紫外線(xiàn)消毒的效果是以照射后存活的菌體數(shù)量決定的,而它的殺菌能力則是由253.7nm的紫外線(xiàn)的照射劑量所決定的。照射劑量可表示為:

        照射劑量(μW•s/cm2)=紫外線(xiàn)強(qiáng)度(μW/cm2)*照射時(shí)間(s)

        因此紫外線(xiàn)的殺菌效果主要與紫外線(xiàn)燈管的功率、性能,處理水的物理化學(xué)性質(zhì),反應(yīng)器的水力條件等因素有關(guān)。

        2.1 紫外線(xiàn)消毒燈的性能

        低壓汞紫外線(xiàn)消毒燈產(chǎn)生的幾乎是純254nm波長(zhǎng)的短波紫外線(xiàn)輻射,隨著使用時(shí)間的增加,紫外線(xiàn)燈的輻射強(qiáng)度逐漸降低,失去使用價(jià)值。有數(shù)據(jù)表明,國(guó)產(chǎn)燈管的有效使用時(shí)間一般在3000h以上;國(guó)外的燈管的有效使用時(shí)間一般都在7500h以上,品質(zhì)良好的燈管可達(dá)8000h。燈管的結(jié)垢也會(huì)影響紫外線(xiàn)的穿透力,減弱消毒效果。

        2.2 處理水的物理化學(xué)性質(zhì)

        2.2.1 懸浮固體(SS)

        懸浮物可干擾、吸收紫外線(xiàn),并使其射線(xiàn)量減少,通過(guò)遮蔽紫外線(xiàn)隱藏細(xì)菌,使之具有保護(hù)細(xì)菌的作用。當(dāng)懸浮物濃度增高,殘存細(xì)菌數(shù)就會(huì)增多并引起消毒效果下降。基于100ml水中含有100-200個(gè)糞大腸菌群的的消毒要求,有專(zhuān)家就美國(guó)和加拿大的紫外線(xiàn)消毒城市污水的二級(jí)處理系統(tǒng),推薦SS應(yīng)不高于20mg/L。

        2.2.2 紫外光穿透率

        紫外光穿透率是以紫外光在液體中的浸透深度來(lái)測(cè)定,紫外線(xiàn)的穿透率,隨著水層的厚度的增加而降低。在污水或廢水中都含有能吸收紫外線(xiàn)的可溶性化學(xué)物質(zhì),如果吸收紫外線(xiàn)量增大,殺滅微生物所需的紫外線(xiàn)劑量也必將隨之增大。

        2.2.3 微生物的類(lèi)型和數(shù)量

        污水消毒側(cè)重于殺滅通過(guò)水傳播疾病的腸道細(xì)菌。紫外線(xiàn)對(duì)細(xì)菌、病毒、真菌、芽孢等均有殺滅作用。一般情況下,革蘭氏陰性桿菌最易為紫外線(xiàn)殺死,其次是葡萄球菌屬、鏈球菌屬和細(xì)菌芽孢,真菌孢子抵抗力最強(qiáng),病毒對(duì)紫外線(xiàn)的抵抗力比細(xì)菌芽孢低。為到達(dá)相同的殺菌效果,對(duì)紫外線(xiàn)不敏感、耐受力強(qiáng)的微生物,必須采用較大的照射劑量。隨著污水中細(xì)菌數(shù)量的增加,為達(dá)到預(yù)期的消毒目的,所需要的紫外線(xiàn)照射劑量亦隨之增加。

        2.3 反應(yīng)器的水力條件

        理想的消毒反應(yīng)器的水流狀態(tài)應(yīng)為:在水流方向上為推流,而在同一橫截面上能完全混合,這樣才能保證處理水流受到紫外線(xiàn)的充分輻射以及不發(fā)生短流現(xiàn)象。理想的活塞流反應(yīng)器可以保證這樣的水力條件,但真實(shí)的消毒器中的水流狀態(tài)與理想狀態(tài)有很大差異,這種差異使得每個(gè)水流質(zhì)點(diǎn)受到輻射強(qiáng)度不同。美國(guó)環(huán)保署在1986年的設(shè)計(jì)手冊(cè)中提出,反應(yīng)器接近理想的活塞流狀態(tài)的程度可用它的長(zhǎng)寬比AR來(lái)表示。反應(yīng)器的AR值越大,則越接近于活塞流狀態(tài)。

        水流受到紫外線(xiàn)照射的時(shí)間決定于它在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。在理想的活塞流反應(yīng)器中,水流停留時(shí)間是反應(yīng)器的有效體積與流量之比。停留時(shí)間越長(zhǎng),水受紫外線(xiàn)照射的劑量越大。

        實(shí)際的運(yùn)行中,應(yīng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)作仔細(xì)的分析,根據(jù)所需的消毒要求和流量大小,采取適當(dāng)?shù)念A(yù)處理和確定紫外線(xiàn)照射劑量,選配合適的紫光燈,合理設(shè)計(jì)反應(yīng)器,達(dá)到最優(yōu)化的消毒效果。

3. 紫外線(xiàn)消毒裝置

        紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)可按設(shè)計(jì)方式分為兩種:明渠型或封閉型。明渠型為在溝槽中放置由石英管罩住、加以保護(hù)的紫外線(xiàn)消毒燈而使污水從中流過(guò)的裝置。封閉型則為將石英管罩住的、加以保護(hù)的紫外線(xiàn)消毒燈裝入圓桶形密封的反應(yīng)器中,再與污水管連接的裝置。紫外線(xiàn)燈套在石英管中,跟水流成垂直或水平位置。相對(duì)而言,明渠型比封閉型更容易監(jiān)測(cè)和維護(hù),對(duì)水流阻力也小。在每種系統(tǒng)內(nèi)還應(yīng)包括清洗設(shè)施。在小廠,最方便的方法是人工使用清潔液定期清洗燈罩;大、中型污水廠則可設(shè)置自動(dòng)清洗裝置和清洗池。

        按紫外線(xiàn)消毒燈的照射方式可將紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)分為水下照射式和水面照射式。采用水下照射,紫光燈被套入石英管中加以保護(hù),多層多段的燈管組合可以向四周充分輻射,并加大處理水量,但清洗和維修不便;采用水面照射,紫光燈懸掛于水面上,便于維護(hù)檢修,但受水層厚度的限制較大,處理水量小,且紫外線(xiàn)的利用率不高,易對(duì)環(huán)境和操作人員造成輻射危害。污水處理廠多采用紫外線(xiàn)消毒法的水下式運(yùn)行。

        按紫外線(xiàn)消毒燈的類(lèi)型又可將紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)分為三類(lèi)[9];低壓、低強(qiáng)度系統(tǒng);低壓、中強(qiáng)度系統(tǒng);中壓、高強(qiáng)度系統(tǒng),見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型的紫外線(xiàn)消毒燈

	低壓、低強(qiáng)度	低壓、中強(qiáng)度	中壓、高強(qiáng)度
水銀蒸汽壓力(Pa)	<10	<10	10-100
輸出功率(瓦/燈)	較低	稍高	5000-30000

        各種類(lèi)型的紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的效率也不一樣。低壓型系統(tǒng)因?yàn)橛懈嗟淖贤饩�(xiàn)消毒燈和更長(zhǎng)的接觸時(shí)間,所以水流在反應(yīng)器中的混合比中壓型系統(tǒng)更充分,燈的利用也更好。在中壓型系統(tǒng)中,水流的停留時(shí)間較短,紫外光的分散度更大,所以其效率不如低壓系統(tǒng)。但它的光譜范圍廣,殺菌射線(xiàn)絕對(duì)量較多,燈管數(shù)量少,適用于高濁度排放水和大型污水處理廠。

4. 未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)

        在美國(guó)和加拿大,對(duì)最常見(jiàn)的氯化消毒的污水處理廠而言,越來(lái)越嚴(yán)格的法規(guī)要求使用氯消毒的污水處理廠設(shè)置洗滌和密封系統(tǒng)及脫氯處理設(shè)施,這使得污水廠的處理成本增高。紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)相對(duì)而言安裝費(fèi)用不高,操作費(fèi)用與氯消毒差不多,而且由加氯池改裝為紫外線(xiàn)消毒池也很簡(jiǎn)單,無(wú)需額外的基建設(shè)施。一個(gè)月處理13230m3污水的污水廠,使用紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的費(fèi)用大約為10萬(wàn)美元,而使用氯消毒和脫氯處。

        理系統(tǒng)的費(fèi)用為20萬(wàn)美元。美國(guó)過(guò)去5年中,紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的應(yīng)用或由氯消毒轉(zhuǎn)換為紫外線(xiàn)消毒的迅速增加就是證明,而這種發(fā)展趨勢(shì)將在以后的十年中繼續(xù)保持。

        我國(guó)在紫外線(xiàn)消毒污水方面的研究還不多,紫外線(xiàn)消毒污水的應(yīng)用也僅限于部分醫(yī)院污水和工廠廢水的處理,至今還沒(méi)有應(yīng)用于城市生活污水的處理。隨著公眾對(duì)環(huán)保的關(guān)心和對(duì)于化學(xué)藥品消毒的敏感性的增加,人們會(huì)越來(lái)越重視紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用,而紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)將會(huì)以其諸多的優(yōu)點(diǎn)代替加氯消毒系統(tǒng)。紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是它的能耗大和燈管的損耗量大。若采取一系列節(jié)能措施控制運(yùn)行費(fèi)用,改造現(xiàn)有的技術(shù)水平和嚴(yán)格管理,就可以降低這些因素的影響;隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)行,西部豐富的水力水電將使得耗能不成為阻礙紫外線(xiàn)應(yīng)用的因素;而紫外線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也必將克服現(xiàn)有紫外線(xiàn)燈管的缺陷,使其應(yīng)用更為廣泛。

        由此看來(lái),在我國(guó)大力發(fā)展紫外線(xiàn)的污水消毒法,從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的;以它在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)來(lái)帶動(dòng)污水再利用的發(fā)展,也是解決我國(guó)的水資源短缺和水質(zhì)污染問(wèn)題的途徑之一。