紫外線消毒工藝與應用概況
20世紀70年代以后，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的氯消毒會產(chǎn)生致畸、致癌、致突變的鹵代烷等副產(chǎn)物，而UV消毒法則具有不投加化學藥劑、不增加水的嗅和味、不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物、消毒速度快、效率高、設備操作簡單、便于運行管理和實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，近20年來逐漸得到廣泛應用。
1 消毒原理
根據(jù)生物效應的不同，將紫外線按照波長劃分為四個部分：A波段(UV—A)，又稱為黑斑效應紫外線(400～320nm)；B波段(UV—B)，又稱為紅斑效應紫外線(320～275nm)；C波段(UV—C)，又稱為滅菌紫外線(275～200nm)；D波段(UV—D)，又稱為真空紫外線(200～10nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外線。
研究表明，紫外線主要是通過對微生物(細菌、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，從而達到消毒的目的。紫外線對核酸的作用可導致鍵和鏈的斷裂、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制，這種紫外線損傷也是致死性損傷。
2 UV消毒器的結構形式
UV消毒器按水流邊界的不同分為敞開式和封閉式。
2.1 敞開式系統(tǒng)
在敞開式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流經(jīng)UV消毒器并滅活水中的微生物。敞開式系統(tǒng)又可分為浸沒式和水面式兩種。
浸沒式又稱為水中照射法，其典型構造如圖1所示。將外加同心圓石英套管的紫外燈置入水中，水從石英套管的周圍流過，當燈管(組)需要更換時，使用提升設備將其抬高至工作面進行操作。該方式構造比較復雜，但紫外輻射能的利用率高、滅菌效果好且易于維修。
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系統(tǒng)運行的關鍵在于維持恒定的水位，若水位太高則燈管頂部的部分進水得不到足夠的輻射，可能造成出水中的微生物指標過高；若水位太低則上排燈管暴露于大氣之中，會引起燈管過熱并在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外線的輻射。圖1中采用自動水位控制器(滑動閘門)來控制水位。在自動化程度要求不高的系統(tǒng)中，也可以采用固定的溢流堰來控制水位。
水面式又稱為水面照射法，即將紫外燈置于水面之上，由平行電子管產(chǎn)生的平行紫外光對水體進行消毒。該方式較浸沒式簡單，但能量浪費較大、滅菌效果差，實際生產(chǎn)中很少應用。
2.2 封閉式系統(tǒng)
封閉式UV消毒器屬承壓型，用金屬筒體和帶石英套管的紫外線燈把被消毒的水封閉起來，結構形式如圖2所示。
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筒體常用不銹鋼或鋁合金制造，內(nèi)壁多作拋光處理以提高對紫外線的反射能力和增強輻射強度，還可根據(jù)處理水量的大小調(diào)整紫外燈的數(shù)量。有的消毒器在筒體內(nèi)壁加裝了螺旋形葉片以改變水流的運動狀態(tài)而避免出現(xiàn)死水和管道堵塞，所產(chǎn)生的紊流以及葉片鋒利的邊緣會打碎懸浮固體，使附著的微生物完全暴露于紫外線的輻射中，提高了消毒效率 。
封閉式也劃分為敞開式和浸沒式。敞開式消毒器適用于中、大水量處理，多用于污水處理廠。封閉式消毒器一般適用于中、小水量處理或有必要施加壓力且消毒器不能在明渠中使用的情況。
各種系統(tǒng)中外罩密封石英套管的紫外線燈管都可以與水流方向垂直或平行布置。平行系統(tǒng)水力損失小、水流形式均勻，而垂直系統(tǒng)則可以使水流紊動，提高消毒效率。
3 應用概況
UV消毒法最早應用于美國(1970年美國環(huán)保局完成了第一個污水紫外線消毒的示范工程)，現(xiàn)已在美國和加拿大普遍應用。據(jù)報道，1985年美國的污水廠中僅有50座采用了UV消毒，并且其中大部分處理水量相當?shù)?＜3.785×103m3/d)；到1990年已超過500座，而且處理能力有相當大的提高(＞3.785×104m3/d)；1995年已有1500座污水處理廠采用了UV消毒。目前加拿大的魁北克省擁有最大的污水UV消毒設施，處理能力達到7.42×105m3/d。
近年來，一些污水廠將原有的氯消毒系統(tǒng)改造成為紫外線消毒系統(tǒng)，譬如美國新罕布什爾州、得克薩斯州、俄亥俄州等地的污水廠。因為UV消毒接觸時間短、占用的空間小，故完全可以利用已有的氯接觸池改造成紫外線消毒系統(tǒng)。圖3為具有代表性的污水廠氯消毒改造成UV消毒的俯視圖。
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大多數(shù)紫外線裝置利用傳統(tǒng)的低壓紫外燈技術，也有一些大型水廠采用高強度低壓紫外燈系統(tǒng)和中壓紫外燈系統(tǒng)，由于產(chǎn)生高強度的紫外線可 使燈管數(shù)量減少90%以上，從而縮小了占地面積，節(jié)約了安裝和維修費用，且使UV消毒法對水質(zhì)較差的出水也適用。
國內(nèi)研究、生產(chǎn)和應用污水UV消毒器者為數(shù)尚少。天津大學的顧平等人以天津紀莊子污水處理廠的深度處理出水為研究對象，進行了靜態(tài)和動態(tài)試驗，確定了紫外線劑量與細菌存活率之間的關系，并設計出能產(chǎn)生紊流的UV消毒器。多元水環(huán)保技術產(chǎn)業(yè)(中國)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)水消毒中已有應用，模塊化敞開式消毒器可根據(jù)用戶需求具體設計安裝。煙臺市套子灣污水廠的深度處理采用了敞開式UV消毒工藝，可向城市提供4×104m3/d的工業(yè)回用水，目前運行狀況良好。
4 存在問題及應用前景
4.1 存在問題
、賃V消毒法不能提供剩余的消毒能力，當處理水離開反應器之后，一些被紫外線殺傷的微生物在光復活機制下會修復損傷的DNA分子，使細菌再生。因此，要進一步研究光復活的原理和條件，確定避免光復活發(fā)生的最小紫外線照射強度、時間或劑量。
②石英套管外壁的清洗工作是運行和維修的關鍵。當污水流經(jīng)UV消毒器時，其中有許多無機雜質(zhì)會沉淀、粘附在套管外壁上。尤其當污水中有機物含量較高時更容易形成污垢膜，而且微生物容易生長形成生物膜，這些都會抑制紫外線的透射，影響消毒效果。因此，必須根據(jù)不同的水質(zhì)采用合理的防結垢措施和清洗裝置，開發(fā)研制具有自動清洗功能的UV消毒器。
、勰壳皣a(chǎn)紫外燈執(zhí)行直管型石英紫外線低壓汞消毒燈的國家行業(yè)標準(YY/T0160—94)，燈的最大功率為4W，且有效壽命一般為1000～3000h，而進口低壓燈管的有效運行時間可達8000～12000h，中壓燈管也可達5000～6000h。相比之下，使用國產(chǎn)燈管會增加維修費用，因此，研制生產(chǎn)壽命長的紫外燈或直接引進國外先進的紫外燈生產(chǎn)技術是目前亟待解決的問題。
4.2 應用前景
、俳(jīng)過紫外線消毒的污水可以在很多領域再利用，以實現(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消毒劑對植物的損傷；用于地下水回灌可以防止微生物對化學消毒劑產(chǎn)生適應性而再度繁殖造成的地層堵塞。
、陔S著對UV消毒機理的深入研究、紫外線技術的不斷發(fā)展以及消毒裝置在設計上的日臻完善，UV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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