北碚污水處理廠紫外光消毒系統選型及應用
重慶北碚污水處理廠設計日處理污水量5萬m3／d，于2000年12月建成投入試運行，采用的是改良型氧化溝工藝。起初沒有消毒工藝，后因重慶市水價上漲，為降低城市綠化用水成本和保護嘉陵江水質，污水處理廠增建了紫外光消毒裝置，于2002年3月安裝調試完成，投入正式運行。
紫外光消毒技術是基于現代防疫學、醫學和光動力學的基礎上，利用特殊設計的高效率、高強度和長壽命的C波段紫外光照射流水，將水中各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死，達到消毒的目的。目前，世界上已經安裝運行的大型污水處理廠紫外光消毒裝置有4000多套，其中，最大的是新西蘭曼努高污水處理紫外光消毒裝置，日處理能力為121萬噸（2001年7月）。
1 系統介紹
1.1消毒原理
紫外線分為四個不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB （315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外線（200～100nm）。其中能透過臭氧保護層和云層到達地球表面的只有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（見圖1），可在1s之內通過破壞微生物的DNA結構殺死病毒和細菌，而UVA和UVB由于 處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要數小時才能起到殺菌作用，在實際工程的數秒鐘水力停留（照射）時間內，該部分實際上屬于無效紫外部分。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，一般用半導體行業降解水中的TOC，不用于殺菌消毒。因此，給排水工程中所說的紫外光消毒實際上就是指UVC消毒。
目前能夠輸出足夠的UVC強度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。汞燈根據點亮后的燈管內汞蒸氣壓的不同和UV輸出強度的不同，分為三種：低壓低強度汞燈、中壓高強度汞燈和低壓高強度汞燈。三種光源的波譜圖見圖2～圖4。
 |
 |
 |
 |
殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的。
照射劑量（J／m2）＝照射時間（s）×UVC強度（W／m2）
照射劑量越大，消毒效率越高。由于設備尺寸要求，一般照射時間只有幾秒，因此，燈管的UVC輸出強度就成了衡量紫外光消毒設備性能最主要的參數。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，有可能出現光復活現象，即病菌不能被徹底殺死，當從渠道中流出接受可見光照射后，重新復活，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UVC輸出強度和照射時間一定時，透光率的變化將造成微生物實際接受劑量的變化。
1.2 系統構成
污水處理廠使用的紫外光消毒系統主要包括：（1）紫外燈及鎮流器構成的消毒系統、（2）傳感器與PLC構成的實時調節系統、（3）自動清洗系統和（4）供配電系統。
2 設備選擇
由于目前國內安裝的UVC污水處理消毒裝置較少，許多用戶和設計人員缺乏設備比選的經驗。我們通過北碚污水處理廠UVC消毒裝置的選擇以及隨后的應用研究，積累了一定的經驗，認為應該重點注意以下4個方面。
2.1 燈管的選擇
分 兩個方面。一是單支燈管的UVC輸出強度越高，所需要的燈管數量越少，投資和運行維護費用越低。從圖2～圖4可以看出，高強度汞燈的輸出強度高，優于低強 度汞燈。二是UVC電光轉換效率（253.7 nm），這又分兩個層次。一是燈管消耗的電能轉換為光能的效率，二是光能中253.7 nm波長（即UVC）部分所占的比例。從圖2～圖4可以看出，低壓汞燈的紫外輸出主要集中在253.7 nm，而中壓汞燈的紫外輸出主要集中在366 nm，且中壓汞燈發熱量很大，進一步造成能量浪費，因此，低壓高強度汞燈的電光轉換效率高于中壓高強汞燈。北碚UVC消毒系統的電光轉化效率高達42％。 此外，應選擇質保壽命較長的燈管。
2.2 傳感器及實時調節系統的選擇
污水處理廠水量、水質波動較大， 因此進行UVC輸出強度的實時調節對節約電耗和延長燈管壽命意義重大。這主要通過燈管的可變輸出和傳感器的真實反饋來實現。就傳感器進行真實反饋而言，其位置和波長的選擇性極為重要。有些產品的傳感器放在紫外燈管和石英套管之間，反饋的信號沒有包含被消毒水的透光率變化情況。此外，一些傳感器的波長選擇性 不強，測出的紫外光強度還包含了除253.7nm之外的其他波長的紫外光。能真實反應微生物實際接受的UVC照射強度的傳感器應是放置在水中（與微生物處于同一位置），并且只監測253.7nm波長強度。北碚污水處理廠即采用的這種傳感器，其低壓高強度汞燈在50～100％的范圍內可以實現電耗與UVC輸出的線性自動調整。
2.3 自動清洗系統的選擇
污 水處理廠紫外光消毒系統的清洗系統有人工清洗、自動機械清洗和自動化學清洗三種。由于人工清洗要中斷消毒、工作量大、操作時易損傷燈管，且間隔時間長（自動清洗一般1～2次／小時），無法保證石英套管所必需的最低綜合透光率，因此，除極個別特殊情況外，極少使用。自動清洗系統的選擇與所使用的燈管有關。對于中壓高強度燈管，溫度在600～900℃之間，結垢嚴重，必須采用機械化學清洗。對于低壓高強度燈管，溫度低于110℃，結垢量和速度都遠遠低于中壓高 強燈管，在1～2次／h的清洗頻率內，不會形成結垢。北碚連續10個月的實際運行結果也證明了這一點。
2.4 二次污染及事故污染
正 常運行時的二次污染來自化學清洗系統中的清洗劑。事故情況下的二次污染發生在燈管破損時汞進入水中，以及液壓驅動的自動清洗系統發生泄漏。北碚污水處理廠選用的汞燈使用的是固態汞合金，固定粘附在燈管兩端的突起點，燈管破損時不會象液態汞那樣流到水中，將粘附著汞合金的石英碎片打撈出來即可。而且研究表明 該汞合金在污水中長期浸泡后水中汞的本底濃度未見升高。此外，該系統采用壓縮空氣為動力的自動機械清洗系統，不存在運行期間和事故泄漏造成二次污染的問題。
3 紫外光消毒的局限性
與飲用水UVC消毒（目前世界上最大的UVC飲用水消毒系統安裝在芬蘭的赫爾辛基，18.8萬m3／d）不同的是，污水中由于SS包裹細菌的影響，很難在投資允許的范圍內達到非常嚴格的消毒標準。目前，只有一家紫外光消毒設備制造商的產品得到了的美國加州污水回用標準Title22 of the California Code of Regulations的認可，該標準要求總大腸菌值小于2.2TC／100mL。
4 監測結果
北碚污水處理廠進、出水設計糞大腸菌值為106～108FC／100 mL，實測幾何平均值小于20FC／100mL（見表1）。監測方法采用多管發酵法。
表1 北碚污水處理廠紫外光消毒系統監測結果
|
月份 |
平均進口濃度 （×105 FC/100mL） |
平均出口濃度 （FC/100mL） |
月份 |
平均進口濃度 （×105 FC/100mL） |
平均出口濃度（FC/100mL） |
|
3 |
9.1 |
18 |
7 |
11 |
20 |
|
4 |
8.4 |
12 |
8 |
21 |
32 |
|
5 |
8.9 |
11m |
9 |
7.8 |
15 |
|
6 |
4.3 |
16 |
10 |
11 |
17 |
5 運行成本
裝置總裝機容量：47.3KW。
運行費用合計：0.018元／m3，其中：
能源消耗費： 0.0098元／m3
燈管更換費用：0.0086元／m3
（實際能耗：0.02kWh／m3綜合電價：0.49元／kWh ）
6 結論
（1）紫外光用于城市污水二級處理出水的消毒可以滿足目前國內景觀及綠化用水要求。
（2）該技術具有無二次污染的特點，應用前景廣闊。
（3）能耗低、運行費用低；自動化程度高；維護簡便。
（4）在設備選用方面，低壓高強度紫外燈的綜合技術經濟指標優于中壓高強度紫外燈。
參考文獻：
[1] Liberti L, Lopez A, Notarnicola M, et at. Comparision of advanced disinfection methods for municipal wastewater resue in agriculture[J]. Water Sci. Technol, 2000, 42(1-2): 215-220
[2] Lindenauer K G, Darby J L. Ultraviolet disinfection of wastewater: Effect of dose on subsequent photoreactivation[J]. Water Res, 1994, 28,: 805-807
[3] Log F J, Darby J L, Tchobanoglous G, et al. Ultraviolet disinfection for wastewater resue[M]. Lancaster, Pa.: Technomic Publishing Co. Inc., 1998
[4] 陳建, 萬長生, 張國占, 吳凡, 許春暉. 紫外光消毒技術在給排水中的應用. 中國給水排水. 2002. 18.(7): 29-31
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
