紫外線消毒工藝在水處理中的應用前景
1 前言
在水處理領域中，通常采用氯消毒法。傳統的氯消毒會產生三鹵甲烷等三致物質（致畸、致癌、致突變）。20世紀初，人們發現紫外線消毒法是一種更加安全和有效的方法，其具有不投加化學藥劑、不增加水的嗅和味、不產生有毒有害的副產物、消毒速度快、效率高、設備操作簡單、便于運行管理和實現自動化等優點。1970年美國環境保護署（EPA）完成了第一個污水紫外線消毒的示范工程。此后，在美國、加拿大等北美國家應用紫外線消毒法處理污水開始普及。隨著科學技術的進步和人們自身健康意識的增強，紫外線消毒法在水處理的各個領域都得到了較大的發展。
2 消毒原理
紫外線根據生物效應的不同，按照波長劃分為A、B、C、D四個波段，水處理領域的消毒主要采用的是C波段紫外線。
水的紫外線消毒，是一種光化學效應。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。微生物的核酸分子吸收光譜的范圍是240nm～280nm,對波長260nm的紫外線有最大吸收，而低壓紫外線消毒燈所產生的光波波長其中心輻射波長是253.7nm，正好與之相符合。故此傳統的紫外線消毒系統大多采用低壓高輸出系統。
3 影響紫外線滅菌效率的主要因素
3.1 處理水的性質：處理水的懸浮物（SS）、濁度、色度、PH、溫度以及水中微生物的類型和數量等。
⑴SS SS為紫外線消毒效率的重要影響因素。當進流水SS＞30 mg/l時，隨紫外線反應時間增加或紫外線劑量增加,其大腸桿菌數未明顯驟降;而進流水SS＜30 mg/l，出流水大腸桿菌數大為降低，一般建議進入紫外線消毒工藝的SS小于20mg/l。
⑵濁度和色度 濁度和色度較高會影響紫外線的穿透率，從而降低消毒效率。一般建議進入紫外線消毒系統的水的濁度應小于5度，色度小于15度。
⑶PH PH=5～9時，PH愈高殘菌數愈少。
⑷溫度 隨溫度增加，紫外線消毒效率呈遞減現象。
3.2 紫外光劑量和消毒時間
消毒時間和消毒劑量是紫外線消毒系統設計的重要參數。隨紫外線劑量增加除菌率遞增。系統中微生物失活的程度取決于該微生物吸收到的紫外光劑量，滅活微生物所需劑量與微生物的種類和要求的殺滅率有關，而微生物吸收的劑量與紫外光強度和微生物在紫外線中的曝露時間有關：
紫外光劑量 [J/m2]= 紫外光強度 [W/m2]×曝光時間[s]
紫外光的強度主要取決于以下三點：
(1) 紫外光輸出功率；
(2) 石英套管的潔凈程度；
(3) 污水水質的透光率；
由殺菌所需的紫外光劑量和紫外光燈管的強度可以得出其曝光時間。
3.3 紫外線的消毒能力還與紫外燈照射方式有著直接的聯系，照射方式分水下照射式和水面照射式，目前多采用水下照射式。
4 紫外線消毒法與其它消毒方法比較
目前常見的有五種消毒方法：加氯消毒法，氯胺消毒法，二氧化氯消毒法，臭氧消毒法和紫外線（紫外線）消毒法。前面四種消毒方法均屬于化學消毒法，紫外線消毒法是瞬間物理消毒法。表1對常用五種消毒法的優缺點進行了比較。
表1 紫外線消毒與其余消毒方法的比較
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消毒劑 |
消毒時間 |
消毒副產物 |
費用 |
效果 |
安全性 |
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液氯 |
>30min |
氯仿、鹵乙酸、鹵化腈 |
基建、運行費用較低 |
能有效滅菌，但殺滅病毒的效果差;持久性滅菌效果好 |
氯氣有毒，腐蝕性強，運行、管理有一定危險 |
|
氯胺 |
>30min |
鹵乙酸、氯化腈、溴化腈 |
基建、運行費用較低 |
殺滅病毒的效果差; 持久性滅菌效果是消毒劑中最好的 |
管網腐蝕少于連續氯消毒 |
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二氧化氯 |
10~20min |
亞氯酸鹽、氯酸鹽、有機性副產物 |
基建和安裝費用高，運行費用較低 |
滅菌效果較Cl2好 |
二氧化氯不穩定，強氧化性，有毒性和腐蝕性，只能就地生產，操作管理要求高 |
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臭氧 |
5~10min |
溴酸鹽、醛類物質、酮類物質、羧酸、二溴丙酮腈 |
基建投資較大，運行成本高 |
滅菌和殺滅病毒的效果均很好，無持續性滅菌效果 |
有毒性，強氧化性，操作管理要求高 |
|
紫外線 |
5～10s |
無 |
安裝費用為二氧化氯的50％；運行費用為氯胺的25％（Busseltston 公司） |
消毒效果好，快速簡便， 無持續性滅菌效果 |
紫外線系統為密閉系統，安全性較好 |
由表1可見紫外線消毒在經濟性，運行的安全性、可靠性都有明顯的優勢。
5 應用
紫外線消毒法有著傳統的消毒法所不具有的許多優點，自1910年法國馬賽的一家自來水廠首次運用紫外線消毒工藝以來，紫外線消毒法在飲用水，再生水，生活污水以及工業用水和廢水的消毒處理中被廣泛應用。
5.1 飲用水消毒
飲用水微生物安全性是與人民健康休戚相關的問題。如何有效殺滅細菌和病毒，同時又不產生有毒副產物一直是飲用水消毒的關鍵。紫外線滅菌安全有效，不產生副產物，不改變水的物理化學性質，完全符合飲用水消毒的各項要求。此外飲用水的低濁度使消毒效果較好，故此加拿大和北美的許多飲用水處理廠采用了紫外線消毒系統。一般用封閉型的紫外線消毒系統對飲用水進行終端處理。
5.2 再生水消毒
再生水的消毒，是紫外線污水消毒的另一個重要應用范圍。再生水的特性是低濁度和高紫外線穿透率。出于對氯消毒三致性物質的擔憂和化學藥劑對農作物的危害，美國加州于90 年代初委托美國國家水研究所(NWRl)、美國供水協會(AWWA)和加州戴維斯大學對紫外線消毒技術在廢水再生處理中的應用做了大量研究工作，并最早將紫外線污水消毒技術應用于再生水的消毒處理中。根據美國1998年的一項不完全統計，表明其12個州80家城市污水處理廠采用了紫外線污水消毒技術處理再生水，總處理量約為260萬m3／d。目前世界上最大的使用紫外線消毒技術的再生水處理廠是加州Santa Rosa污水處理廠，處理規模25萬m3／d，該系統為明渠式中壓燈消毒系統。
5.3 生活污水消毒
小型的污水處理站可用封閉型的紫外線消毒系統，對于大型的污水處理而言，多采用明渠式，易于監測和維護。常規二級生化處理后的污水消毒，是紫外線污水消毒應用最為普遍的領域。這類污水TSS一般在10～30 mg／l 紫外穿透率在40％～70％。美國 Valley Creek污水處理廠可消毒227萬m3／d 污水，該紫外線消毒系統是目前世界上最大的紫外線污水消毒系統，采用了明渠式中壓燈消毒技術。對于水質在短時間有變化幅度較大的合流管道溢流污水用紫外線消毒，不僅消毒效果好，而且比加氯消毒在劑量控制上更為可靠和容易。2001年上海閔行水質凈化廠運用紫外線消毒工藝，出水微生物完全達標。
5.4 工業用水和工業廢水的滅菌及消毒
紫外線消毒可用于食品加工用水，水產養殖用水，工業循環冷卻水的消毒、滅菌，還可用于制藥廢水以及醫院廢水等含致病細菌廢水的滅菌處理。福建省水產技術推廣總站使用新大陸環保公司的NLC系列水消毒設備（封閉式系列水消毒設備）在水產苗種培育上的應用，獲得巨大成功，海水魚苗成活率平均提高20-30%，直接經濟凈效益47萬元/年。
6 紫外線消毒的前景展望
6.1 系統自身的優化：
近年來人們對紫外線消毒機理進行了深入研究，紫外線技術的不斷發展，消毒裝置在設計上克服了自身的一些缺點，嘗試使用更有效的參數, 建立更接近于實際情況的動力學模型，日趨完善。較為成功的優化系統為中壓紫外消毒系統。按照功率紫外線燈管可分為低壓和中壓燈管。低壓燈管使用較普遍，但是輸出功率較低，對于大型水廠而言，燈泡的使用量極大，會導致電子系統增加和紫外單元數增加，從而投資和維修的費用也會隨之增加。中壓燈管雖然在253.7nm的輸出功率比例低于低壓燈管，但是在254nm時有更高的多色紫外光譜輸出和較低的恢復，可減少反應器和燈泡的數量，設備和投資則接近低壓系統的費用，作為大型水廠的消毒設備有很大的優越性。
6.2 外部環境的有力支持：
隨著用于減少氯消毒副產物費用的上升，氯化消毒的經濟性下降。現有的氯消毒構筑物改為紫外線消毒構筑物比較簡單，無需額外的基建設施。同時我國的西部地區豐富的水電資源也為紫外線消毒技術的廣泛應用提供了電力支持。目前國產的紫外線消毒設備的價格約為同類型進口設備的一半。在這種外部條件下，紫外線消毒不失為一種低投資，低成本的消毒技術，有著廣闊的發展前景。
6.3 紫外線消毒聯用技術：
紫外線與臭氧、二氧化氯、液氯等消毒劑聯用可增加消毒能力，有效滅菌，又可減少消毒劑的使用量和出水的消毒副產物，大大增加了出水安全性。比起單一的消毒法，聯用技術在經濟性和安全性上都有很大優勢。
6.4 應用領域的不斷拓寬：
世界的水資源的緊張以及國際水質量標準監測的日益嚴格使紫外線消毒技術在污水處理和再生水消毒有著極大的發展潛力。經過紫外線消毒的污水可以在很多領域再利用，以實現污水資源化。經紫外線消毒處理的再生水中的有害物質比常規消毒工藝少，增加了回用水的安全性。煙臺市套子灣污水廠的深度處理就采用了敞開式UV消毒工藝，可向城市提供40000m3/d的工業回用水，目前運行狀況良好。
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