紫外線消毒技術在污水處理中的應用
摘 要：我國日益突出的城市缺水和水污染問題使得污水回用受到重視,而消毒處理是其中的關鍵。針對污水消毒處理中傳統化學殺菌法的缺點,紫外線消毒法因其安全、易操作、殺菌快速有效的優點而有著廣闊的應用前景。
1. 概況
紫外線消毒法有著悠久的歷史,1910年法國的Cernovdeow和Henvi首次將紫外線用于飲用水消毒,1960年以后,出現了較多的新型、高效的紫外光源,促進了紫外線消毒技術的發展。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,北美地區現有的污水紫外線消毒裝置已達300多座。歐洲目前也積極的開展這方面的研究和實際應用,日本于近幾年也在十幾個污水處理廠安裝了紫外線消毒裝置,進行開發、利用。在中國,人們也接觸到這項技術,一些專家學者進行了這方面的研究、試驗,但由于受到經濟、技術等各種因素的制約以及人們環保意識的淡薄和健康意識的匱乏,紫外線消毒污水的技術在我國還未推廣應用。
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、過氧乙酸)、輻射消毒(如紫外線、γ射線)。表1對常用的氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒和紫外線消毒法的優缺點進行了比較。
表1 常用消毒方法比較
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優點 |
缺點 |
消毒效果 |
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氯Cl2 |
具有余氯的持續消毒作用;藥劑易得,成本較低;工藝簡單,技術成熟;操作簡單,投量準確;不需要龐大的設備 |
原水有機物高時會產有機氯化物(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;運行、管理有一定的危險性 |
能有效殺菌,但殺滅病毒的效果相當差 |
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二氧化氯ClO2 |
具有強烈的氧化作用,不會生成有機氯化物(THMs);除臭、氧化、漂白和脫色;投放簡單、方便;副產物較少;不受pH影響 |
ClO2是不穩定的化合物,對溫度、壓力和光較敏感,遇火花和有機物,易爆炸;不利于大批量制取和運輸,只能就地生產,就地使用;制取設備復雜;操作管理要求高 |
較Cl2殺菌效果好 |
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臭氧O3 |
有強氧化能力,接觸時間短;能除臭、脫色,氧化鐵錳等物質;能除酚,無氯酚味;不產生有毒氯化物;不受pH影響;能增加水中溶解氧 |
臭氧具毒性,不穩定,在水中易分解;易泄漏;操作要求高,設備復雜;制取臭氧的產率低;電能消耗大;基建投資較大;運行成本高 |
殺菌和殺滅病毒的效果均很好 |
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紫外線 |
不需投加任何化學藥品;在水中不生成有害的殘余物質;無臭味;操作安全、簡單,易實現自動化;運行、管理、勞務和維修費用低 |
電耗大;紫外燈管與石英套管需定期更換;對處理水的水質要求較高;無后續殺菌作用 |
消毒效果好;快速簡便 |
從表中可以看出,用二氧化氯、臭氧或氯之類的化學殺菌法,都有化學殘留物,甚至還會產生副作用,危害人體健康,如三鹵甲烷(THMs)。而使用紫外線進行消毒,不會有消毒藥物的殘存和產生有機氯化物等衍生物而引起對水生環境的破壞,實現了安全、衛生程度較高的、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,紫外線消毒法殺菌快速有效,殺菌率高。有實驗表明,在一定的條件下,經紫外線消毒后的污水甚至可以達到我國的生活飲用水衛生標準(≤3個/L)世界衛生組織推薦的飲水質量標準(≤0個/100ml)。
2. 影響紫外線消毒的因素
所謂紫外線消毒,是由紫外線對水進行照射來達到殺菌的目的。微生物細胞中的核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)吸收光譜的范圍在240nm-280nm,對波長255-260nm的紫外線有最大吸收。而紫外線消毒燈所產生的光波的波長恰好在此范圍內。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制、轉錄,封鎖蛋白質的合成;另一方面,產生自由基,可引起光電離,從而導致細胞的死亡,由此達到殺菌的目的。
紫外線消毒的效果是以照射后存活的菌體數量決定的,而它的殺菌能力則是由253.7nm的紫外線的照射劑量所決定的。照射劑量可表示為:
照射劑量(μW•s/cm2)=紫外線強度(μW/cm2)*照射時間(s)
因此紫外線的殺菌效果主要與紫外線燈管的功率、性能,處理水的物理化學性質,反應器的水力條件等因素有關。
2.1 紫外線消毒燈的性能
低壓汞紫外線消毒燈產生的幾乎是純254nm波長的短波紫外線輻射,隨著使用時間的增加,紫外線燈的輻射強度逐漸降低,失去使用價值。有數據表明,國產燈管的有效使用時間一般在3000h以上;國外的燈管的有效使用時間一般都在7500h以上,品質良好的燈管可達8000h。燈管的結垢也會影響紫外線的穿透力,減弱消毒效果。
2.2 處理水的物理化學性質
2.2.1 懸浮固體(SS)
懸浮物可干擾、吸收紫外線,并使其射線量減少,通過遮蔽紫外線隱藏細菌,使之具有保護細菌的作用。當懸浮物濃度增高,殘存細菌數就會增多并引起消毒效果下降。基于100ml水中含有100-200個糞大腸菌群的的消毒要求,有專家就美國和加拿大的紫外線消毒城市污水的二級處理系統,推薦SS應不高于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測定,紫外線的穿透率,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的可溶性化學物質,如果吸收紫外線量增大,殺滅微生物所需的紫外線劑量也必將隨之增大。
2.2.3 微生物的類型和數量
污水消毒側重于殺滅通過水傳播疾病的腸道細菌。紫外線對細菌、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殺死,其次是葡萄球菌屬、鏈球菌屬和細菌芽孢,真菌孢子抵抗力最強,病毒對紫外線的抵抗力比細菌芽孢低。為到達相同的殺菌效果,對紫外線不敏感、耐受力強的微生物,必須采用較大的照射劑量。隨著污水中細菌數量的增加,為達到預期的消毒目的,所需要的紫外線照射劑量亦隨之增加。
2.3 反應器的水力條件
理想的消毒反應器的水流狀態應為: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的充分輻射以及不發生短流現象。理想的活塞流反應器可以保證這樣的水力條件,但真實的消毒器中的水流狀態與理想狀態有很大差異,這種差異使得每個水流質點受到輻射強度不同。美國環保署在1986年的設計手冊中提出,反應器接近理想的活塞流狀態的程度可用它的長寬比AR來表示。反應器的AR值越大,則越接近于活塞流狀態。
水流受到紫外線照射的時間決定于它在反應器中的停留時間。在理想的活塞流反應器中,水流停留時間是反應器的有效體積與流量之比。停留時間越長,水受紫外線照射的劑量越大。
實際的運行中,應對進水水質作仔細的分析,根據所需的消毒要求和流量大小,采取適當的預處理和確定紫外線照射劑量,選配合適的紫光燈,合理設計反應器,達到最優化的消毒效果。
3. 紫外線消毒裝置
紫外線消毒系統可按設計方式分為兩種:明渠型或封閉型。明渠型為在溝槽中放置由石英管罩住、加以保護的紫外線消毒燈而使污水從中流過的裝置。封閉型則為將石英管罩住的、加以保護的紫外線消毒燈裝入圓桶形密封的反應器中,再與污水管連接的裝置。紫外線燈套在石英管中,跟水流成垂直或水平位置。相對而言,明渠型比封閉型更容易監測和維護,對水流阻力也小。在每種系統內還應包括清洗設施。在小廠,最方便的方法是人工使用清潔液定期清洗燈罩;大、中型污水廠則可設置自動清洗裝置和清洗池。
按紫外線消毒燈的照射方式可將紫外線消毒系統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,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,便于維護檢修,但受水層厚度的限制較大,處理水量小,且紫外線的利用率不高,易對環境和操作人員造成輻射危害。污水處理廠多采用紫外線消毒法的水下式運行。
按紫外線消毒燈的類型又可將紫外線消毒系統分為三類[9];低壓、低強度系統;低壓、中強度系統;中壓、高強度系統,見表2。
表2 不同類型的紫外線消毒燈
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低壓、低強度 |
低壓、中強度 |
中壓、高強度 |
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水銀蒸汽壓力(Pa) |
<10 |
<10 |
10-100 |
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輸出功率(瓦/燈) |
較低 |
稍高 |
5000-30000 |
各種類型的紫外線消毒系統的效率也不一樣。低壓型系統因為有更多的紫外線消毒燈和更長的接觸時間,所以水流在反應器中的混合比中壓型系統更充分,燈的利用也更好。在中壓型系統中,水流的停留時間較短,紫外光的分散度更大,所以其效率不如低壓系統。但它的光譜范圍廣,殺菌射線絕對量較多,燈管數量少,適用于高濁度排放水和大型污水處理廠。
4. 未來發展的趨勢
在美國和加拿大,對最常見的氯化消毒的污水處理廠而言,越來越嚴格的法規要求使用氯消毒的污水處理廠設置洗滌和密封系統及脫氯處理設施,這使得污水廠的處理成本增高。紫外線消毒系統相對而言安裝費用不高,操作費用與氯消毒差不多,而且由加氯池改裝為紫外線消毒池也很簡單,無需額外的基建設施。一個月處理13230m3污水的污水廠,使用紫外線消毒系統的費用大約為10萬美元,而使用氯消毒和脫氯處。
理系統的費用為20萬美元。美國過去5年中,紫外線消毒系統的應用或由氯消毒轉換為紫外線消毒的迅速增加就是證明,而這種發展趨勢將在以后的十年中繼續保持。
我國在紫外線消毒污水方面的研究還不多,紫外線消毒污水的應用也僅限于部分醫院污水和工廠廢水的處理,至今還沒有應用于城市生活污水的處理。隨著公眾對環保的關心和對于化學藥品消毒的敏感性的增加,人們會越來越重視紫外線消毒技術在污水處理領域的研究和實際應用,而紫外線消毒系統將會以其諸多的優點代替加氯消毒系統。紫外線消毒系統的主要缺點是它的能耗大和燈管的損耗量大。若采取一系列節能措施控制運行費用,改造現有的技術水平和嚴格管理,就可以降低這些因素的影響;隨著西部大開發的進行,西部豐富的水力水電將使得耗能不成為阻礙紫外線應用的因素;而紫外線技術的發展也必將克服現有紫外線燈管的缺陷,使其應用更為廣泛。
由此看來,在我國大力發展紫外線的污水消毒法,從技術上和經濟上都是可行的;以它在環保方面的優勢來帶動污水再利用的發展,也是解決我國的水資源短缺和水質污染問題的途徑之一。
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