UV消毒法在水處理工藝中的應用前景
UV消毒法以其對廣譜細菌的殺傷力強、設備簡單和不產生有害副產物等特點,具有取代傳統加氯消毒法的吸引力。廢水處理工藝中應用UV的國家,最先是美國,迄今已有20多年的商業運行歷史。最近,美國又在實驗論證亞利桑娜生物圈實驗室和航天飛行廢水回收工藝中,應用UV消毒法的可行性。英國倫敦的飲用水UV消毒預處理裝置,處理能力約達66000 m3/d,是目前世界上最大的UV消毒裝置。英格蘭東部的福克斯頓和多弗供水公司經營的Drellingore泵站,率先安裝由微機控制的井水UV消素系統,以24 000 m3/d的最大處理能力,為5萬用戶供水。蘇格蘭研制成獲準應用的隱孢子卵囊UV殺滅器(CryptokillerWR5000型),用于飲用水或井水管網的在線消毒。
目前,美國和加拿大的城市廢水UV消毒工藝處于世界前列,北美地區現有的廢水UV清毒裝置已達300多座。愛爾蘭的Jersey廢水UV消毒裝置,處理Bellozarme全島的污水,出水的糞便大腸桿菌數為44個/100 mL,現已成功運行4年多。英國南部水業公司(Souther Water)和安吉利娜水業公司(Anglina Water)于1992年安裝了按浴池水質管理標準(EC BWQDS,1976)運行的廢水UV消毒裝置,后者的處理能力達10萬人口當量。其他地區和國家,正在加快水處理工藝中應用UV消毒法的步伐。
1 UV消毒法在水處理工藝中方興未艾的原因
1.1 UV燈技術的發展
老式的兩種UV燈均有不足之處:低壓型的效率雖高,而功率低(一般為6~40 W),僅適用于小流量水處理;中壓型的功率較高,但效率低。
新研制的中壓型UV燈,UV發射率高,UV波長范圍較寬,既能引起氧化反應、又能破壞有機物。據測算,1根新式中壓燈的殺菌效率與40多根老式低壓燈的相當。美國新研制的中壓型脈沖光放電管(Pulsed light discharge),除產生高強度的UV輻射外,還有可見光區的輻射。據稱這種脈沖式輻射的殺菌效率較之穩定的純UV輻射更高。但中壓燈的技術復雜些,所構造的消毒裝置,價格昂貴。
低壓UV燈,產生的幾乎是純254 nm波長的短波UV輻射(常稱之為UV-C),其殺菌力最強。最新研制的長壽命、超高強度的低壓UV燈,被廣泛用于緊湊的多燈UV消毒裝置設計。
1.2 低壓多燈UV消毒裝置設計的優勢
同中壓UV消毒裝置相比較,低壓多燈UV消毒裝置設計有諸多優點:
a•多燈設計的UV輻射強度分布比中央單燈的勻稱。典型情況下,多燈裝置消毒室中任何一點的最低UV輻射強度均在平均強度的60%以上。因此,室壁近處幾乎不會出現消毒盲區,而且層流效應最小(而中壓燈的短室沒計,容易發生層流效應)。目前,投影面積(footprint)為1600 mm×550mm的低壓多燈UV消毒裝置的處理能力可達600m3/h。
b•多燈設計的消毒作用可靠性強,不需要昂貴的備用系統。低壓多燈設計的消毒室,其中每盞燈的故障以及UV輻射的平均強度都能以相應的裝置監視和監測,加上燈的壽命長(平均1萬h),所以燈的故障率低。即使某盞燈出了故障,短波UV輻射的劑量降低較小(約10%),對殺菌率影響很小。
c•低壓燈的總運行費用最小。在短波UV發射率相同的條件下,低壓燈的能量效率約達40%(按電功率計),這比中壓燈高得多。
d•低壓燈是冷運行,燈套管表面沒有高強度UV輻射的烘烤;而中壓燈相反,使燈套管表面易結垢,需要長期、經常性的清垢維護操作。因此,消毒處理污穢水或污水,用低壓燈比用中壓燈有利。
e•低壓燈的電源為市電,用起來像普通照明燈一樣可靠、方便和經濟。由于不需要中、高壓電路和相應的元器件,就格外安全、保險。
最后一點,也是最突出的優點,通過對消毒室幾何形狀和燈數的計算機優化設計,能滿足用戶對多燈UV消毒裝置的特定要求。
1.3 UV消毒裝置產品的商業化
目前,設計制造UV燈元器件和裝置的專業廠商很多僅英國就有多家。它們不僅能設計制造通用的標準產品,還可按用戶的需求和水質管理標準,通過計算機的優化設計為用戶定制不同規格型號的UV消毒裝置及其輔助系統。英國有兩家著名的公司:紫外裝置公司(UV System Ltd)是有30多年歷史、設計制造低壓多燈UV消毒裝置的骨干公司,其產品齊全,小型的用于家庭,大型的用于市政水處理工程;另一家創建于1989年的Triogen公司,瞄準水處理工業的廣闊市場需要,設計制造各種規格型號的低壓和中壓UV消毒裝置。
2 UV消毒法面臨的問題
UV消毒法在水處理工業中的應用推廣,除了要考慮工程經濟學問題外,還有如下值得研究和探討的問題。
2.1 短波UV輻射消毒功效的評價方法
UV輻射消毒功效的正確評價,是決定UV消毒法可否廣泛應用推廣的關鍵。美國推薦過幾種評價方法,其中有NSF55法(全國科學基金會的方法)。歐洲國家則考慮用ONORM法(奧地利標準委員會的方法)。迄今還沒有各國一致認可的評價方法。
2.2 短波UV輻射殺菌的致死劑量
目前,短波UV輻射致死劑量的許多數據均是由實驗室菌株試驗結果外推薦求出的,而野生菌株的生活環境和攝食相關性值得進一步探討。事實上,自然狀態下結塊叢生或吸著于固體顆粒物表面的野生菌株,其致死劑量遠高于實驗室狀態下菌株的致死劑量。化學藥劑消毒過程證實,其致死劑量高出100倍。即使將致死劑量加大100倍,甚至也不能殺死全部的野生菌株。美國自1985年以來,一直在尋求解決這個問題的方法。愛爾蘭的Russell采用超聲波預處理的方法,據說能使結塊叢生或形成生物膜的菌株的殺死效率增大3至16倍。
2.3 影響短波UV輻射消毒功效的因素
研究表明,低壓燈的短波UV輻射消毒功效與燈的工作溫度、水的透明度、UV光的行程和輻射時間,以及水中雜質種類、含量等因素有關。在控制的水流量和最佳工作溫度(20~40℃)下,低壓燈最適用于澄清水的消毒處理。因此,在水處理工藝中應用UV消毒法,應著重考慮原水的透光率和固體懸浮物的含量,必要時應采取有效的澄清或過濾處理措施。
2.4 飲用水UV消毒裝置的小型化
UV消毒法的不足之處,是不像加氯法那樣能提供剩余的消毒效力,以便防止供水管網內發生細菌再生或再污染的問題。倘若能提供價格低廉、性能可靠和易于安裝維修的小型化UV消毒裝置,就可在供水管網末端或用戶家中,對飲用水進行再消毒處理。
綜上所述,隨著對UV消毒機理的深入揭示、UV發射技術的發展和UV消毒裝置設計的臻善,在水處理工藝中,有望以UV消毒法代替傳統的加氯消毒法。
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