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污水处理中的紫外线消毒技术
浏览: 发布日期:2018-09-29

消毒是水处理中的重要工序,《室外给水设计规范》GBJ13-86(1997年版)中规定:“生活饮用水必须消毒”。《室外排水设计规范》虽没有明确规定,但在2000年6月5日由建设部、国家环境保护总局、科技部联合发出的“关于印发《城市污水处理及污染防治技术政策》的通知(建城[2000]124号)”中规定“为保证公共卫生安全,防治传染性疾病传播,城市污水处理设施应设置消毒设施”。因此污水处理出水的消毒不再是可有可无的了。由于污水中含有大量细菌及病毒,污水处理厂应把好最后一道关,尽可能杀灭致病菌。
1、消毒技术及发展
通常消毒方法可分为物理法和化学法。物理法包括加热、紫外线、γ或X射线照射、分子筛等;化学法主要采用强氧化剂如氯气、二氧化氯、臭氧、高锰酸钾、氯胺、次氯酸等化学药剂。长期以来,由于化学法具有容易实现、成本低的优点,所以使用较多,而液氯作为廉价的消毒剂有着最广泛的应用。
从理论上分析,消毒剂消毒能力的大小取决于单位摩尔物质得电子的能力。因此消毒能力依次为:O3 > ClO2 > ClO- > Cl2 > 氯胺 > KMnO4
从实际使用成本分析由高到低为:KMnO4 > ClO- > O3 > ClO2 > 氯胺 > Cl2。
在上述消毒剂中KMnO4消毒能力差、价格高,工程中很少单独使用;O3,Cl2及ClO-都可以氧化有机物,但ClO2对氨氮无氧化作用。虽然液氯使用最多,但氯气是一种具有强烈刺激性的有毒气体,在运输和使用过程中易发生泄漏和爆炸。由于氯氧化性强,易与水中有机物发生反应,对消毒产生干扰,另外其反应产物卤代烃、氯仿、三氯甲烷、多氯联苯等物质对人畜有毒害,许多还是致癌、致畸、致突变的“三致”物质。现在国际上许多国家和地方政府已限制氯及其衍生物的使用。我国一些地方的环保部门和劳动保护部门也对液氯的使用进行了控制,在目前尚无更经济实用的方法推出前,许多污水厂出水都没有正常的消毒,为此国内二氧化氯消毒技术迅速发展。二氧化氯使用时要现场制备,而且仅有20%二氧化氯在消毒过程中有效。另外,二氧化氯发生器规模较小,如何运用于加氯量较大的污水处理厂成为一个问题。基于上述原因,紫外线消毒技术在污水处理领域开始崭露头角。
紫外线技术早在1900年便已存在,但现在的紫外线技术与过去已是不完全相同了。据统计,过去很少有紫外线消毒运用于污水处理的实力,但到了1995年紫外线消毒技术在美国污水处理中的应用已达5%,并呈逐年上升趋势。近来,由于采用紫外线消毒具有不需投加任何化学药剂,不改变水的成分和结构,消毒时间段,杀菌范围宽效果好的优点,国际上一些对细菌排放有严格要求的地区,大多采用了紫外线消毒。
2、紫外线消毒技术的原理
紫外线是一种肉眼不可见的光线,通常我们将波长在200nm以上的光都成为紫外线,根据不同的波长还可细分为UVA(315-400nm),UVB(280-315nm),UVC(200-280nm)。过量的UVA会导致色素沉积,UVB是色斑和维生素D综合症的致病原因,而UVC最易被DNA(核糖核酸)吸收。紫外线消毒使用的就是UVC。
当病毒细胞经紫外线照射后,波长254nm的紫外线被DNA吸收。细胞在DNA链上的相邻的胸腺嘧啶将相互纠缠,新的二聚物会阻碍RNA(核糖核酸)链上正确的DNA遗传代码复制,RNA是信息的传递者,其功能是传递DNA码至细胞的不同部分。由于RNA传递功能丧失,最终导致细胞功能衰退而死亡,从而达到消毒杀菌的目的。
紫外线消毒灯管类型可分成低压、中压、高压3种,常用的是低压和中压系统。
低压汞灯内为负压,汞呈蒸汽状,中压汞灯内为常压。低压灯按输出能量的不同分为高强度和低强度两类。低强度灯类似于普通的荧光灯,在内部镜头上没有磷涂层。镜头由特殊玻璃制成,因此可以保持较高的紫外线传输率,防止镜头被紫外线晒黑。低压高强度灯是进来用于污水处理中较多的产品,其紫外线转换率比低压低强度灯高4倍。单根功率也达到100W以上。
中压系统没跟灯能耗最高可达5000W,而低压系统每根灯管能耗为65-1500W。处理同样的水量,中压系统与低压系统相比,则需要较少的灯管,水流通过时的水头损失也较小,灯管自清洁系统的费用也较小。但由于中、高压系统发出的波长范围宽,而能被有效利用的只有一小部分,所以能量转换率低(通常只是低压系统的1/2-1/3)能耗大,因此一般只在大型水处理厂中使用。
紫外线消毒效果的好坏与紫外线灯源发出有效波长的能量转换率、紫外线弧长有关,还与灯管和水的透射率以及照射时间有关。现在的高效灯源可发出40%以上的有效光谱,石英灯管的透射率也在90%以上。因此,与传统意义上的紫外线灯已不能相提并论。目前,世界上先进技术生产的灯管寿命已达15000h以上,但价格却降低了不少,从而大大降低了投资及运行成本。
3、紫外线消毒与传统加氯消毒的比较
    紫外线消毒在小型的水处理和灭菌要求较高的医院污水处理中一直有较多的应用。其灭菌范围广、效果好、无需投加化学药剂、使用简便、无二次污染的优点得到广泛的认同。然而昂贵的设备及成本限制了紫外线消毒技术的推广。近年来,随着紫外线消毒技术的不断进步和国际市场竞争的日益激烈,尤其是仅有少数国家才能生产的高技术含量的紫外线灯管价格大幅度下降,紫外线消毒技术已在国外污水处理领域中得到广泛应用。
3.1、投资
紫外线设施的一次投资主要有紫外线消毒渠、紫外线灯架、紫外线灯管、清洗装置、配电装置和控制设备。而液氯消毒系统包括加氯间、加氯接触池、氯库,设备有自动加氯机、氯瓶、电子磅秤、自动切换装置、真空调节器、漏氯检测报警仪、液氯蒸发器、中和装置、通风设备、配电装置和控制设备等。液氯消毒系统的土建和设备均多于紫外线消毒设施。
图1是根据国外统计数据得出的采用液氯消毒和紫外线消毒的投资费用比较。

图1 紫外线-加氯投资比较

从图1可知,当处理水量在10万m³/d以下时,紫外线消毒设备的投资小于液氯消毒系统,若有脱氯要求,则当处理水量小于25万m³/d时,紫外线比液氯消毒经济。
3.2、运行成本
在众多的消毒方法中,液氯消毒一向被认为是最经济的,所以虽然有着许多弊端,仍被广泛使用。液氯消毒的成本主要在于液氯的费用和设备的折旧以及少量的电费。紫外线消毒系统运行成本主要取决于电费和灯管的设备折旧。

图2 紫外线与液氯消毒运行成本比较

图2是根据国外统计数据得出的采用液氯消毒和紫外线消毒的运行成本比较。
目前国内一般中等规模污水处理厂的运行成本如下:液氯消毒为0.02元/m³;次氯酸钠为0.54元/m³;二氧化氯为0.08元/m³;分子筛为0.30元/m³;臭氧消毒为0.10元/m³;上海闵行污水处理厂紫外线消毒:0.016元/m³。由此可见,紫外线消毒处理的运行成本具有一定的优势。
3.3、操作运行
紫外线消毒系统运行中基本上不需人工干预,但如果配备人工清洗系统,须定期将灯管提出消毒渠,浸出清洗槽清洗。而其他消毒工艺在工作过程中需要较多的人工。
液氯消毒系统则需要操作工人现场的监视和劳动,装卸、切换氯瓶等工作必须由人工进行。
3.4、维护管理
由于紫外线消毒系统的高集成度和模块化设计,结构简单,可24h全自动运转,高寿命的元件将维护和管理的工作量大大降低。
液氯消毒系统的设施设备较多,所以日常的维护和管理工作量也较大。
4、紫外线消毒系统的计算
紫外线消毒系统设计主要考虑以下因素:水质、透射率、水量、峰值系数、杀灭率、照射强度、照射时间。
通常先取得需要消毒的水样,测出其水质,包括细菌数、种类、水样透射率等、其次可采用静态或动态的试验得到在设计杀灭率时的紫外线剂量。紫外线剂量可用下式表示:紫外线剂量 = 紫外线密度 * 照射时间。紫外线剂量单位为J/㎡,紫外线密度单位为W/㎡,照射时间单位为s。
在过去,常用理论紫外剂量测算,理论紫外剂量是假定在理想系统中,所有微生物都能接受到同样的紫外线辐射,这时需要的剂量即称为紫外剂量。由于消毒系统设计中常常偏离理想条件,按理论紫外剂量设计的消毒器往往不能保证设计杀灭率。因此,现在常以生物验定剂量(即紫外线消毒器实际能达到的有效紫外线剂量)为设计参数。
加拿大的一个二级污水处理厂出水水样的紫外剂量试验表明:当紫外线剂量在0-15mW s/cm²时,已有微生物功能衰退现象出现,当紫外线剂量 > 30mW s/cm²时,杀菌效果无法进一步提高。这主要是因为污水中大量悬浮固体颗粒的存在屏蔽了紫外线,使与悬浮颗粒结合的微生物得以存活。这是污水处理与给水处理不同的特点。因此,设计的紫外剂量通常<30mW s/cm²。
5、紫外线消毒技术在上海污水处理厂的运用
上海是全最早建有污水处理厂的城市,市区范围内有12座污水处理厂,都建有液氯消毒设施。由于污水所需的消毒剂量较大,通常相当于同等规模自来水厂的5倍,运行成本高,运输和使用都成为问题。另一方面,随着城市迅速发展,上海的污水厂都被周围居民区包围,液氯使用的安全问题成为另一个重要的考虑因素。因此,许多污水厂的消毒系统从建成后就没有很好使用过。闲置多年后,设备均已腐蚀、损坏,很难恢复。
上海市黄埔江水源保护条例制定后,对排入黄浦江的污水有了细菌数量的控制,生活污水处理厂排出的水中,大肠杆菌的数量都在105-106个/L左右,且种类多。由于污水水质的特殊性,杀灭难度较大。
从环境保护的角度考虑,更应减少污水处理厂对环境造成的二次污染。污水中含有大量有机污染物,如苯、酚、氨等。这些物质一方面会干扰消毒过程,消耗消毒剂,还会产生许多致死、致畸、致突变的消毒副产品。为了更有效地杀灭细菌,同时更有效地保障上海市人民的身心健康,对地处上海黄浦江水源保护地的闵行污水处理厂采用先进的紫外线消毒技术。
上海闵行污水处理厂建于1980年,几经扩建已从最初的2.5万m³/d的常规活性污泥工艺改造成5万m³/d的脱氮工艺。闵行污水厂原建有加氯间及加氯接触池,由于运行费用和安全方面的原因,没有很好运转过,设备、设施已很难修复。在改成紫外线消毒时,充分利用了原加氯接触池出水渠(见图3)。

图3 紫外线消毒槽断面示意

闵行污水处理厂紫外线消毒采用的主要设计参数如下:
处理量5万m³/d,峰值流量2875m³/h,BOD 30mg/L,SS 30mg/L,大肠杆菌数1*106个/L,紫外线灯管数300根,单根功率65W,接触时间6s,投射率70%,灯管寿命 >10000h,出水大肠杆菌数3000个/L。
经过一段时间的调试后,出水基本达到要求,2001年3月27日-4月15日实际运行数据见表1。
表1 实际运行数据
日期 流量
万m³/d
进水SS
mg/L
大肠杆菌数
进水/万个/L 出水/个/L
0327下午 5.1   360 5400
0328上午 4.8   90 2300
0328下午 5.0   50 2400
0329上午 5.1   35 3500
0329下午 4.8   90 2300
0330上午 4.7 34 75 2300
0330下午 4.8   60 3000
0331 4.9 20 40 6300
0401 4.7 30 50 4400
0402 5.0 45 40 5300
0403 4.8 13 32 3800
0404上午 5.0 57 43 1300
0404下午 4.8   90 1000
0405上午 5.0 7 45 800
0405下午 4.4   49 600
0406上午 4.8 11 46 1100
0406下午 5.2   43 800
0407 2.6 56 110 500
0408 5.3 30 64 2200
0409上午 5.5 35 55 1000
0409下午 5.5   140 5300
0410 4.6 39 340 2800
0411上午 6.0 30 180 1300
0411下午 5.6   180 1100
0412上午 5.4 17 190 2000
0412下午 5.2   80 1100
0413上午 3.6 37 160 1100
0413下午 5.6   240 1300
0414 4.8 21 450 950
0415 5.3 20 70 1000
平均 4.93 29.5 116.6 2275
6、紫外线消毒技术的评价
闵行污水处理厂紫外线消毒系统经过半年的运行,从厂方和有关卫生检验部门的检测数据看,消毒效果较为理想,达到黄浦江淮水源保护地的排放标准。平均杀灭率达到99.9%。但与国外污水处理厂的消毒效果相比还有一定差距。主要表现在抗冲击负荷和细菌复活两方面。
数据表明,紫外线消毒系统的效果好坏与处理流量和水质密切相关,水量突然增大时,紫外线照射时间段,需要更强的辐射剂量。紫外线系统通常根据最大峰值流量设计,但由于水力负荷大时,出水水质也较平时差,而水质下降势必使透光率下降,因此杀菌率无法保证。
紫外线系统对出水SS值非常敏感,国外出水SS值大多在10mg/L以下,而国内出水SS值通常在20-30mg/L之间。相对来说就需要更强的辐射剂量。闵行污水处理厂采用的是低压低强灯,能耗较小,但单管功率和光强也小,需要的灯管数较多。
为了减少投资,采用了人工清洗的方式。清洗的工作量非常大,每次清洗的周期也较长。
由于紫外线系统是在原加氯接触池基础上改造而成,出水渠较长。测得出水渠末端大肠杆菌数远高于紫外线消毒槽出口处。经分析主要有两方面的原因:紫外线消毒系统后的老渠道内积累细菌较多;紫外线剂量不够,杀灭不彻底,细菌复活。这也是紫外线消毒的一个缺点。
从运行成本分析,电耗仅为0.007元/m³,加上设备折旧、人员工资后,处理成本约为0.016元/m³。
7、结语
    闵行污水处理厂,作为国内第一家建成有紫外线消毒的城市污水处理厂,将为我们积累大量数据和经验。运行半年来的实践证明,紫外线可以替代液氯用于城市污水消毒领域。综合各因素,在选用紫外线系统时宜采用国外先进的低压高强度或中压系统,并带自动清洗装置。紫外线系统的设计非常关键,灯管间距布置合理,尽量避免黑洞的产生,确保消毒效果。相信,在对环保日益重视的今天,紫外线消毒将在我国污水处理领域有着广泛的应用前景。