紫外线消毒技术在给排水中的应用

陈 健1， 王长生2， 张国占?3， 吴 凡?4， 许 春晖?4?

(1.福建新大陆环保科技有限公司，福建福州 350005；
2.抚顺市排水公司，辽宁抚顺? 113006；
3.保定市城市管理局，河北保定071051；
4.海口市自来水公司， 海南海口 ?570208)

　　摘　要：阐述了紫外线消毒的工作原理、技术特征及其应用成本，此外还分析了影响紫外线消毒效率的各种因素。国外实际应用的数据表明，紫外线消毒在灭菌效率、杀菌广谱性、消毒副产物、系统应用成本等方面均大大优于化学消毒，该技术在给排水方面的应用将大大提高用水安全性。?
　　关键词：用水安全性； 紫外线消毒； 水消毒
　　中图分类号：TU991.25；X703.1
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)07-0029-03

　　到目前为止，西方发达国家已在污水处理厂安装了近4000套大型紫外线消毒系统，应用该技术的厂家约占污水处理厂总数的10%。同时，至2001年底已有2000多家自来水厂采用了紫外消毒技术，占自来水厂总数的10%以上，并且大量的紫外消毒技术改造工程正在进行之中。?
　　紫外线一般被分为三个不同波段：紫外C(200～280 nm)、紫外B(280～315 nm)和紫外A(315～400 nm)，其中紫外C(UVC)的杀菌效果最好。
　　紫外线杀菌与化学消毒剂杀菌不同，它不是通过得失电子的氧化还原反应进行，而是通过由紫外光子辐射导致的光化学反应来进行。紫外灯在260 nm附近杀菌效率最高，目前生产的紫外灯的最大紫外输出功率在波长为253.7 nm处，该波长在世界顶级紫外灯中已占紫外能量的90% 、总能量的30%以上，由于高强度、高效率的紫外C的存在，紫外技术克服了以往杀菌效率低、消毒水量小、成本高的缺点，已在水消毒领域具有相当的竞争力。?

1 技术特征

1.1 杀菌效果高效广谱
　　 当紫外强度为3×10⁴ μW/cm²时，紫外线杀灭病毒及细菌约需0.1～1s的接触时间、杀灭霉菌孢子需1～8s、杀灭藻类需5～40 s，而氯消毒则需30～60 min的接触时间，臭氧消毒需15～30 min。现代的紫外线消毒装置可以很容易达到(3～30)×10⁴ μW/cm²的光强度(甚至更高)，因此常见细菌、病毒、霉菌、藻类、孢子甚至原生动物都可以被有效杀灭。?
　　氯对常见细菌、病毒的杀菌具有很大的选择性,特别是对各种病毒。臭氧的杀菌选择性比氯好，但是化学消毒因受浓度控制而无法在水中提供可能的大剂量，故对孢子、藻类以及各种原生动物的杀灭效果较差。而紫外线消毒技术对采用化学消毒难以杀灭的病原体都能在几秒或几十秒内100%杀灭。
1.2 消毒副产物
　　对饮用水的氯消毒会产生大量三卤甲烷(THMs)副产物，目前在美国EPA的饮用水标准中有20种以上卤代有机物的含量被严格控制。?
　　在污水消毒中采用氯技术产生的卤代副产物问题将更为严重，以ClO₂消毒虽可解决此问题，但消毒成本大增，故目前西方国家基本上不在市政污水消毒中使用ClO₂。?
　　而紫外线消毒因无需添加化学药品而不存在外来化学药品与水中化合物相互作用的问题。根据目前的文献报道，还没有发现紫外线(特别是在253.7 nm处)在消毒过程中会产生足够量的对人体有害的物质。?
1.3 紫外杀菌动力学
　　在一混合均匀、光程短(d≤1 cm)的水消毒区内，杀菌速率可以用一级近似的光生化反应动力学方程式表示：?
　　　　　　dN／dt=-kIN　　　　（1)?
　　式中 N——微生物活体浓度，个/L?
?　　　　　t——杀菌照射时间，s
?　　　　　I——平均辐照强度，mW/cm²?
?　　　　　k——一级杀灭速率常数，cm²/(mW·s)?
　　对式(1)积分后并取对数得：
　　　　　lg［N／N0］=-KI_t　　　　(2)?
　　式中 ?N₀ ——照射前微生物活体浓度，个/L?
?　　　　 It——紫外C剂量，(mW·s)/cm²?
　　由式(2)可知，紫外线对微生物的杀灭效果与紫外C剂量呈指数关系。大量试验证实，一级反应公式对病毒杀灭率的适用性可达99.999%(也称5个lg)，对细菌杀灭率的适用性也可达到3个lg。必须注意，许多试验证实在一定条件下对细菌、病毒的杀灭并不与紫外剂量呈一级动力学关系，主要表现为在低剂量时杀灭率增加缓慢(滞后)，在过高剂量时也发生相同现象(拖尾)，因此有许多修正的一级方程式或其他动力学方程出现。?

2 成本核算

2.1 投资成本
　　在北美对投资成本的核算主要是参考各种价格指数，但目前还没有一种价格指数完全适用于各种消毒设施。根据经验，在美国最适用于消毒设施的价格指数是ENRCC(Engineering News Record Construction Cost)价格指数,该指数每月更新一次，2001年美国20个城市的平均ENRCC指数为5 820点，因此对文献报道的工程投资额可通过下式核算为现在的投资额：
　　现在投资额=［5820／当年ENRCC指数］×当年投资额　　　　　(3) ?
　　对未来该工程的投资额为：?
　　未来投资额=［未来预测的ENRCC指数／当年ENRCC指数］×当年投资额 　　(4)?
　　表1为1993年美国污水厂采用紫外线消毒与采用氯气+脱氯消毒的投资成本比较(北美法律要求污水如果采用氯气消毒需加SO₂脱氯)。?
　　从表1可见，采用紫外线消毒的投资成本比氯气消毒要低得多，随着处理水量的增大，这种差别逐渐缩小。

表1 污水紫外线消毒与氯消毒投资成本比较 消毒水量(m³/d) 紫外线(A) 氯+脱氯(B) 投资成本比(A∶B) 总投资(美元) 投资成本(美元/m³) 总投资(美元) 投资成本(美元/m³) 3800 115000 30.26 1127000 296.58 1∶9.8 38000 836000 22 3137000 82.55 1∶3.75 380000 6048000 15.92 14340000 37.74 1∶2.37

　　表1中的投资成本与近几年的价格相比高了一些，与我国相比则更高，例如上海闵行水质净化厂的规模为5×10⁴m³/d的紫外线消毒系统的投资为170万元左右(约合20万美元)，还不到国外投资的1/5。?
　　紫外线消毒投资成本比氯消毒低的主要原因之一是土建投资低。氯消毒需要有0.5 h的接触时间，其大面积的接触池(渠)需要大量征地及土建，如规模为5×10⁴m³/d的污水厂需要一个尺寸为130 m×3 m×3 m的接触池，约需征地667m²,土建投资约为300 万元，而采用紫外消毒最多只需征地100 m²,土建投资只需40万元。?
2.2 运行、维修成本
　　紫外线消毒的运行费用主要为电费，维修费用包括更换灯管、镇流器、灯套管的费用及清洗液费用、人工费等。
　　表2为1993年美国污水紫外线消毒系统与氯消毒系统的平均年运行、维护费用比较。

表2 污水紫外线消毒与氯消毒系统的运行、 维护费用比较 毒水量(m³/d) 紫外线(A) 氯+脱氯(B) 成本比(A∶B) 总费用(美元/a) 成本(美元/m³) 总费用(美元/a) 成本(美元/m³) 3785 7900 0.0057 49300 0.036 1∶6.3 37850 67800 0.0049 158200 0.011 1∶2.2 378500 516400 0.0037 660000 0.0048 1∶1.3

　　由表2可见，污水紫外线消毒的运行、维护成本要比氯消毒低。

3 影响杀菌效果的因素

3.1 污水成分
　　表3列举了污水中各种主要指标及成分对紫外线消毒与氯消毒效果的影响。?
　　根据国外的文献报道以及几千座污水厂的运行经验，如果处理后污水的SS≤30 mg/L(即国家二级排放标准)，采用紫外消毒可使大肠菌群量控制在10 000个/L以下，若SS≤10 mg/L，则可有效控制在1 000个/L以下。?

表3 污水各指标及成分对紫外线消毒及氯消毒的影响 项目 紫外线消毒 氯消毒 氨 无或微影响 与氯化合生成氯胺 COD、BOD 无或微影响。但如果腐殖酸或不饱和(共轭键)有机物是COD、BOD的主要成分则会降低UVC的透射率 组成COD、BOD的化学物质会消耗大量的氯。消耗量取决于这些化合物的官能团以及它们的结构硬度影响吸收UVC的金属离子的溶解度，从而导致碳酸盐沉积于灯管上无或微影响 腐殖酸类 强吸收UVC 降低氯的消毒效率 铁离子 强吸收UVC 无或微影响 亚硝酸盐 无或微影响 被氯氧化 硝酸盐 无或微影响 无或微影响 pH值 影响金属离子和碳酸盐的溶解度 影响水中次氯酸盐和亚氯酸盐的比率 SS 吸收和阻挡UVC并包裹细菌 包裹细菌、降低消毒效率

3.2 灯管表面结垢
　　灯管表面结垢会极大地影响紫外线消毒效果。水中的各种悬浮物及溶解性有机物和无机物都会造成灯管表面结垢。?
　　灯管的结垢可以通过定期清洗来解决。最常见的是人工清洗，清洗时需要关灯、停机；另外还有机械或其他在线清洗，不需要关灯、停机。这两种方法都需要定期使用酸性药品。 ?
3.3 无持续杀菌能力
　　紫外线消毒属于物理瞬间消毒技术，没有向水体中添加任何化学药剂，在水体不受污染的条件下可以一直保持无菌状态，但实际上消毒后的水体会再次受到污染，因此经紫外消毒后的 水体必须尽快地使用或排放到江河湖海。?
　　许多国家对自来水采用紫外线再加氯消毒工艺，以保证自来水在市政管网内不受二次污染。

4 结语

　　紫外线消毒技术由于具有不对水体产生污染、操作系统安全、投资运营成本低以及杀菌效率高等优点，在西方国家已成为给排水领域的主要消毒技术。我国在该项目上落后国外近20年，因此研究大型紫外线消毒设备及工程系统并应用于中水回用、污水排放 以及自来水等领域，将对提高我国的用水安全性具有重大意义。

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　　收稿日期：2002-04-15