紫外線消毒工藝與應用概況 |
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張立成1，傅金祥2 摘 要： 闡述瞭紫外線(UV)消毒滅菌的基本原理、消毒器的結構形式以及國內外應用概況，探討瞭污水采用UV消毒存在的主要問題及改進方向。指出UV消毒法有可能取代傳統的氯化消毒法，尤其在污水再利用工藝中具有廣闊的應用前景。 關鍵詞： 消毒 紫外線 UV消毒器 中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：B 文章編號：1000-4602(2002)02-0038-03 20世紀70年代以後，人們發現傳統的氯消毒會產生致畸、致癌、致突變的鹵代烷等副產物［1］，而UV消毒法則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、便於運行管理和實現自動化等優點，近20年來逐漸得到廣泛應用。 1 消毒原理 根據生物效應的不同，將紫外線按照波長劃分為四個部分：A波段(UV—A)，又稱為黑斑效應紫外線(400～320nm)；B波段(UV—B)，又稱為紅斑效應紫外線(320～275nm)；C波段(UV—C)，又稱為滅菌紫外線(275～200nm)；D波段(UV—D)，又稱為真空紫外線(200～10nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外線。 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。紫外線對核酸的作用可導致鍵和鏈的斷裂、股間交聯和形成光化產物等［2］，從而改變瞭DNA的生物活性，使微生物自身不能復制，這種紫外線損傷也是致死性損傷。 2 UV消毒器的結構形式 UV消毒器按水流邊界的不同分為敞開式和封閉式。 2.1 敞開式系統 在敞開式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流經UV消毒器並滅活水中的微生物。敞開式系統又可分為浸沒式和水面式兩種。 浸沒式又稱為水中照射法，其典型構造如圖1所示［3］。將外加同心圓石英套管的紫外燈置入水中，水從石英套管的周圍流過，當燈管(組)需要更換時，使用提升設備將其抬高至工作面進行操作。該方式構造比較復雜，但紫外輻射能的利用率高、滅菌效果好且易於維修。 系統運行的關鍵在於維持恒定的水位，若水位太高則燈管頂部的部分進水得不到足夠的輻射，可能造成出水中的微生物指標過高；若水位太低則上排燈管暴露於大氣之中，會引起燈管過熱並在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外線的輻射。圖1中采用自動水位控制器(滑動閘門)來控制水位。在自動化程度要求不高的系統中，也可以采用固定的溢流堰來控制水位［4］。 水面式又稱為水面照射法［5］，即將紫外燈置於水面之上，由平行電子管產生的平行紫外光對水體進行消毒。該方式較浸沒式簡單，但能量浪費較大、滅菌效果差，實際生產中很少應用。 2.2 封閉式系統 封閉式UV消毒器屬承壓型，用金屬筒體和帶石英套管的紫外線燈把被消毒的水封閉起來，結構形式如圖2所示。 筒體常用不銹鋼或鋁合金制造，內壁多作拋光處理以提高對紫外線的反射能力和增強輻射強度，還可根據處理水量的大小調整紫外燈的數量。有的消毒器在筒體內壁加裝瞭螺旋形葉片以改變水流的運動狀態而避免出現死水和管道堵塞［6］，所產生的紊流以及葉片鋒利的邊緣會打碎懸浮固體，使附著的微生物完全暴露於紫外線的輻射中，提高瞭消毒效率 。 封閉式也劃分為敞開式和浸沒式。敞開式消毒器適用於中、大水量處理，多用於污水處理廠。封閉式消毒器一般適用於中、小水量處理或有必要施加壓力且消毒器不能在明渠中使用的情況。 各種系統中外罩密封石英套管的紫外線燈管都可以與水流方向垂直或平行佈置［7］。平行系統水力損失小、水流形式均勻，而垂直系統則可以使水流紊動，提高消毒效率。 3 應用概況 UV消毒法最早應用於美國(1970年美國環保局完成瞭第一個污水紫外線消毒的示范工程)，現已在美國和加拿大普遍應用。據報道，1985年美國的污水廠中僅有50座采用瞭UV消毒，並且其中大部分處理水量相當低(＜3.785×103m3/d)；到1990年已超過500座，而且處理能力有相當大的提高(＞3.785×104m3/d)；1995年已有1500座污水處理廠采用瞭UV消毒。目前加拿大的魁北克省擁有最大的污水UV消毒設施，處理能力達到7.42×105m3/d［8、9］。 近年來，一些污水廠將原有的氯消毒系統改造成為紫外線消毒系統，譬如美國新罕佈什爾州、得克薩斯州、俄亥俄州等地的污水廠。因為UV消毒接觸時間短、占用的空間小，故完全可以利用已有的氯接觸池改造成紫外線消毒系統。圖3為具有代表性的污水廠氯消毒改造成UV消毒的俯視圖。 大多數紫外線裝置利用傳統的低壓紫外燈技術，也有一些大型水廠采用高強度低壓紫外燈系統和中壓紫外燈系統［10］，由於產生高強度的紫外線可 使燈管數量減少90%以上［11］，從而縮小瞭占地面積，節約瞭安裝和維修費用，且使UV消毒法對水質較差的出水也適用。 國內研究、生產和應用污水UV消毒器者為數尚少。天津大學的顧平等人［12］以天津紀莊子污水處理廠的深度處理出水為研究對象，進行瞭靜態和動態試驗，確定瞭紫外線劑量與細菌存活率之間的關系，並設計出能產生紊流的UV消毒器。多元水環保技術產業(中國)有限公司研制生產的封閉式消毒器可處理100～500m3/h水量，並且在遊泳池的循環水消毒中已有應用，模塊化敞開式消毒器可根據用戶需求具體設計安裝。煙臺市套子灣污水廠的深度處理采用瞭敞開式UV消毒工藝，可向城市提供4×104m3/d的工業回用水，目前運行狀況良好。 4 存在問題及應用前景 4.1 存在問題 ①UV消毒法不能提供剩餘的消毒能力，當處理水離開反應器之後，一些被紫外線殺傷的微生物在光復活機制下會修復損傷的DNA分子，使細菌再生。因此，要進一步研究光復活的原理和條件，確定避免光復活發生的最小紫外線照射強度、時間或劑量。 ②石英套管外壁的清洗工作是運行和維修的關鍵。當污水流經UV消毒器時，其中有許多無機雜質會沉淀、粘附在套管外壁上。尤其當污水中有機物含量較高時更容易形成污垢膜，而且微生物容易生長形成生物膜，這些都會抑制紫外線的透射，影響消毒效果。因此，必須根據不同的水質采用合理的防結垢措施和清洗裝置，開發研制具有自動清洗功能的UV消毒器。 ③目前國產紫外燈執行直管型石英紫外線低壓汞消毒燈的國傢行業標準(YY/T0160—94)，燈的最大功率為4W，且有效壽命一般為1000～3000h，而進口低壓燈管的有效運行時間可達8000～12000h，中壓燈管也可達5000～6000h。相比之下，使用國產燈管會增加維修費用，因此，研制生產壽命長的紫外燈或直接引進國外先進的紫外燈生產技術是目前亟待解決的問題。 4.2 應用前景 ①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。將其用於灌溉農田、林地和草坪等可避免化學消毒劑對植物的損傷；用於地下水回灌可以防止微生物對化學消毒劑產生適應性而再度繁殖造成的地層堵塞。 ②隨著對UV消毒機理的深入研究、紫外線技術的不斷發展以及消毒裝置在設計上的日臻完善，UV消毒法有望成為代替傳統氯化消毒的主要方法之一。 參考文獻： ［1］周葆珍.飲用水氯化消毒致癌問題［J］.給水排水,1983(3):32-33. ［2］林克椿.生物物理學［M］.武漢：華中師范大學出版社，1999. ［3］朱虹.污水處理水的紫外線消毒［J］.市政工程國外動態，1991，(1):25-26 . ［4］Jon Leech.Technical guide to UV treatment system design［J］.WWT,2000,43(4):21-2 2. ［5］丁南瑚.影響紫外線消毒效果的因素探討［J］.凈水技術,1994，(1):20-24. ［6］ Iranpour R.Hydraulic effects on ultraviolet disinfection:modification of reactor design［J］.Water Environ Res,1999,71(1):114-118. ［7］郭春敏.用紫外線消毒廢水［J］.環境科學,1994，(8):31-32. ［8］Ronnie Russell.The light fantastic or is it［J］.WWT,1996,39(7):26 -27. ［9］饒才鑫.UV消毒法在水處理工藝中的應用前景［J］.環境科學研究,1998,11 (2):63-64. ［10］Harold B Wright.Comparison and validation of UV dose calculations for low-and me dium-pressure mercury arc lamps［J］.Water Environ Res,2000,72(4):439-443. ［11］Ernest R.Disinfection and antimicrobial processes［J］.Water Environ Res,1994,66 (4):361-368. ［12］顧平.回用水紫外線消毒［J］.城市環境與城市生態,1993,6(3):15-20 . 轉自：中國給水排水 |
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