紫外線消毒技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用
引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人口的不斷增加,水源污染和水資源枯竭的問題日益嚴(yán)重,而人們對(duì)高質(zhì)量的生活用水和飲用水的需求卻與日俱增。為了確保這些用水的質(zhì)量和數(shù)量,需要開發(fā)新的水源和采用先進(jìn)的水凈化工藝和技術(shù)。
城市污水經(jīng)過處理后回用,成功地解決了給水排水工程中的水源開發(fā)和再利用問題。由于污水就近可得,水質(zhì)、水量相對(duì)穩(wěn)定,而且污水回用后還可以減少水污染。因此,水質(zhì)凈化工作具有深遠(yuǎn)的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。消毒是污水處理廠處理工藝的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外普遍采用的出水消毒技術(shù)有氯消毒(如次氯酸鹽、氯氣等),二氧化氯消毒等化學(xué)消毒方法。從工藝的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行管理的難易、消毒可靠性等方面考慮,許多工藝都有缺陷。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)證明,雖然氯氣和次氯酸鹽等消毒技術(shù)的成本都很低,但這些處理工藝對(duì)人體健康和環(huán)境產(chǎn)生了危害。在水處理中使用這些化學(xué)消毒劑會(huì)在一定程度上形成有害的消毒副產(chǎn)物,特別是水中的余氯會(huì)嚴(yán)重影響水生生物的生長(zhǎng)繁殖。因此,人們?cè)谂ふ夷苡行缁钏杏泻ξ⑸锏奈锢硐痉椒。隨著研究的不斷深入,紫外線消毒對(duì)水中細(xì)菌和病毒去除效果逐漸得到水處理界和廣大用戶的公認(rèn)。
1 紫外線消毒原理及其特點(diǎn)
1.1 紫外線消毒原理
輻射光分為三個(gè)區(qū)域波長(zhǎng)在380~780nm之間是可見區(qū);小于380nm的是紫外區(qū);大于780nm的是紅外區(qū)。紫外線是一種肉眼不可見的光線,通常將波長(zhǎng)在200nm以上的光都稱為紫外線,紫外輻射對(duì)生物、微生物具有特殊的作用。紫外線依生物效應(yīng)的不同可分為三類,即弱效應(yīng)波長(zhǎng)(UV-A,320~400nm,對(duì)生物影響不大),強(qiáng)效應(yīng)波長(zhǎng)(UV-B,280~320nm,對(duì)生物有殺傷作用)和超強(qiáng)效應(yīng)波長(zhǎng)(UV-C,200~280nm,屬滅生性輻射)。
紫外線輻射使生物失去活性,是由于吸收了光而發(fā)生了光化反應(yīng),這些反應(yīng)改變了細(xì)胞機(jī)能的基本組成成分。紫外線之所以能殺菌,是因?yàn)樽贤饩能破壞微生物細(xì)胞中的脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),DNA和RNA對(duì)紫外線中波長(zhǎng)為255~260nm光波最靈敏,且具有最大的吸收作用。紫外線穿透微生物的細(xì)胞壁,能量與核酸及其它重要的細(xì)胞成分反應(yīng),細(xì)胞在DNA鏈上的相鄰的胸腺嘧啶將相互糾纏,新的二聚物會(huì)阻礙RNA(核糖核酸)鏈上正確的DNA遺傳代碼復(fù)制,RNA是信息的傳遞者,其功能是傳遞DNA碼至細(xì)胞的不同部分。由于RNA傳遞功能喪失,最終導(dǎo)致細(xì)胞功能衰退而死亡,從而達(dá)到消毒殺菌的目的。由于紫外線對(duì)DNA的破壞力強(qiáng),所以對(duì)任何微生物(細(xì)菌、真菌、病毒等)都具有明顯的殺傷效果。有充分證據(jù)證明,只要提供足夠劑量的紫外線能量,對(duì)于水中滅菌來說,無論什么程度的滅菌要求,紫外線都是可以達(dá)到的。
1.2 紫外線消毒的特點(diǎn)
(1)紫外線殺菌消毒可靠,殺菌范圍寬,對(duì)任何微生物細(xì)菌都有殺滅效果,特別是對(duì)病毒的滅活效果比藥物殺菌效率更強(qiáng)。處理時(shí)間短,僅需數(shù)秒就能殺滅細(xì)菌和病毒,防止病菌,病毒和病原體的大量繁殖。
(2)不向水中投加任何化學(xué)藥劑,無化學(xué)污染風(fēng)險(xiǎn),從而也減少了操作者處理有害化學(xué)品的危險(xiǎn);不改變水的成分和結(jié)構(gòu),不會(huì)導(dǎo)致腐蝕性物質(zhì)的產(chǎn)生,不產(chǎn)生任何有毒有害副產(chǎn)物和殘留物。隨著人口的增長(zhǎng),污水回用于灌溉及其它用途的需求越來越大,特別是在水資源本來并不豐富的地區(qū)。如果有一種殺菌系統(tǒng)可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行保護(hù),那么水的回用就會(huì)成為一種積極安全的水源保護(hù)方法,不含化學(xué)劑的物理消毒———紫外光技術(shù),是已被廣泛認(rèn)可和接受的環(huán)保型污水處理技術(shù)。紫外線消毒的這一特點(diǎn)將會(huì)是在未來得到廣泛的應(yīng)用。
(3)反應(yīng)時(shí)間短,使占用空間更小;裝置簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),運(yùn)行管理簡(jiǎn)便,綜合費(fèi)用低。
2 與液氯、二氧化氯消毒的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較
2.1 與液氯消毒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
氯與水反應(yīng)時(shí)生成次氯酸(HOCl)和鹽酸(HCl)。次氯酸是體積很小的中性分子,具有較強(qiáng)的滲透力,可以擴(kuò)散到帶有負(fù)電荷的細(xì)菌表面,穿透細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部,破壞其酶系統(tǒng),致細(xì)菌死亡。對(duì)病毒而言,氯主要是對(duì)核酸破壞的致死性作用。氯化法消毒應(yīng)用最廣,這是因?yàn)橛寐认練v史較長(zhǎng),經(jīng)驗(yàn)較多;處理水量較大時(shí),單位水體的處理費(fèi)用較低。但城市生活污水中含有大量的有機(jī)物,經(jīng)氯消毒后,會(huì)生成鹵化有機(jī)物等消毒副產(chǎn)物,隨污水進(jìn)入地面水體,污染水源,并對(duì)魚類等水生生物產(chǎn)生毒害作用。
以3×104m3/d城市污水處理廠為例,液氯與紫外線消毒經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1。電價(jià)按0.49元/kW•h ,燈管使用壽命為12 000h/支。從表1可以看出,紫外線消毒的一次性投資要高出液氯消毒約150萬元人民幣,但液氯的年運(yùn)行費(fèi)用要高出紫外線消毒約77萬元。
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經(jīng)過2 a年運(yùn)行之后,紫外線消毒與液氯消毒的一次投資與運(yùn)行費(fèi)用之和基本持平,之后每年紫外線消毒要比液氯消毒節(jié)約77萬元;
環(huán)境與社會(huì)效益上,液氯消毒產(chǎn)生的有害物質(zhì)將對(duì)水環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不良影響。
2.2 與二氧化氯消毒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
二氧化氯是廣譜型消毒劑,其氧化能力是氯的25倍。對(duì)水中的病原微生物包括病毒、芽孢、真菌、致病菌及肉毒桿菌均有很高的滅活效果,有剩余消毒能力。二氧化氯在控制THMs的形成和減少總有機(jī)鹵方面,與氯相比具有優(yōu)越性二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也較強(qiáng)。
制備二氧化氯的起始原料有氯酸鈉或亞氯酸鈉,一般都由亞氯酸鈉與氯反應(yīng)制備。因亞氯酸鈉不能貯存,必須現(xiàn)場(chǎng)制取及時(shí)使用,且亞氯酸鈉價(jià)格昂貴,成本較高,且僅有20%二氧化氯在消毒過程中有效。當(dāng)反應(yīng)不完全時(shí),自由性氯同樣會(huì)與有機(jī)物反應(yīng),可能生成THMs。二氧化氯發(fā)生器規(guī)模較小,如何運(yùn)用于加氯量較大的污水處理廠成為一個(gè)問題。
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以3×104m3/d污水處理廠為例,二氧化氯與紫外線消毒經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2。電價(jià)按0.49元/kW•h ,燈管使用壽命為12 000h/支。從表2可以看出,紫外線消毒的一次性投資要高出二氧化氯消毒約40.5萬元人民幣,但二氧化氯(復(fù)合)的年運(yùn)行費(fèi)用要高出紫外線消毒法49.2萬元,二氧化氯(純)要高出紫外線消毒法93.1萬元;
經(jīng)過不到1a運(yùn)行之后,紫外線消毒與二氧化氯消毒的一次性投資與運(yùn)行費(fèi)用之和基本持平,之后每年紫外線消毒要比二氧化氯消毒節(jié)約49.2(或93.1)萬元。
3 紫外線消毒技術(shù)在國(guó)內(nèi)外污水處理中的應(yīng)用
UV消毒法最早應(yīng)用于美國(guó)(1970年美國(guó)環(huán)保局完成第一個(gè)污水紫外線消毒的示范工程),現(xiàn)已在美國(guó)、加拿大普遍應(yīng)用。據(jù)報(bào)道,1985年美國(guó)的污水廠中僅有50座采用了UV消毒,并且其中大部分處理水量相當(dāng)?shù)?≤3.785×104m3/d);到1990年已經(jīng)超過500座,而且處理能力有相當(dāng)大的提高(>3.785×104m3/d);1995年已經(jīng)有1 500座污水處理廠采用了UV消毒。目前加拿大的魁北克省擁有最大的污水UV消毒設(shè)施,處理能力達(dá)到7.42×105m3/d。
近年來一些污水處理廠將原有的氯消毒系統(tǒng)改造成為紫外線消毒系統(tǒng),譬如美國(guó)新罕布什爾州、得克薩斯州、俄亥俄州等地的污水處理廠。因?yàn)閁V消毒接觸時(shí)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(tǒng)。
大多數(shù)紫外線裝置利用傳統(tǒng)的低壓紫外燈技術(shù),但是國(guó)產(chǎn)紫外線燈輻射強(qiáng)度小、壽命短。紫外線光源的選擇是決定UV消毒器處理效果的關(guān)鍵問題之一。目前國(guó)產(chǎn)的紫外線低壓汞燈執(zhí)行直管型石英紫外線低壓汞消毒燈的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YY/T0160-94),功率一般為30~40W,強(qiáng)度為0.9~1.0 W/m2,有效壽命一般為1 000~3 000h,而進(jìn)口低壓燈管的有效運(yùn)行時(shí)間可達(dá)8 000~12 000h,中壓燈管的有效運(yùn)行時(shí)間可達(dá)5 000~6 000 h。與國(guó)外相比,使用國(guó)產(chǎn)的低壓汞燈的消毒器會(huì)增加運(yùn)行成本及維修費(fèi)用。同時(shí)這也制約了我國(guó)紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用。因此亟需研究制造高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命的紫外線燈。
國(guó)內(nèi)研究、生產(chǎn)和應(yīng)用污水UV消毒器者為數(shù)尚少。天津大學(xué)的顧平等人以天津紀(jì)莊子污水處理廠的深度處理出水為研究對(duì)象,進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn),確定了紫外線劑量與細(xì)菌滅活率之間的關(guān)系,并設(shè)計(jì)出能產(chǎn)生紊流的UV消毒器。但此紫外線消毒器缺乏自動(dòng)清洗功能。當(dāng)污水流經(jīng)UV消毒器時(shí),有許多無機(jī)物雜質(zhì)會(huì)沉淀、粘附在套管外壁上,尤其是當(dāng)污水中有機(jī)物含量較高時(shí)更容易形成污垢膜,而且微生物易生長(zhǎng)形成生物膜,這些都會(huì)抑制紫外線的透射,影響消毒效果。為了避免影響紫外線透過率,需要定期清洗石英套管上粘附的雜質(zhì),石英套管外壁的清洗工作是運(yùn)行和維修的關(guān)鍵。
國(guó)外的UV消毒器中有的內(nèi)置文丘里氣動(dòng)沖洗裝置,可以自動(dòng)清洗套管及筒體內(nèi)部,操作簡(jiǎn)單。國(guó)產(chǎn)UV消毒器缺乏這一功能,相比之下增加了管理費(fèi)用。因此,需要進(jìn)一步研究不同水質(zhì)下的清洗周期,開發(fā)具有自動(dòng)清洗功能的紫外線消毒器。
4 結(jié)束語
經(jīng)過紫外線消毒的污水可以在很多領(lǐng)域再利用,以實(shí)現(xiàn)污水資源化。譬如將其用于灌溉農(nóng)田、林地和草坪等,可避免化學(xué)消毒劑對(duì)植物的影響;用地下水回灌,可以防止微生物對(duì)化學(xué)消毒劑產(chǎn)生適應(yīng)性而再度繁殖造成的地層堵塞。隨著對(duì)UV消毒機(jī)理的深入研究、紫外線消毒技術(shù)的不斷發(fā)展以及消毒裝置在設(shè)計(jì)上的日臻完善,UV消毒法有望成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)氯化消毒的主要方法之一。
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