紫外線消毒技術在污水處理中的應用
引言
隨著國民經濟的迅猛發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重,而人們對高質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量和數量,需要開發新的水源和采用先進的水凈化工藝和技術。
城市污水經過處理后回用,成功地解決了給水排水工程中的水源開發和再利用問題。由于污水就近可得,水質、水量相對穩定,而且污水回用后還可以減少水污染。因此,水質凈化工作具有深遠的環境效益、社會效益和經濟效益。消毒是污水處理廠處理工藝的最后一個環節。國內外普遍采用的出水消毒技術有氯消毒(如次氯酸鹽、氯氣等),二氧化氯消毒等化學消毒方法。從工藝的經濟性、運行管理的難易、消毒可靠性等方面考慮,許多工藝都有缺陷。當代科學技術證明,雖然氯氣和次氯酸鹽等消毒技術的成本都很低,但這些處理工藝對人體健康和環境產生了危害。在水處理中使用這些化學消毒劑會在一定程度上形成有害的消毒副產物,特別是水中的余氯會嚴重影響水生生物的生長繁殖。因此,人們在努力尋找能有效滅活水中有害微生物的物理消毒方法。隨著研究的不斷深入,紫外線消毒對水中細菌和病毒去除效果逐漸得到水處理界和廣大用戶的公認。
1 紫外線消毒原理及其特點
1.1 紫外線消毒原理
輻射光分為三個區域波長在380~780nm之間是可見區;小于380nm的是紫外區;大于780nm的是紅外區。紫外線是一種肉眼不可見的光線,通常將波長在200nm以上的光都稱為紫外線,紫外輻射對生物、微生物具有特殊的作用。紫外線依生物效應的不同可分為三類,即弱效應波長(UV-A,320~400nm,對生物影響不大),強效應波長(UV-B,280~320nm,對生物有殺傷作用)和超強效應波長(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生了光化反應,這些反應改變了細胞機能的基本組成成分。紫外線之所以能殺菌,是因為紫外線能破壞微生物細胞中的脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),DNA和RNA對紫外線中波長為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胞壁,能量與核酸及其它重要的細胞成分反應,細胞在DNA鏈上的相鄰的胸腺嘧啶將相互糾纏,新的二聚物會阻礙RNA(核糖核酸)鏈上正確的DNA遺傳代碼復制,RNA是信息的傳遞者,其功能是傳遞DNA碼至細胞的不同部分。由于RNA傳遞功能喪失,最終導致細胞功能衰退而死亡,從而達到消毒殺菌的目的。由于紫外線對DNA的破壞力強,所以對任何微生物(細菌、真菌、病毒等)都具有明顯的殺傷效果。有充分證據證明,只要提供足夠劑量的紫外線能量,對于水中滅菌來說,無論什么程度的滅菌要求,紫外線都是可以達到的。
1.2 紫外線消毒的特點
(1)紫外線殺菌消毒可靠,殺菌范圍寬,對任何微生物細菌都有殺滅效果,特別是對病毒的滅活效果比藥物殺菌效率更強。處理時間短,僅需數秒就能殺滅細菌和病毒,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藥劑,無化學污染風險,從而也減少了操作者處理有害化學品的危險;不改變水的成分和結構,不會導致腐蝕性物質的產生,不產生任何有毒有害副產物和殘留物。隨著人口的增長,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。如果有一種殺菌系統可以對水質進行保護,那么水的回用就會成為一種積極安全的水源保護方法,不含化學劑的物理消毒———紫外光技術,是已被廣泛認可和接受的環保型污水處理技術。紫外線消毒的這一特點將會是在未來得到廣泛的應用。
(3)反應時間短,使占用空間更小;裝置簡單、經濟,運行管理簡便,綜合費用低。
2 與液氯、二氧化氯消毒的經濟技術比較
2.1 與液氯消毒的技術經濟比較
氯與水反應時生成次氯酸(HOCl)和鹽酸(HCl)。次氯酸是體積很小的中性分子,具有較強的滲透力,可以擴散到帶有負電荷的細菌表面,穿透細胞壁進入細菌內部,破壞其酶系統,致細菌死亡。對病毒而言,氯主要是對核酸破壞的致死性作用。氯化法消毒應用最廣,這是因為用氯消毒歷史較長,經驗較多;處理水量較大時,單位水體的處理費用較低。但城市生活污水中含有大量的有機物,經氯消毒后,會生成鹵化有機物等消毒副產物,隨污水進入地面水體,污染水源,并對魚類等水生生物產生毒害作用。
以3×104m3/d城市污水處理廠為例,液氯與紫外線消毒經濟指標如表1。電價按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,但液氯的年運行費用要高出紫外線消毒約77萬元。
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經過2 a年運行之后,紫外線消毒與液氯消毒的一次投資與運行費用之和基本持平,之后每年紫外線消毒要比液氯消毒節約77萬元;
環境與社會效益上,液氯消毒產生的有害物質將對水環境和人體健康產生不良影響。
2.2 與二氧化氯消毒的技術經濟比較
二氧化氯是廣譜型消毒劑,其氧化能力是氯的25倍。對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鹵方面,與氯相比具有優越性二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也較強。
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制備。因亞氯酸鈉不能貯存,必須現場制取及時使用,且亞氯酸鈉價格昂貴,成本較高,且僅有20%二氧化氯在消毒過程中有效。當反應不完全時,自由性氯同樣會與有機物反應,可能生成THMs。二氧化氯發生器規模較小,如何運用于加氯量較大的污水處理廠成為一個問題。
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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濟指標如表2。電價按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(復合)的年運行費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;
經過不到1a運行之后,紫外線消毒與二氧化氯消毒的一次性投資與運行費用之和基本持平,之后每年紫外線消毒要比二氧化氯消毒節約49.2(或93.1)萬元。
3 紫外線消毒技術在國內外污水處理中的應用
UV消毒法最早應用于美國(1970年美國環保局完成第一個污水紫外線消毒的示范工程),現已在美國、加拿大普遍應用。據報道,1985年美國的污水廠中僅有50座采用了UV消毒,并且其中大部分處理水量相當低(≤3.785×104m3/d);到1990年已經超過500座,而且處理能力有相當大的提高(>3.785×104m3/d);1995年已經有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消毒設施,處理能力達到7.42×105m3/d。
近年來一些污水處理廠將原有的氯消毒系統改造成為紫外線消毒系統,譬如美國新罕布什爾州、得克薩斯州、俄亥俄州等地的污水處理廠。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。
大多數紫外線裝置利用傳統的低壓紫外燈技術,但是國產紫外線燈輻射強度小、壽命短。紫外線光源的選擇是決定UV消毒器處理效果的關鍵問題之一。目前國產的紫外線低壓汞燈執行直管型石英紫外線低壓汞消毒燈的國家行業標準(YY/T0160-94),功率一般為30~40W,強度為0.9~1.0 W/m2,有效壽命一般為1 000~3 000h,而進口低壓燈管的有效運行時間可達8 000~12 000h,中壓燈管的有效運行時間可達5 000~6 000 h。與國外相比,使用國產的低壓汞燈的消毒器會增加運行成本及維修費用。同時這也制約了我國紫外線消毒技術的應用。因此亟需研究制造高強度、長壽命的紫外線燈。
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,進行了靜態和動態試驗,確定了紫外線劑量與細菌滅活率之間的關系,并設計出能產生紊流的UV消毒器。但此紫外線消毒器缺乏自動清洗功能。當污水流經UV消毒器時,有許多無機物雜質會沉淀、粘附在套管外壁上,尤其是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。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,石英套管外壁的清洗工作是運行和維修的關鍵。
國外的UV消毒器中有的內置文丘里氣動沖洗裝置,可以自動清洗套管及筒體內部,操作簡單。國產UV消毒器缺乏這一功能,相比之下增加了管理費用。因此,需要進一步研究不同水質下的清洗周期,開發具有自動清洗功能的紫外線消毒器。
4 結束語
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。譬如將其用于灌溉農田、林地和草坪等,可避免化學消毒劑對植物的影響;用地下水回灌,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。隨著對UV消毒機理的深入研究、紫外線消毒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。
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