紫外線消毒在飲用水處理中的應用
1 概述
目前，給排水消毒方法可分為兩大類，即化學消毒法和物理消毒法。化學消毒法有加氯消毒和臭氧消毒等；物理消毒法有紫外線消毒等。化學消毒法一般都會產生消毒副產物，而紫外線消毒是唯一早在1878年人類就發現了太陽光中的紫外線具有殺菌消毒作用。人類對紫外線消毒技術在城市污水處理中的應用則始于20世紀60年代中葉，并于70年代到80年代初對紫外線消毒在城市污水處理中的應用進行了大量早期的研究，這主要是由于當時人們已認識到被廣泛使用的加氯消毒工藝中的余氯對受納水體中的魚類等生物有毒，而且發現并確認了氯消毒等化學消毒方法會產生如三鹵甲烷(THMs)等致癌、致基因，致畸變的副產物。這些發現促使人類尋求一種更好的消毒方法，不會產生消毒副產物的方法，也不會造成二次污染問題。于是，人們開始關注紫外線在消毒方面的應用。
紫外線消毒法最早應用于美國(1970年美國環保局完成了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。 紫外線消毒技術為物理消毒方式的一種，具有廣譜殺菌能力，無二次污染，經過30多年的發展，已經成為成熟可靠高效環保的消毒技術，在國外各個領域得到了廣泛的運用。在我國由于對其技術的了解有一定的局限性，在污水處理中的應用不多。上海市政工程設計研究院在這方面開展了許多研究，并已在上海閔行、長橋等污水處理廠得到應用。進入21世紀后，隨著對污水尾水消毒的日益重視和運行經驗的積累，紫外線消毒技術將得到推廣，預計今后有條件的污水處理廠中 50％將會采用紫外線消毒，并成為取代傳統化學消毒方法的主流技術。
2，紫外線消毒原理
紫外線殺菌消毒原理是利用適當波長的紫外線能夠破壞微生物機體細胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子結構，造成生長性細胞死亡和(或)再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。經試驗，紫外線殺菌的有效波長范圍可分為四個不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外線（200～100nm）。其中能透過臭氧保護層和云層到達地球表面的只有UVA和UVB部分。就殺菌速度而言，UVC處于微生物吸收峰范圍之內，可在1s之內通過破壞微生物的DNA結構殺死病毒和細菌，而UVA和UVB由于處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要數小時才能起到殺菌作用，在實際工程的數秒鐘水力停留（照射）時間內，該部分實際上屬于無效紫外部分。真空紫外光穿透能力極弱，燈管和套管需要采用極高透光率的石英，一般用半導體行業降解水中的TOC，不用于殺菌消毒。因此，給排水工程中所說的紫外光消毒實際上就是指UVC消毒。紫外光消毒技術是基于現代防疫學、醫學和光動力學的基礎上，利用特殊設計的高效率、高強度和長壽命的UVC波段紫外光照射流水，將水中各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死，達到消毒的目的。
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，從而改變了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。
紫外線消毒是一種物理方法，它不向水中增加任何物質，沒有副作用，這是它優于氯化消毒的地方，它通常與其它物質聯合使用，常見的聯合工藝有UV+H2O2、UV+H2O2+O3、UV+TiO2，這樣，消毒效果會更好。
3 紫外線殺菌燈工作原理
目前能夠輸出足夠的UVC強度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。紫外線殺菌燈燈管是由石英玻璃制成，汞燈根據點亮后的燈管內汞蒸氣壓的不同和紫外線輸出強度的不同，分為三種：低壓低強度汞燈、中壓高強度汞燈和低壓高強度汞燈。殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的，同時，也受到紫外線的輸出能量，與燈的類型，光強和使用時間有關，隨著燈的老化，它將喪失30%-50%的強度。紫外照射劑量是指達到一定的細菌滅活率時，需要特定波長紫外線的量：照射劑量（J／m2）＝照射時間（s）×UVC強度（W／m2）照射劑量越大，消毒效率越高，由于設備尺寸要求，一般照射時間只有幾秒，因此，燈管的UVC輸出強度就成了衡量紫外光消毒設備性能最主要的參數。在城市污水消毒中，一般平均照射劑量在300 J／m2以上。低于此值，有可能出現光復活現象，即病菌不能被徹底殺死，當從渠道中流出接受可見光照射后，重新復活，降低了殺菌效果。殺菌效率要求越高，所需的照射劑量越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射劑量的主要因素是透光率（254 nm處），當UVC輸出強度和照射時間一定時，透光率的變化將造成微生物實際接受劑量的變化。
4 紫外線消毒的優點
（1） 紫外線消毒無需化學藥品，不會產生THMs類消毒副產物。
（2） 殺菌作用快，效果好。
（3） 無臭味，無噪聲，不影響水的口感。
（4） 容易操作，管理簡單，運行和維修費用低。
5 紫外線消毒在實際中的應用情況
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低壓高強度紫外燈系統和中壓高強度紫外燈系統，由于產生高強度的紫外線可能使燈管數量減少90%以上，從而縮小了占地面積，節約了安裝和維修費用，并且使紫外線消毒法對水質較差的出水也適用。
目前國內研究、生產和應用污水紫外線消毒器還很少。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存活率之間的關系，并設計出能產生紊流的紫外線消毒器，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，并且在游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了敞開式紫外線消毒工藝，可向城市提供4×104m3/d的工業回用水，目前運行狀況良好。
6 存在問題
（1）紫外線消毒法不能提供剩余的消毒能力，當處理水離開反應器之后，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。當污水流經紫外線消毒器時，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紫外線消毒器
（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家行業標準，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）在我國目前污水廠紫外消毒系統招標中，有些污水廠由于大量工業污水的導入，使得排放的污水色度加深，但招標文件中的污水紫外透射率參數仍采用國外提供的數值，造成與國內污水實際情況差別很大，為將來紫外設備的運行達到消毒要求，留下了難以克服的障礙。
7 結論
紫外線在飲用水處理中的應用已經有幾十年的歷史。但是由于其技術復雜，成本昂貴，使其應用受到限制。本世紀七十年代，由于水污染的加劇和公眾健康意識的提高，迫使人們在傳統水處理工藝的基礎上采用新的手段，保證供水水質符合更加安全的飲用水標準。經過近二十年的研究和實踐，以紫外線為主組成的復合應用技術，以其良好的處理效果成為給水深度凈化技術的首選。
（1）紫外光用于城市污水二級處理出水的消毒可以滿足目前國內景觀及綠化用水要求。
（2）該技術具有無二次污染的特點，應用前景廣闊。
（3）能耗低、運行費用低；自動化程度高；維護簡便。
（4）在設備選用方面，低壓高強度紫外燈的綜合技術經濟指標優于中壓高強度紫外燈。
另外，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。將其用于灌溉農田、林地和草坪等可避免化學消毒劑對植物的損傷；用于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。隨著對紫外線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不斷完善，紫外線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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