紫外文献调研

紫外消毒工艺在污水中应用文献调研（国内）目录1．城市污水消毒的必要性 42．城市污水厂不同消毒方法的比较 63.紫外线消毒技术 73.1紫外消毒历史和现状 73.2紫外线消毒原理 83.3紫外消毒设备 123.3.1紫外消毒反应器类型 123.3.2紫外灯管类型 123.3.3镇流器 133.4紫外线消毒系统要点 143.4.1紫外剂量 143.4.2紫外线的穿透率(UVT) 143.4.3紫外灯老化及紫外灯石英套管的结垢 153.4.4光复活和光修复 153.5紫外消毒影响因素 163.5.1　紫外剂量 163.5.2　微生物的种类和负荷 163.5.3　紫外线的穿透率(UVT) 173.4.4　总悬浮物(TSS) 173.5.5　颗粒物的尺寸分布(PSD) 183.5.6　水力负荷 183.5.7　其它影响因素 183.6如何确定和比较污水紫外光消毒设备的UV剂量 183.6.1理论计算剂量 183.6.2生物验证剂量 203.6.3两种UV剂量的运用方式 213.6.4小结 223.7应用前景及存在问题 223.7.1应用前景 223.7.1存在问题 243.8紫外线消毒与其他消毒工艺的联用 263.8.1　紫外线消毒+过乙酸消毒 263.8.2　紫外线消毒+传统氯法消毒 264.应用实例 274.1重庆北碚污水处理厂污水消毒系统 274.1.1灯管的选择 274.1.2传感器及实时调节系统的选择 284.1.3自动清洗系统的选择 284.1.4二次污染及事故污染 284.1.5监测结果和运行成本 294.2厦门市同安污水厂紫外消毒系统 294.2.1设计参数 294.2.2紫外消毒系统构造 304.2.3成本 314.3新西兰曼努高污水厂的紫外消毒系统 314.3.1紫外消毒系统的设备选型 324.3.2主要技术性能参数 324.3.3排放标准及监测结果 345.结论 35紫外消毒在城市污水中的应用1．城市污水消毒的必要性为了保护人类的健康、生命以及水环境和水资源，世界许多国家和地区（北美、欧盟、日本、韩国、台湾等）都要求对城市污水在排放前进行消毒处理。污水消毒也是保护饮用水源的第一道防线。2002年11月，我国和许多国家及地区爆发了非典型性肺炎，这一疫情的元凶冠状病毒广泛的传播和性顽强存活能力使人们意识到消毒的重要性，尤其是对接纳病人排泄物的污水处理厂的尾水消毒成为防止疫情扩散的重要防线。我国国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2002年12月24日颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中首次将微生物指标列为基本控制指标，要求城市污水必须进行消毒处理，从而使污水处理的病理指标与国际接轨。许多国家和地区在对城市污水要求消毒的同时,也制定了相应的消毒指标，相应的排放标准（部分国家和地区尾水消毒指标见表1），我国的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）将粪大肠菌列为基本污染物控制指标。该标准规定执行二级标准和一级B类标准的污水处理厂排放要求是粪大肠菌群不超过10000个/L，执行一级A类标准的污水处理厂排放要求为不超过1000个/L。表1部分国家和地区尾水消毒指标国家或地区粪大肠菌群数标准美国国家环保局（EPA）200个/100ml二级生化处理后的出水美国加州加利福尼亚第22号条例总大肠菌群数2.2个/100ml非限制性使用的回用水欧盟2000个/100ml浴场水指导准则(BathingWaterDirectives)日本指针大肠杆菌数3000个/ml中国GB18918-200210000个/l二级标准1000个/l一级标准A类10000个/l一级标准B类中国GB8978-19965000个/l医院、兽医院及医疗机构含病原体污水三级标准1000个/l医院、兽医院及医疗机构含病原体污水二级标准500个/l医院、兽医院及医疗机构含病原体污水一级标准1000个/l传染病、结合病医院三级标准500个/l传染病、结合病医院二级标准100个/l传染病、结合病医院一级标准上海市地方标准DB31/199-19973000个/l黄浦江上游水源保护区10000个/l黄浦江上游准水源保护区中国再生水用作冷却水的水质控制标准2000个/lGB50335-2002中国城镇杂用水水质控制标准总大肠菌群数3个GB50335-2002中国景观环境用水的再生水水质控制标准GB50335-200210000个/l观赏性景观环境用水河道、湖泊类2000个/l观赏性景观环境用水水景类500个/l娱乐性景观环境用水河道、湖泊类不得检出娱乐性景观环境用水水景类2．城市污水厂不同消毒方法的比较项目液氯臭氧紫外线二氧化氯使用剂量（mg/l）1010/2~5接触时间（min）10~305~10≤310~20消毒效果对细菌有效有效有效有效对病毒部分有效有效有效部分有效除去臭味无作用好无作用好pH的影响很大小，不等无小水中的溶解度高低无很高THMs的形成极明显当溴存在时有无无水中的停留时间长短短长杀菌速度中等快快快等效条件所用的剂量较多较少-----少处理水量大较小小大使用范围广水量较小时水量较小时，悬浮物较少广除铁，锰效果不明显-----不明显很好氨的影响很大无无无原料易得----------易得操作安全性不安全不安全安全安全自动化程度一般较高较高高投资低高较高低设备安装简便复杂较复杂简便占地面积大较大小较小维护工作量较小大较大小电耗低高较高低运行费用低高较高低维护费用低高高低优点价格便宜，技术成熟，有后续消毒作用除色，除臭效果好，无毒快速，无化学药剂，无残留，不需要运输和储存，维护简单，占地面积小杀菌效果好，无臭味，有后续消毒作用有定型产品缺点对某些病毒，芽孢无效，残毒，产生臭味，需建加氯间占好面积极大价格高，无后续作用，运输，储存技术要求高，存在二次污染无后续作用，二次投资大，对浊度要求高维护管理要求较高，需现场制造3.紫外线消毒技术3.1紫外消毒历史和现状早在1878年人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。1901年和1906年人类先后发明了水银光弧这一人造紫外光源和传递紫外光性能较好的石英材质灯管,法国马赛一家自来水厂很快在1910年首次使用紫外线消毒工艺。人类对紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用则始于20世纪60年代中叶,并于70年代到80年代初对紫外线消毒在城市污水处理中的应用进行了大量早期的研究,这主要是由于当时人们已认识到被广泛使用的加氯消毒工艺中的余氯对受纳水体中的鱼类等生物有毒,而且发现并确认了氯消毒等化学消毒方法会产生如三卤甲烷(THMs)等致癌、致基因畸变的副产物。这些发现促使人类寻求一种更好的消毒方法。加拿大安大略省水资源委员会于1965年和1969年对紫外线消毒技术应用于城市污水处理以及对受纳水体的影响进行了研究和评估。其他加拿大研究人员对紫外线消毒的效果、技术可行性、影响效果的水质因素、对受纳水体中鱼类的影响、消毒副产物以及与加氯消毒技术经济比较进行了大量先驱性的研究工作。这些研究结果表明,紫外线污水消毒技术可行,可达到和加氯相同甚至更好的消毒效果,对受纳水体中生物无毒副作用,不产生消毒副产物。以上研究为推动紫外线消毒在城市污水处理中的应用奠定了基础。1982年加拿大某公司发明了世界上第一套明渠式安装的紫外线消毒系统2000,并引进了模块化紫外线消毒系统概念,即紫外线系统可由若干独立的紫外灯模块组成,且水流靠重力流动,不需要泵、管道以及阀门。系统维护可对单个模块进行,且紫外灯模块可轻易地从明渠中直接取出进行维护检修,维护时系统无需停机,可继续运行消毒,因而无需备用设备,如果需要对明渠进行清理也很方便。模块化明渠式消毒装置大大降低了紫外线污水消毒的成本并使得系统维护简单方便。同时,当污水处理厂在扩建或改造时,只需适当增加紫外灯模块的数量,而无需添购整套系统,可以节省设备投资,使用起来非常灵活。这一发明得到了污水处理厂的欢迎,大大推动了紫外线消毒技术在城市污水消毒处理中的应用。目前在世界各地已经有3000多家城市污水处理厂安装使用了紫外线污水消毒系统,其中95%以上的系统采用了明渠式模块化紫外线系统的创意。这些污水消毒系统规模小的每天处理几千立方米,大的每天处理上百万立方米。在中国,1999年香港石湖墟污水处理厂投入运行,该厂规模24万m3/d,消毒后粪大肠杆菌小于1000个/100ml。2000～2003年间,陆续有深圳市龙岗大工业区污水处理厂(516万m3/d)、上海长桥污水处理厂(212万m3/d)、上海松江北区污水处理厂(8万m3/d)、无锡新区污水处理厂(3万m3/d)、苏州新区第二污水处理厂(4万m3/d)和上海龙华污水处理厂(1015万m3/d)等采用紫外线消毒系统。3.2紫外线消毒原理紫外线一般被分为三个不同波段：紫外C(200～280nm)、紫外B(280～315nm)和紫外A(315～400nm)，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260nm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253.7nm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。紫外线消毒是一种物理消毒方法，紫外线消毒并不是杀死微生物，而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒的原理主要是用紫外光摧毁微生物的遗传物质——核酸(DNA或RNA)，使其不能分裂复制。除此之外，紫外线还可引起微生物其他结构的破坏。微生物在人体内不能复制繁殖，就会自然死亡或被人体免疫功能消灭，从而不会对人体造成危害。紫外线是波长在200–400nm的电磁波，它又分为4个波段(见图1)，其中具有杀菌消毒功能的紫外波段为200–300nm，即紫外C和紫外B中的部分。通常人们较关注微生物对紫外线的吸收频谱，认为253.7nm是紫外消毒的最佳波段并把紫外消毒技术称为紫外C消毒，确切来说是不全面的，因为忽视了微生物对紫外线的反应频谱。图1.紫外消毒波段图2.核酸的紫外吸收频谱与大肠菌消毒频谱图3.核酸和微生物对紫外的反应频谱紫外线对核酸/微生物的破坏取决于核酸/微生物对紫外线的吸收和反应，如果只有吸收，没有反应，那么该波长的紫外线也不会具有灭活作用。吸收+反应决定了核酸或某种微生物对某一波段紫外光的响应或敏感性、即紫外光对其产生灭活的能力。图2和图3分别为核酸及部分微生物对紫外线的吸收频谱和反应频谱，可以看到微生物对紫外照射的响应和核酸对紫外的响应有很强的相关性。由图可以看出核酸对紫外线的吸收大致在260-265nm左右存在一个峰值，而对紫外线的反应则是在260-269nm左右有一个峰值。而某些微生物如：MS2噬菌体、湿疣病毒、mosaic烟草病毒和reo病毒等的最大紫外反应波长则在230nm以下。因此若认为能发出253.7nm波长单频谱输出的低压紫外汞灯消毒效果优于多频谱输出的中压紫外灯，是不符合实际的。对很多微生物并不存在唯一的最佳紫外消毒波长。大量的研究和实际运行结果表明单频谱输出的低压紫外灯和多频谱输出的中压紫外灯在照射到微生物上的紫外剂量相同的条件下，其消毒效果是相同的。对某一特定微生物来说，接受到的紫外剂量是决定其灭活程度的唯一因素。3.3紫外消毒设备3.3.1紫外消毒反应器类型目前，水处理厂广泛使用的紫外线水消毒反应器大多是浸没式消毒反应器，即灯管和反应器外壳浸在水中，主要分为两类：一类是明渠式反应系统（Open-channel），另一类是腔体式反应器（Closed-channel）。目前全球安装使用的紫外线污水消毒系统95%以上采用20世纪80年代发明的明渠式紫外线消毒系统,该系统将若干独立的紫外灯模块安装在开放的明渠中,水流靠重力流经消毒装置,在明渠可直接插入或取出紫外灯模块进行维护检修。3.3.2紫外灯管类型目前污水紫外线消毒系统中常用的紫外灯管有:低压灯(LP)、低压高输出灯(LPHO,又称作低压高强灯)和中压灯(MP)。这些灯管的主要性能参数及适用范围见表2。中压灯是所有紫外灯中单根灯管紫外能输出最高的,因此可以用很少的灯管数量达到消毒效果,占地最少,可以大大减少设备与征地、土建等投资,具有规模效益,比较适合于大型城市污水处理厂的消毒处理,特别是用地紧张的污水处理厂。另外由于中压灯光强最强,穿透力高,所以比较适合低质污水的消毒处理。当然,中压灯的光电转换效率较低,电耗较高,但由于灯管数目很少,灯管更换费用较低。一个设计优良的紫外线消毒系统的运行维护费用主要是电费和灯管更换费用。灯管数量减少,可减少与灯管数量相关部件的更换数量和费用。表2中各类灯管的适用范围只具有参考意义,污水处理厂应结合实际和特殊情况对不同灯管类型的紫外线消毒系统进行全面详细的可行性和技术经济比较,选用适合的。在方案比较时,还应全面考虑占地、土建、辅助设备设施以及其他相关因素。表2　各种紫外灯性能参数及适用范围项项目低压灯低压高输出灯中压灯输出波长/nm253.7,单波253.7,单波230~300,多频谱单灯紫外输出/W30~6090~100420~25000光电转换效率/%30~4030~4015灯管运行温度/℃40100600~850灯管保证寿命/h8000~120008000~120005000灯管老化系数/%50~8050~8050~80适用范围小型污水处理厂常规处理污水和再生水消毒,处理流量一般5万m3/d以下中型污水处理厂常规处理污水和再生水消毒大型污水处理厂常规处理污水、再生水消毒或低质污水消毒3.3.3镇流器早期的紫外线消毒系统使用电磁式镇流器。20世纪90年代初电子镇流器首先应用在低压灯紫外消毒系统,90年代中叶又解决了用电子镇流器控制中压灯管的难题,现在各类污水紫外线消毒系统使用的镇流器基本都是电子镇流器。镇流器的布置一般分为两大类,一类是将镇流器密封后和紫外灯模块一体化,另一类是镇流器与紫外灯模块或灯组分离,放在明渠外,离灯管有一定的距离。后者需要空气排风冷却镇流器等电控元件,从而会导致空气中的灰尘、水汽和污染物侵蚀,降低镇流器等敏感电控元件寿命,带来额外的系统维护,增加与更换镇流器有关的设备运行费用,而且需要单独的房屋和空调来安放镇流器等电控部件。镇流器远离紫外灯管会增加镇流器到灯管间电压降,因此降低灯管的输入功率和灯管的紫外能输出,从而降低紫外线消毒系统效率并影响消毒效果。3.4紫外线消毒系统设计要点3.4.1紫外剂量紫外剂量是影响消毒效果的直接因素,它等于紫外光强度与接触时间的乘积。在相同的紫外光强度条件下,接触时间决定紫外剂量。从理论上分析,紫外剂量越大,消毒效果越好,然而紫外消毒有一限值,超过此限值则不能经济有效地对额外的微生物进行灭活。因此,紫外剂量应根据排放水体的卫生学指标经济合理科学地选择。3.4.2紫外线的穿透率(UVT)紫外线穿透率通常是指通过1cm比色皿水样下测定的值,每次测试时,将4个样品的平均紫外线穿透率作为系统的紫外线穿透率。一般来说,紫外线的穿透率越低,消毒效果越差,因而出水总悬浮物(TSS)必须严格控制。TSS对紫外线消毒的影响主要表现在:(1)悬浮颗粒吸收并分散了紫外能量;(2)微生物隐藏在颗粒中受到保护,避免了紫外线的破坏。目前国内城市污水厂所接纳的污水往往是包括有工业污水的综合污水,工业污水的排入会直接影响污水的色度,从而影响污水的紫外线穿透率。因此在设计中应该合理考虑工业废水对污水厂处理工艺流程的影响,既避免设备选型过大造成的浪费,同时又保证尾水消毒能达标。3.4.3紫外灯老化及紫外灯石英套管的结垢紫外灯老化系数是指紫外灯在寿命终点时的紫外能输出与新灯的紫外能输出的比值。结垢系数是系统运行6个月后的套管UVT与使用前的套管UVT之比。因此,紫外线消毒系统设计在考虑∀有效紫外剂量#时应考虑∀紫外灯老化系数#和∀紫外灯套管结垢系数#,以保证紫外灯始终处于有效工作状态。当污水流经紫外线消毒器时,其中有许多无机杂质会沉淀、粘附在套管外壁上,尤其当污水中有机物含量较高时更容易形成污垢膜,而且微生物容易生长形成生物膜,这些都会抑制紫外线的透射,影响消毒效果。因此,紫外灯在运行中,为了减少石英套管结垢对消毒效果的影响,必须对紫外灯进行清洗,以确保紫外线消毒系统的性能稳定。紫外灯清洗方式有人工清洗、在线机械清洗、在线机械加化学清洗等。在污水处理应用中,宜采用在线机械加化学清洗。3.4.4光复活和光修复污水流经紫外线消毒渠后,水中的微生物均由于紫外线的照射受到损伤以致死亡,但微生物对损伤有一定的修复能力。微生物的紫外线损伤能被可见光所逆转称为光复活,有效的波长范围包括330nm~480nm的可见光和近紫外光。此外,有研究表明污水本身的环境不利于微生物损伤后的修复。因此,要进一步研究光复活的原理和条件,确定避免光复活发生的最小紫外线照射强度、时间或剂量,以合理指导设计。3.5紫外消毒影响因素3.5.1　紫外剂量紫外剂量是影响消毒效果的直接因素。它等于紫外光强度与接触时间的乘积。在相同的紫外光强度条件下,接触时间决定紫外剂量。在大型污水处理厂中,由于水量大,接触时间得不到保证,因此用紫外线消毒的效率比小型污水处理厂差。从理论上分析,紫外剂量越大,消毒越好,然而紫外消毒有一限值,超过此限值则不能经济有效地对额外的微生物进行灭杀。如果分别考虑紫外光强度与接触时间对消毒效果的影响,可以发现,对于不同种类的微生物,两者的影响是不同的。在紫外剂量相同的情况下,紫外光强度对于大肠埃希氏杆菌影响更大,这是因为细胞中的修复酶对紫外光强度更敏感;而对于真核酵母菌细胞来说,增加接触时间更有利于灭杀;当然对于更多的微生物,如噬菌体、孢子,把两者分开讨论是没有多大意义的,原因可能在于其在紫外线消毒过程中处于一种不活动状态。因此没有必要确定最少的接触时间和最小的紫外光强度,两者的乘积才是影响紫外线消毒效果的必要因素。3.5.2　微生物的种类和负荷由于污水中细菌、病毒的种类繁多,且对紫外线的抗性不同,因此对于不同类型的污水,呈现出不同的消毒效果。有些微生物对于紫外线比较敏感,去除率较高,如粪大肠菌(faecal　coliforms),而有些微生物则不然,需用较高的紫外剂量进行灭杀,如F-RNA大肠杆菌菌体、铜绿色极毛杆菌(pseu2domonasaeruginosa)。微生物负荷是影响紫外线消毒效率的一大因素,较高的微生物量必然要求更高的紫外剂量。目前,在紫外线消毒器的设计中,主要是灭活TC(总大肠菌)、FC(粪大肠菌)、E.coli(大肠埃希氏菌)、粪链球菌和沙门氏菌数量来估计紫外线剂量需求。3.5.3　紫外线的穿透率(UVT)一般来说,紫外线的穿透率越低,消毒效果越差。穿透率与上游处理工艺、来源以及水中工业化合物的成分有关。法国的一家污水厂运行紫外线消毒系统后表明:当UV输出功率为26.7wuvc,穿透率<40%时,经紫外线消毒后的微生物数有可能超标,而在穿透率>55%,并且COD和SS的值都比较低的情况下,可以获得较好的消毒效果。3.4.4　总悬浮物(TSS)总悬浮物对紫外线消毒的影响主要表现在:(1)悬浮颗粒吸收并分散了紫外能量,(2)微生物隐藏在颗粒中受到保护,避免了紫外线和化学药剂的破坏。如果通过膜法过滤,再用紫外线消毒,那么所需紫外线剂量大大减少,同时消毒效果也有很大提高。在比较国内与国外紫外线消毒性能差别时,有观点认为:国外水处理厂出水的SS<10mg/L,而国内处理出水SS为20～30mg/L,这方面的差异使得国内污水厂在使用紫外线消毒后的杀菌效果较差。3.5.5　颗粒物的尺寸分布(PSD)颗粒物的尺寸分布影响紫外线的消毒效率。当颗粒物粒径超过某一临界值时,紫外剂量随着污水中颗粒物粒径的增加而增加。对于某些致病微生物,由于其易结成大颗粒的团状物,在处理这类污水时,紫外线消毒的效率不高,并受到了一定的限制。3.5.6　水力负荷 影响紫外线消毒因素还有处理流量,当水量突然增大时,紫外线接触时间短,需要更强的紫外剂量。而紫外线系统通常根据最大峰值流量设计,当水力负荷大时,出水水质较平时差,杀菌率无法保证。3.5.7　其它影响因素铁离子化合物也被认为会影响紫外线消毒,它可以降低紫外穿透率,为微生物提供一道保护屏障,增加消毒阻力,增加有清洗装置的石英套管结垢。3.6如何确定和比较污水紫外光消毒设备的UV剂量UV剂量的计算较为复杂，应中的UV消毒反应器常采用两种计算方法：理论计算剂量和生物验证剂量，二者各有利弊。3.6.1理论计算剂量美国环保署在其1986年发布的《城市污水消毒设计手册》（EPA/625/1-86/021）中较详细地叙述了污水紫外光消毒系统的设计，并配套开发了一个设计软件UVDIS。目前使用较广的是1992年发布的3.1版。利用该软件可以非常方便的计算出明渠式低压紫外消毒系统整个反应器内的平均紫外光强度，然后乘以污水接受的照射时间，即得到消毒反应器的理论计算剂量。UVDIS软件在计算消毒反应器的UV平均强度时，需输入如下参数：（1）灯管的UVC输出强度、（2）灯管电弧长、（3）灯管排列方式、（4）灯管轴线间距、（5）石英套管外径、（6）石英套管透光率、（7）石英套管结垢系数、（8）灯管老化系数和（9）污水透光率。任何一个参数的变化都会改变平均强度值。照射时间等于灯管内两个灯丝之间的距离（如果是两个灯组串联，则乘以2倍）除以水流速度。注意水流速度等于最大小时流量时的流量除以横断面净空面积（横断面积减去所有石英套管所占面积）。最外层灯管至池壁和水面的距离应略小于半个灯管间距。建立好以上计算模型后，固定所有几何结构参数，通过改变灯管的UVC输出强度、污水透光率和流量达到改变UV剂量的目的，同时监测不同UV剂量下反应器的消毒效率，得到“微生物灭活率——UV理论计算剂量”曲线。设计时，按以下步骤确定灯管数量：（1）根据消毒系统进口微生物浓度和排放标准要求计算微生物灭活率；（2）查“微生物灭活率——UV理论计算剂量”曲线确定所需要的最低UV理论剂量；（3）采用以上技术参数和计算过程，改变灯管数量，验算UV理论计算剂量，直至满足最低UV理论计算剂量的要求。理论计算剂量的主要优点：（1）反映的设备技术参数全面。包含了UV消毒反应器有效空间内的所有几何结构与物理参数以及污水的透光率。（2）灵敏度高。任何一个参数的改变都会在理论计算剂量值上体现出来，常用于指导反应器的改进和不同反应器之间UV剂量的相对高低比较。（3）客观性强，透明度高。UVDIS软件由美国环保署开发，不属于任何营利团体和企业。UV理论剂量的计算过程清晰而合理，可以公正地反映出不同型号反应器之间UV剂量的相对高低。理论计算剂量的主要缺点：（1）计算过程中没有考虑污水流态对消毒效果造成的影响。不同型号的消毒反应器，同样的理论计算剂量实现的微生物灭活率不同，流态越好，消毒效率越高。因此，设计时不同型号的设备需采用不同的“微生物灭活率——UV理论计算剂量”曲线。（2）虽然理论计算剂量可以客观地反映出不同反应器之间UV剂量的相对高低，但因“微生物灭活率——UV理论计算剂量”曲线随设备型号不同而不同，针对相同的生物灭活率要求，无法准确给出统一的最低UV剂量。3.6.2生物验证剂量生物验证剂量的解释见“如何理解紫外光水消毒技术中的UV剂量”一文。该方法回避了紫外消毒反应器内部结构对消毒效果的影响，将其看作一个“黑箱”，改变流量，测定出不同污水透光率条件下的“消毒反应器流量——UV剂量”曲线。利用生物验证剂量确定灯管数量的步骤为：（1）根据排放标准要求计算微生物灭活率；（2）查“微生物灭活率——UV剂量”曲线确定所需要的UV剂量；（3）查“消毒反应器流量——UV剂量”曲线确定每支紫外灯管的处理水量；（4）UV消毒系统总处理能力除以每支紫外灯管的处理水量得到整个系统需要的最少的紫外灯管数量；（５）根据模块化的要求，对灯管数量向上取整。生物验证剂量的主要优点：可以在各种不同的设备之间统一最低UV剂量标准。由于微生物灭活率与UV剂量之间的关系曲线是由独立于UV消毒反应器的“平行紫外光束仪（CollimatedBeamApparatus）”测定的，不受消毒反应器自身性能的影响。因此，可以在各种UV消毒反应器之间统一最低UV剂量标准，以保证消毒效果。生物验证剂量的主要缺点：（１）按照严格的测试标准，实验费用非常昂贵。（２）目前在我国出现的基于实际运行的污水处理厂测试的粪（总）大肠菌曲线误差较大，不能用于设计选型，如果要使用，应有第二中方法进行交叉验证。3.6.3两种UV剂量的运用方式UV剂量的运用主要有两个目的：一是为所有备选UV消毒反应器设定最低UV剂量标准，以实现指定的消毒效果；二是在备选设备之间比较消毒效率的相对优劣。如果采用符合测试标准的生物验证曲线，以上两个目的均可很好地达到。如果采用粪（总）大肠菌测试的曲线，由于无代表性和误差太大，则无法达到以上两个目的，必须与理论计算剂量联合使用，以减少误差，这实际上也是国外一些工程招标中采用的方式。首先汇集各设备供应厂家的设计方案，要求同时提供生物验证剂量和理论计算剂量，然后分析各厂家的方案，同时提出生物验证剂量和理论计算剂量的最低要求。投标中要求所有UV消毒设备必须同时满足两种UV剂量的要求。3.6.4小结（1）严格以上的生物验证剂量可在各种消毒反应器之间进行剂量比较，并确定统一的最低UV剂量标准。（2）理论计算剂量适合在各种消毒反应器之间比较UV剂量的相对高低。（3）单独采用理论计算剂量和粪（总）大肠菌生物验证曲线均无法在各厂家设备之间确定最低的剂量标准，二者必须联合使用，所有设备必须同时达到标准要求。3.7应用前景及存在问题3.7.1应用前景加氯消毒是城市污水消毒处理中使用最为普遍的方法,但随着氯消毒的大规模使用,人们对该方法的认识和了解也不断加深,对其使用中产生的问题也越来越关注。这主要是余氯对受纳水体中的鱼类有害,在处理过程中会产生三致副产物。在氯消毒已知的500多种消毒副产物中,只有为数很少的被研究并证实对人类健康有影响,尚有500多种消毒副产物有待查明身份,而且更令人担心的是使用中缺乏对这些副产物的风险分析和管理计划。正是由于对这些问题的担心,世界各国和地区对氯消毒的使用制定了各种法律规定,限制或控制使用。例如:荷兰、德国、加拿大魁北克等地已禁止使用氯消毒;欧美等地有脱氯要求;美国加利福尼亚、佛罗里达等州根据污水处理厂具体情况要求零余氯排放;除此之外,污水处理厂必须实施严格的安全生产条例和措施,有关部门对加氯消毒的通风和安全生产设施严格控制,必须有完善的氯泄漏收集措施;在国外还有风险管理计划,包括污水处理厂附近居民的撤离计划;而公民知情权法则要求污水处理厂应将氯消毒的使用及情况通报给附近居民等等。这些法律、规定和法规大大增加了氯消毒成本,也使得氯消毒越来越不受欢迎。另外氯作为危险化学药品,有关部门对其运输和储存的安全问题和审批控制非常严格,我国的一些污水处理厂在建成加氯接触池后常常因此而无法正常运行使用,现在越来越多的城市污水处理厂已开始考虑使用紫外线消毒技术替代氯消毒。紫外线消毒技术作为物理消毒方式,无二次污染;运行维护安全、简便;消毒时间短(一般1～10s),无需接触池,占地小,结构简单,设备安装快,在各种消毒方法中对微生物最具广谱性,消毒效果不受水体pH和温度影响。图4为各种消毒方法在城市污水处理中的应用程度,可以看出紫外线消毒技术正得到越来越多的应用。图4　各种消毒方法在城市污水处理中的应用份额3.7.1存在问题紫外线消毒有许多优点，但国内使用经验少，虽然污水处理工程中已经逐渐开始使用紫外线系统，但是对于紫外线消毒技术的研究仍需进一步深入探索，紫外线消毒的应用也还存在较多问题。（1）紫外线消毒没有持续的消毒能力。它属于物理瞬间消毒技术，紫外线消毒后的出水如受到的二次污染或者出水中的微生物见光后自我修复再生，从而给受纳水体造成污染。目前常采用的方法是在紫外线消毒流程之后再加入具有持续消毒能力的化学药剂以保持管网中的残余消毒量。同时应进一步研究光复活的原理和条件，确定避免光复活发生的最小紫外线照射强度、时间或剂量。（2）紫外灯套管外壁的清洗工作是系统运行和维护关键。城市污水流成分复杂，其中有许多无机杂质会沉淀、粘附在套管外壁上。尤其当污水中有机物含量较高时更容易形成污垢膜，而且微生物容易生长形成生物膜，这些都会抑制紫外线的透射，影响消毒效果。因此，必须根据不同的水质采用合理的防结垢措施和清洗装置，开发研制具有自动清洗功能的紫外线消毒器。（3）紫外灯管的使用寿命问题。目前国产紫外灯执行直管型石英紫外线低压汞消毒灯的国家行业标准，灯的最大功率为4Vg，且有效寿命一般为1000——3000h，而进口低压灯管的有效运行时间可达8000——12000h，中压灯管也可达5000～6000h。相比之下，使用国产灯管会增加维修费用，因此，研制生产寿命长的紫外灯或直接引进国外先进的紫外灯生产技术是目前亟待解决的问题。（4）在我国目前污水厂紫外消毒系统招标中，有些污水厂由于大量工业污水的导入，使得排放的污水色度加深，但招标文件中的污水紫外透射率参数仍采用国外提供的数值，造成与国内污水实际情况差别很大，为将来紫外设备的运行达到消毒要求，留下了难以克服的障碍。（5）紫外线消毒对进水水质要求较高，如果进水水质差的话，不仅消毒效果将受到重大威胁，而且紫外灯系统的工作周期和寿命也要受到影响，可能会出现消毒不完全或紫外灯(灯罩)结垢、破裂等问题。由于目前消毒中应用的主要是水银紫外灯，因此如果灯管破裂水银外漏，也可能会对水安全造成威胁。3.8紫外线消毒与其他消毒工艺的联用3.8.1　紫外线消毒+过乙酸消毒(peraceticacid)过乙酸是一种强氧化剂,适用于pH在1～10和温度0～100°C范围内污水的消毒,目前广泛应用于食品工业。由于它对霍乱弧菌等污水中常见的指示剂具有很高的杀菌效率,因此被引入污水处理厂出水的消毒。然而,由于过乙酸消毒是一种化学法消毒,需用较高的浓度和较长的接触时间才能有较好的杀毒效率,因此,考虑与紫外线消毒系统联用,可以大大缩短接触时间,减少过乙酸的剂量,具有良好的经济性。3.8.2　紫外线消毒+传统氯法消毒虽然紫外线消毒比氯消毒产生更少的消毒副产物，但紫外线消毒技术存在没有持续消毒能力的问题。近年来，紫外线和氯对污水的复合消毒技术得到了一些研究，郭美婷等研究表明，单独紫外线消毒的灭活率为3.22－log，单独氯消毒的灭活率仅为0.83－log。先氯消毒再紫外线消毒的方式得到的灭活率高达4.42－log，先紫外线消毒再氯消毒的灭活率次之，为4.13－log。所以，紫外线与氯联合消毒的方式可在一定程度上提高灭活率，其中，先添加氯的组合消毒方式得到的灭活率最高。结果表明，在一定程度上，紫外线和氯在消毒方面有协同作用，因此两者的组合效果大于两者的简单加和。张永吉研究了紫外线和氯联合灭活枯草芽孢杆菌的效果，也证明了两者存在较明显的协同灭活作用。通过分析并研究紫外线与氯不同的组合方式对消毒效果的影响，将氯消毒与紫外线消毒相结合，既减小了氯消毒的生态风险性，又弥补了紫外线消毒无持续消毒能力的不足，保证了水质的安全性。4.应用实例4.1重庆北碚污水处理厂污水消毒系统重庆北碚污水处理厂的设计处理能力为5×104m3/d,采用改良型氧化沟工艺,于2000年12月建成并投入试运行。起初没有设消毒工艺,后因重庆市水价上涨,为降低城市绿化用水成本和保护嘉陵江水质,污水处理厂增建了紫外消毒装置。该紫外消毒系统主要包括由紫外灯及镇流器构成的消毒系统、由传感器与PLC构成的实时调节系统、自动清洗系统和供配电系统四部分,自2002年3月投入使用以来杀菌效果良好。4.1.1灯管的选择灯管的选择应注意两个方面:一是单支灯管的UVC输出强度,该值越高则所需要的灯管数量越少,投资和运行维护费用也就越低。一般说来,高强度汞灯的输出强度高,优于低强度汞灯。二是UVC电光转换效率,它包括灯管消耗的电能转换为光能的效率和光能中253.7nm波长(UVC)部分所占的比例。低压汞灯的紫外输出主要集中在253.7nm,而中压汞灯的紫外输出主要集中在366nm,且中压汞灯的发热量很大,因此低压高强度汞灯的电光转换效率高于中压高强度汞灯。北碚污水处理厂的UVC消毒系统选用了低压高强度汞灯,其电光转化效率高达42%。此外,应选择质保寿命较长的灯管。4.1.2传感器及实时调节系统的选择污水处理厂的水量、水质波动较大,因此进行UVC输出强度的实时调节对节约电耗和延长灯管寿命意义重大,这主要通过灯管的可变输出和传感器的真实反馈来实现。就传感器进行真实反馈而言,其位置和波长的选择性极为重要,能真实反映微生物实际接受的UVC照射强度的传感器应是放置在水中的(与微生物处于同一位置),并且只监测253.7nm波长强度。北碚污水处理厂即采用了这种传感器,其低压高强度汞灯在50%～100%的范围内可以实现电耗与UVC输出的线性自动调整。4.1.3自动清洗系统的选择污水处理厂紫外消毒系统的清洗有人工清洗和自动机械清洗和自动化学清洗三种,由于人工清洗要中断消毒且工作量大,操作时易损伤灯管,间隔时间长(自动清洗一般1～2次/h),故无法保证石英套管所必需的最低综合透光率,因此除极个别特殊情况外极少使用。自动清洗系统的选择与所使用的灯管有关,中压高强度灯管的温度在600～900℃,结垢严重,必须采用化学清洗;低压高强度灯管的温度低于110℃,结垢量和速度都远远低于中压高强度灯管,因而可采用机械清洗,且在1～2次/h的清洗频率内就不会结垢。北碚污水处理厂连续10个月的运行结果也证明了这一点。4.1.4二次污染及事故污染正常运行时的二次污染来自化学清洗系统中的清洗剂,事故情况下的二次污染发生在灯管破损时汞进入水中,以及液压驱动的自动清洗系统发生泄漏。北碚污水处理厂选用的汞灯使用的是固态汞合金(固定粘附在灯管两端的突起点),当灯管破损时不会像液态汞那样流到水中,只需将粘附着汞合金的石英碎片打捞出来即可。研究表明,该汞合金在污水中长期浸泡后水中汞的本底浓度未见升高,此外,该系统采用压缩空气为动力的自动机械清洗系统,不存在运行期间和事故泄漏造成二次污染的问题。4.1.5监测结果和运行成本北碚污水处理厂设计的进水粪大肠菌值为106～108个/100mL,出水实测的几何平均值<20个/100mL,杀菌效果显著。装置的总装机容量为47.3kW。运行费用合计为0.018元/m3,其中能源消耗费为0.0098元/m3[0.02(kW·h)/m3,电价为0.49元/(kW·h)],灯管更换费用为0.0086元/m3。4.2厦门市同安污水厂紫外消毒系统厦门市同安污水处理厂一期工程5万m3/d，2005年2月正式投产。处理工艺采用DE型氧化沟脱氮除磷工艺。出水达到国家一级B标准。按照环保要求，污水处理厂尾水必须经过消毒处理，尾水采用紫外消毒工艺。4.2.1设计参数⑴平均流量：5.0万m3/d；⑵峰值流量：6.5万m3/d；⑶设计进水水质：CODcr≤60mg/L，BOD5≤20mg/L，SS≤20mg/L；⑷消毒效果：粪大肠杆菌≤10,000个/L，达到GB18918-2002一级B类水质标准；⑸辐射强度：当水流达到峰值流量、紫外线透射率≥65%且灯管达到寿命末期时的辐射剂量不低于16,000μWs/cm2；⑹依据美国环保署设计手册（EPA/625/1-86-021）及实际的生物验定剂量。4.2.2紫外消毒系统构造图5紫外消毒系统构造图表3紫外消毒系统构造表4.2.3成本分析⑴装置总装机容量：20.5KW(灯管为15.12KW)；⑵运行费用合计：0.015元／m3；其中：能源消耗费：0.0063元／m3，综合电价：0.64元／kWh灯管更换费用：0.0086元／m3。4.3新西兰曼努高污水厂的紫外消毒系统新西兰曼努高污水处理厂的紫外消毒系统是目前世界上正在运行的最大的污水紫外消毒系统(处理能力为121×104m3/d)。该厂已有30年的历史,最初采用的是氧化塘工艺,出水排入曼努高海湾。随着环保要求的不断提高,后又改为三级处理工艺,采用了生物脱氮、砂滤和紫外消毒技术(2001年8月投入使用),总投资为2.44亿欧元。4.3.1紫外消毒系统的设备选型污水紫外消毒系统按所采用的灯管类型可分为低压低强、中压高强和低压高强,但以中压高强系统居多。由于此前还没有像曼努高污水处理厂这么大规模的应用先例,为此对中压高强和低压高强两种类型的五个产品(IDI、Trojan4000、Trojan3000+、TAK33和TAK55)进行了现场中试,在综合考虑消毒效果、自动清洗效果、能耗、运行费用、运行稳定性、技术先进性、安装业绩等因素后最终选用了TAK55型低压高强紫外污水消毒系统。4.3.2主要技术性能参数紫外消毒系统的最大设计流量为50400m3/h,进水为砂滤出水和未经生物处理的雨水,经消毒后或排放或回用。该消毒系统为明渠式,由配水渠、消毒渠和出水渠等构成。消毒渠由12个平行的渠道构成,每个渠道长为17m、宽为3m、深为1.5m,渠内串连放置3组紫外消毒模块,每组有216支紫外灯管,按照垂直方向9支、水平方向24支的方式排列,总计7776根。所有灯管(采用石英套管密封保护)均浸没在水面以下,水流方向与灯管轴线方向一致(为顺流式设计),整个渠道的总占地面积为800m2。紫外消毒系统主要包括:由消毒模块和渠道构成的功能部分,由传感器与PLC构成的控制系统,自动清洗系统,供配电与整流器。消毒渠道为矩形断面,其内部设备由进水端至出水端依次为导流板(不锈钢穿孔板)、紫外消毒模块及支架、低水位传感器、超声波水位计和出水堰门。为防止紫外光泄漏,在渠道上部设有盖板。紫外消毒模块主要由紫外灯管、石英套管、紫外强度传感器、不锈钢支架、内置自动清洗环及其传动机构组成,每18支紫外灯组成一个消毒模块,每12个模块插挂在一个不锈钢框架上,组成一个消毒模块组。这种模块化的设计非常便于设备的控制、维修和扩容。系统所采用的紫外灯灯管为低压高强型固态汞合金灯管,其功率为270W,254nm波长处的输出强度为125W。该灯管由智能整流器控制,可使输出强度在50~100%范围内根据水质、水量的变化自动进行无级连续调整,达到了节电和延长灯管寿命的目的。系统所处理污水的透光率最小允许达到30%(254nm处),设计的最小UVC剂量为450J/m2。自动清洗系统采用机械清洗方式,驱动力为压缩空气,可同时清洗石英套管和UVC传感器。清洗石英套管的清洗环为三层结构,材质为特氟龙和yi2ton橡胶,使用寿命在3万次以上。整个清洗过程不使用任何化学药剂,无二次污染。清洗频率一般为2次/h,也可根据需要通过PLC随意调整。渠道内的液位通过水位控制系统(由低水位传感器、超声波水位计和顶部溢流式电动堰门组成)进行控制。电动堰门可根据水位信号在最低水位和最高水位之间进行自动调节(使液位距顶层灯管轴线的距离恒定在60mm左右),以保证消毒效果的稳定。采用顶部溢流不但降低了整个消毒系统的总水头损失,而且还减少了提升费用。每个整流板控制两支紫外灯管,为方便维护将整流板集中放置在渠道旁边的整流器柜内。为使整个系统的操作更灵活,将各消毒渠道的供配电分开设置。整个系统的配电功率为2.1MW,综合能耗为0.042(kW·h)/m3。消毒系统自带的可编程序控制系统可监测每支紫外灯的开熄及故障情况、每一紫外光灯组的操作时间及开闭次数等,这些数据可与全厂的中央控制计算机进行数据交换,还能通过Internet实现远程检测与调试。图6紫外消毒系统平面图4.3.3排放标准及监测结果消毒应达到以下要求:灭菌率>4-lg;粪大肠菌(FC)的月检测几何平均值<80个/100mL,连续3个月以上的监测结果中FC<250个/100mL的概率>95%;肠球菌(EC)的月检测几何平均值<35个/100mL,连续3个月以上的监测结果中EC<100个/100mL的概率>95%,连续12个月以上的监测结果中EC<500个/100mL的概率>99%。2003年5月新西兰EnvirolabGeotestLimited实验室对曼努高污水处理厂的紫外消毒系统进行了验收监测,结果显示,消毒系统进水的FC值约为104个/100mL,EC值为103个/100mL,透光率约50%,经消毒后出水FC值为5.4个/100mL,EC值为5.0个/100mL,灭菌率>4-lg,达到了设计要求。5.结论紫外线消毒无需化学药品,消毒不会产生如液氯消毒THMs类副产物,同时消除了液氯在运输存储中的安全隐患。而且杀菌作用快,效果好,土建规模比传统液氯消毒低,占地省,基建投资、能耗以及运行费用低,自动化程度高,维护简便。随着对城市污水消毒的日益重视和运行经验的积累，紫外线消毒技术将得到推广，预计今后有条件的污水处理厂大部分都将会采用紫外线消毒，并成为取代传统化学消毒方法的主流技术。