紫外线消毒技术在水和污水处理中的应用

吴彦君,李国玲,王丽艳

(1.际华三五零二职业装有限公司,河北井陉050308;2.中国检验认证集团新疆有限公司,新疆乌鲁木齐830011)

1 引言

水中存在的伤寒杆菌、痢疾杆菌、霍乱弧菌、寄生虫、贾第孢子虫与隐孢子虫以及病毒等病原微生物对人体健康带来重大的威胁。污水中的细菌及致病微生物更多,其排放或回用时对环境以及人们的健康带来的影响更大。因此,水的消毒是水和污水净化处理中重要的一个单元环节。

常用的水的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒等。氯消毒成本低廉、应用方便广泛,但是存在液氯的储存和运输、投配等风险,更主要的是氯消毒过程中余氯会与水中有机物反应并生成有致癌、致畸、致突变的 THMs等有害消毒副产物,从而影响饮用水水质安全性[1]。同时人们对二氧化氯、臭氧消毒技术的安全性也还存在争论。紫外线消毒技术则由于使用简便且不产生有害消毒副产物等优点。表1对常用的几种消毒方法进行了对比[2]。

紫外线是波长在200～400nm的电磁波,它又分为4个波段,真空紫外;UV-C,100-280nm;UV-B,280-315nm;和UV-A,315-400nm,见图1[3]。其中能杀菌消毒的紫外波段为 200～300nm,即紫外C和紫外B中的部分,其经常被用于水和空气消毒[4]。

2 紫外线消毒的原理及在水处理中的应用概况

2.1 紫外线消毒的原理

紫外线消毒水处理技术是一种基于现代光学、防疫学、生物学和物理化学的消毒技术,利用特殊设计的紫外发生装置产生 UV-C照射流水,当水中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其它病原体受到一定剂量的UV-C辐射后,其细胞中的脱氧核糖核酸或核糖核酸结构受到破坏,使其丧失复制和繁殖能力,因细菌、病毒的生命周期一般较短,不能繁殖的细菌、病毒就会迅速死亡,从而在不使用任何化学药物的情况下达到消毒和净化的目的。

图1 紫外线消毒波段

2.2 紫外线消毒水处理的优点

除了表1所述之外,紫外线消毒水处理技术的优点还有以下几点[7],紫外线属广谱杀菌射线,在足够的照射剂量下,能杀死一切微生物,包括细菌、结核菌、病毒、芽抱和真菌,并且杀菌速度快,大多数都是在1s之内。另外,紫外线消毒技术对近些年发现的致病性病原微生物贾第鞭毛虫和隐抱子虫也具有良好的灭活效果。使用低压汞灯和中压汞灯均能有效地灭活隐抱子虫,38mJ/cm2的辐射剂量就能达到99.99%的杀灭率。

2.3 紫外线消毒在水处理中的应用概况

1910年Cernovedeow和Henvi第一次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒[5]。此后,紫外线消毒水处理技术得到了长足的发展和广泛应用。在欧美许多国家的水处理厂中,紫外线消毒被广泛采用。如在芬兰的赫尔辛基,处理能力达310万m3/d的紫外线消毒装置已在一家企业投入使用。美国已将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳消毒方式写入供水法规中[6]。美国EPA2006年又制定《紫外线消毒准则手册》(UltravioletDisinfectionGuidance Manual)。在污水消毒方面,以我国为例,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,该标准的颁布为紫外消毒技术的推广应用提供了契机。建设部于2005年11月通过了《城镇给排水紫外线消毒设备(GB/T19857-2005)》标准,规定城镇生活饮用水的技术标准为40mJ/cm2,中水回用的技术标准为80mJ/cm2,城镇污水的技术标准为15mJ/cm2(一级B标准),城镇污水的技术标准为20mJ/cm2(一级 A标准)[7]。《室外排水设计规范(GB50014-2006)》规定,污水宜采用紫外线或二氧化氯消毒,也可用液氯消毒;污水的紫外线剂量为二级处理的出水为15～22mJ/cm2,再生水为 24～30mJ/cm2;此外,对紫外线照射渠的设计也做出了详细的规定。上述规范标准规范了紫外消毒设备的应用和技术要求,同时也为紫外消毒技术在生活饮用水、饮用净水、城镇污水处理厂出水、城市污水再生利用水、工业废水处理等领域的应用奠定了基础。目前,紫外消毒已成为水厂和污水处理厂出水消毒的规范化手段之一。

3 紫外线消毒水处理技术的不足及其克服

紫外线消毒虽然具有很多化学消毒无法比拟的优点,但也存在着一些制约其发展的因素,其中最突出的是紫外线无持续杀菌能力,另外紫外线消毒对水体要求高,技术本身存在的一些限制使紫外线技术在应用中面临着诸多问题,如何有效地解决这些问题,是紫外线技术在水处理领域的推广应用所面临的巨大挑战。

3.1 病原微生物的光复活及紫外线无持续杀菌能力

微生物自身具有修复机制,这使得已经被紫外线杀灭的细菌在光照条件下发生复活现象,影响出水水质。此外,当处理水离开紫外线消毒反应器之后,消毒过程既已经结束。对于远距离传输的饮用水或再生水,在管网传输过程中一些被紫外线杀伤的微生物有可能会修复损伤的分子,使细菌再生,也可能在沿途滋生新的细菌和病毒,从而对水质安全有构成威胁。一般通过提高UV剂量和采用UV-氯或UV-PAA(过氧乙酸)组合工艺来解决光复活问题及维持持续的消毒效果[8]。紫外线与其它消毒技术联用,如UV-氯胺组合消毒工艺,即可以利用紫外线的广谱杀菌能力和高效杀灭贾第鞭毛虫和隐抱子虫的能力,又可以利用氯胺消毒持久性最长和消毒副产物链很小的优势,不失为一种值得推广的多屏障消毒工艺。

3.2 紫外线穿透力低

紫外线的穿透力低,这就使得其消毒效果受水质的影响比较大,水的色度、浊度、有机物和氨氮等都会吸收紫外线而降低其透过强度,影响紫外线的消毒效果。另外水体中的生物群、悬浮物、矿物质等容易积聚在灯套管的表面,形成结垢影响紫外光的透出,从而影响紫外线的消毒效果[1]。因此,采用紫外线消毒时需要对原水进行预处理,尽量降低水的浊度、有机物等对紫外线消毒的影响。在设计紫外线消毒工艺时,应尽可能把此工艺放在处理末端,并通过改变流速、优化灯管布置等来提高水与紫外线的接触时间,以保证出水水质。要定期对灯套管进行清洗,以减少灯套管表面的结垢对紫外线的吸收。

4 紫外线消毒水处理技术的研究与应用展望

4.1 紫外线消毒后的细菌复活

微生物对由紫外线造成的DNA损坏有很强的修复能力,因此复活后的微生物可以继续分裂和繁殖。DNA修复可以在无光(黑暗修复)的条件中进行,但在有阳光直射(光复活作用)的开放系统中,这种修复的速度会大大地加快。尽管对于紫外线消毒后的细菌复活现象,一方面可以通过优化工艺如增加水与紫外线的接触时间、加大紫外线剂量、改变紫外线灯的类型(如电压和波长等)等来解决;另一方面可考虑紫外线消毒与其他工艺联用以达到较好的处理效果。研究发现紫外线的剂量和灯管的类型对复活反应的发生有极大的影响,甚至可以起决定性的作用,例如,低压(单波长)紫外线灯比中压(中波长)灯更容易受光复活作用的影响[9]。但是,我们仍然需要对光复活机理和发生条件进行更广泛和更深入的研究。目前,细菌和病菌的复活再生成为紫外线消毒技术研究的热点之一[10]。

4.2 流体力学模拟软件(CFD)的应用

流体力学模拟软件(CFD)可以应用于紫外线反应器的设计。CFD用来预测和分析流场现象、水头损失、流速、压力、粒度分布和紫外剂量等参数,再根据项目的不同(如流量、流体动力性质等等)进行模拟,最终确保实际的紫外线系统可以按照设计要求完成最终的消毒任务,这样就有效的提高了紫外线系统的消毒效率[11,12]。目前,CFD已经成为很多优秀紫外线设备厂商设计的日常校准工具。

4.3 紫外线消毒高效光源

紫外线消毒常用中低压汞灯。然而自2006年鉴于汞的危害性,欧盟(EU)不建议采用汞灯。20世纪80年代,紫外灯管的功率只有几十瓦,对于大规模的水厂或污水处理厂,需要安装的紫外模块太多,而且紫外灯寿命很短,只有1 000h,灯管更换频繁。因此,大规模的水厂如果采用紫外消毒技术投资和维护费用相对较高。现在155W和320W的紫外光灯已经开始普遍应用,800W的高强紫外灯正在研制。2万t/d的污水处理厂可以仅用50支紫外光灯,20万t/d的污水处理厂(一级B出水)只需300支灯管即可,而且紫外光灯的寿命也可以达到12 000～20 000h,使得消毒系统的可靠性大大提高,运行和维护费用也大为下降。

发光二极管(LED)用作紫外消毒的光源被成为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到 260～262nm之间这样一个狭窄的波长范围,并且具有很高的功效和很长的使用寿命(据报道超过100 000h),因为自身的点光源,所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷,因此这项技术还停留于概念阶段[13,14]。对于紫外线-发光二极管(UV-LED),有研究采用光伏技术即利用太阳能产生驱动LED进行灭菌(PV-UV-LED)。但是目前 UV-LEDs波长范围为 370～400nm,即UV-A光。UV-A光直接作用于DNA,核酸和细胞的酶、改变分子结构而导致细胞死亡。此外UV-A与水中DO和水反应生成高活性的O自由基和过氧化物,破坏细胞结构和灭活[15,16]。

5 结语

紫外线消毒由于不投加化学药剂,不产生有害物质,安全可靠。紫外线消毒具有广谱性,能快速高效地杀死包括细菌、结核菌、病毒、芽抱和真菌等在内的所有微生物,尤其是对水中贾第鞭毛虫和隐抱子虫具有良好的灭活效果。因此,紫外线消毒技术在水和污水处理领域得到了广泛应用。但是,在实际应用中需要考虑抑制消除微生物的复活再生和持续杀菌以及克服紫外线穿透力低的问题。

紫外线消毒技术的研发与应用的主要方向包括紫外线消毒后的细菌复活研究、流体力学模拟软件的应用、和紫外线消毒高效低能耗光源的开发等。这些方面的研究与开发为未来技术的革新提供了极大的空间。在不久的将来,紫外线消毒技术在水和污水处理领域的应用将更加普及。

[1]谭凤训,周 峰,武道吉.紫外线技术在水处理中的应用与发展[J].山东建筑大学学报,2009,24(2)：175～179.

[2]刘艳萍,邵林广.城市污水消毒技术的研究进展[J].节能与环保,2005(8)：1～ 2.

[3]张 辰,张 欣,吕东明,等.紫外线消毒的理论研究[J].给水排水.2004,30(1)：21～ 24.

[4]Chang J C H,Ossoff S F,Lobe D C,et al.UV inactivation of pathogenic and indicatorm icroo rgan-ism s[J].Environ M icrobiol,1985(49)：1 361～ 1 365.

[5]Henry V,H elb ronner A,Recklinghausen M.Nouvelles recherches sur la sterilization degrandes quan tited d＇eaupar les rayons ultraviolets[J].Com p Rend Acad Sci,1910(151)：677～ 680.

[6]Frederickw P.Regu lations in 2000 and beyond[J].Jaww a,2000,92(3)：40～53.

[7]马学明.紫外线消毒技术在水处理领域的应用[J].宁夏机械,2007,(4)：32～ 34.

[8]刘 佳,黄翔峰,陆丽君,等.紫外消毒出水的微生物光复活及其控制技术[J].中国给水排水,2006,22(15)：1～4.

[9]Hu JY,Chu SN,Quek PH,et al.Repair and regrow th of Escherichia coliafter low-and medium-pressure ultraviolet disinfection[J].W ater Science and Technology：Water Supply,2005,5(5)：101～ 108.

[10]Jacqueline Sǜ?,Sabrina Volz,U rsulaObst.Ap plication of am olecu lar biology concept for the detection of DNA damage and repair during UV disinfection[J].Water Research,2009,43(15)：3 705～ 3 716.

[11]Janex P Savoye,Z Do-Quang E,et al.Impact ofw ater quality and reactor hydrodynam icson w astew ater disinfection by UV,use of CFD m odeling for performan ce optim ization[J].W ater Science and Technology,1998,38(6)：71～ 78.

[12]Ferdinando C rapu lli,Domenico Santoro,Charles N.H aas,et al.Modeling virus transport and inactivation in a fluoropolymer tube UV photoreactor using Com putational Fluid Dynam ics[J].Chem ical Engineering Jou rnal,2010,161(1-2)：9～ 18.

[13]徐 莹.紫外线(UV)消毒技术在水处理方面的发展新趋势[J].水工业市场,2008(12)：36～ 37.

[14]W A M,H ijnen,E F Beerendonk,G JMedema.Inactivation credit of UV radiation for viruses,bacteria and protozoan(oo)cystsin w ater：A review[J].Water Research,2006,40(1)：3～ 22.

[15]Department of Water and Sanitation in Developing Countries(Sandec).Solar water disinfection(SODIS)manual[R].London：Intermediate Technology Development G roup Pub lishing(ITDG),2002.

[16]Josie Close,Jasper Ip,K H Lam.W ater recycling w ith PV-powered UV-LED disinfection[J].Renewab le Energy,2006(31)：1 657～ 1 664.