浅论紫外线消毒技术在污水处理厂的应用

作者：吴玲

一、概述

由于污水中含有大量病毒以及细菌，传统工艺广泛采用加氯消毒，显著减少了以水做为载体的疾病的爆发，全面提高了人类的健康水平。但同时化学消毒也带来了严重的问题例如：化学物质对环境带来的负面影响，消毒副产物带给水体的毒性（如：余氯）、有机氯的潜在危险（三氯甲烷和卤乙酸等），而且长期使用会导致原生动物以及很多病毒（如：隐孢子虫）对氯的抗药性增加。为了保护好水环境，保证人类的生命健康，防止和避免引发公共卫生安全事件，世界许多国家和地区都要求对城市污水在排放前进行消毒处理，尽可能杀灭致病菌。由此可见，污水处理厂出水采用消毒工艺意义重大。

近年来某些国家及地区不断爆发各种传染性疫情，病毒的广泛传播和顽强存活的能力，使人们意识到消毒的重要性，尤其是污水处理厂的尾水消毒，成为防止疫情扩散的重要防线。

2003年5月4日，国家环境保护总局要求城镇污水处理厂出水应结合实际采取臭氧、紫外线或加氯等消毒灭菌处理使出水水质粪大肠菌群数小于10000个／L，由此可见污水处理厂尾水消毒的必要性和紧迫性。近年来，业界以粪大肠杆菌群数作为水的卫生品质标准。

二、紫外线消毒技术与传统消毒技术的比较[1] [2]

目前对污水厂尾水消毒的控制措施可分为两大类，即化学消毒方法如：臭氧消毒、加氯消毒和二氧化氯消毒以及物理消毒方法如：紫外线消毒。

各种化学消毒杀菌方法的效果和优缺点的比较如下表所示。

通过上表可以看出寻找化学消毒剂的替代品，减少二次污染，已成为目前污水消毒的必然趋势。而紫外线消毒法系统以其广谱高效的消毒能力和可靠的操作安全性，以及投资运营成本低廉、操作管理简便、不会对水体造成二次污染等优点，逐渐为业界所接受。

2. 紫外线消毒法[1]

2.1 紫外线消毒原理

紫外线消毒是通过紫外线对水的照射进行，是一个光化学过程,它是一种物理消毒方法。紫外线波长中紫外C是杀菌效果最好波长范围，紫外C杀菌的效果取决于紫外线的剂量，紫外线剂量取决于紫外C强度和照射时间，即D=I×S，其中D为剂量，I为强度，S为照射时间。

其杀菌原理是利用紫外线光子的能量破坏水体中各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA结构，使各种病毒、细菌以及其它致病体丧失复制繁殖能力，达到灭菌的效果。

2.2 紫外线消毒技术与传统消毒技术的比较

2.2.1 投资成本

氯消毒需要有较长的接触时间，面积的接触池需要大量征地及土建，而紫外C消毒其土建投资低（其占地面积小、初投资小），因此采用紫外线消毒的投资远比氯消毒低的多。

2.2.2 运行、维护成本

紫外线消毒的运行费用主要为电费，维修费用包括更换灯管及配套费用和清洗液费用等。国际权威调查研究加氯消毒的成本为紫外线消毒成本的2~6倍，紫外线消毒成本以我厂为例约为0.0079元/吨

2.2.3 消毒效果比较

①.高效率杀菌: 具有较高的杀菌效率，紫外C对细菌、病毒的杀灭作用一般在1秒以内，若要达到紫外C的杀菌效果的话传使用氯气以及臭氧方法，一般需要20分钟至1小时

②.广谱性: 紫外C技术在目前的消毒技术中，杀菌的广谱性相当高并且对一些氯气和臭氧在水消毒可能的浓度内很难有效杀灭的原生动物都能有效杀灭。

③.无二次污染: 由于紫外C技术不添加任何化学药剂，因此它不会对水体环境产生二次污染，不改变水中任何成分。

④.运行安全可靠： 传统的消毒技术如采用氯化合物或臭氧，其消毒剂属于剧毒、易燃、易爆腐蚀性物质而紫外C水消毒操作系统是一种相对安全可靠的技术。

三、紫外线消毒系统在祥坂厂的应用

1.消毒系统概述

本厂采用A/O工艺二级生物处理，主要处理福州市城市生活污水，处理后的水排入闽江，厂内污水处理工艺流程如图1，图一：

经检测进水未消毒前出水的粪大肠菌群数约为105-106个/升，为使我厂的出水达到国家规定的排放标准，保护水源地，保护人民身体健康，我厂安装了先进的NLQ—75K（240）型模块化紫外线消毒系统（图2），该系统安装于一条紫外消毒明渠中。（内径尺寸：长×宽×水深＝14.5m×2.6m×2.6m）系统由若干独立的紫外灯模块组成，此模块组安装了132支240w低压高强贡灯，平均功耗33kw。所有灯管彼此互相平行且为均匀排列，紫外灯管与水流方向顺流，保证在明渠中的紫外灯管模块组中每一点有均匀的紫外光亮以保持稳定的灭菌效果。水流靠重力流动因此不需要泵、管道以及阀门。维护时系统无需停机，可继续运行消毒，维护可对单个模块进行且模块可很容易地从明渠中直接取出进行维护检修，所以无需备用设备并且对明渠进行清理也很方便。模块化明渠式消毒装置系统维护简单方便大大降低了紫外线污水消毒的成本。只需适当增加紫外灯模块的数量，无需添购整套系统，，即可满足污水处理厂在扩建或改造时的需求，因此可以节省设备投资，使用起来非常灵活。经过一段时间的运行调试后，我厂的紫外线消毒系统效果完全能达到规定的要求。

2. 紫外线消毒效果的验证

紫外线消毒的效果以水中粪大肠菌群数来表示

2.1 采用的方法：多管发酵法。[3]

2.2 水样的保存：

水样采取后，迅速送回实验室立即检验，若来不及检验，应放置于4度的冰箱内保存，若缺乏低温保存条件，应注明水样采集与检验相隔的时间。污水要在6小时内结束检验。

2.3 实验检测

检测实验在本厂的无菌操作间进行

2.3.1 紫外线的消毒效果与水流量的关系

2.3.2 紫外线的消毒效果与悬浮物SS的关系

2.3.3 消毒剂量与粪大肠菌群去除率的关系

2.3.4 光复活现象实验

3.结果

3.1紫外线的消毒效果与水流量及SS关系如下表（一）所示：

3.1.1 在相同的参数下流量的增加或减少会影响紫外线消毒效果，流量的增加使粪大肠菌群数去除率下降，减少时去除率上升如（图3）

3.1.2 出水悬浮物SS值会影响消毒效果。因悬浮物会吸收、阻挡紫外线并包裹细菌，SS值提高会导致消毒效果下降，达到一定极限即使增加消毒剂量也不会提高消毒效果，SS值小于30mg时消毒效果最好如（图4）

3.2 紫外消毒剂量与粪大肠杆菌去除率的关系

3.2.1 粪大肠杆菌的培养制备

取消毒池进水口水样培养得到足够量的粪大肠杆菌培养物，浓度为1.8×106个/L，SS值为18mg/L。

3.2.2 将培养物倒入无菌培养皿内，深度1cm。灭菌参数：30W紫外灯，照射距离30cm，时间为5s、10s、15s、20s、30s、40s、50s、60s不等。灭菌后的样品再做进一步的菌群培养。

3.2.3 紫外C杀菌的效果，结果如下：

4. 出水经紫外线消毒后还要流经一段水渠而后排放入闽江，取经紫外线消毒后的水渠中前端和后端水样做水中粪大肠杆菌群数，共进行了五组实验（分别以样1、样2……表示）得出以下结果，如下表三所示：

可见水离开紫外线消毒系统后水中粪大肠杆菌群数呈轻微增加的趋势。这是受到紫外消毒剂量以及微生物的光（暗）复活现象的影响。

四.结果分析评价

1.实验通过多管法检测了本厂紫外线消毒池进水和出水的粪大肠杆菌群数，同时还对水质指标SS进行了检测。由于污水处理厂出水的基本控制项目允许排放浓度应遵循《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准,

标准规定粪大肠杆菌群数的最大级数不得超过104个/L。见下表：基本控制项目最高允许排放浓度（GB18918-2002）单位mg/L

由实验一结果可以看出，污水处理厂未经紫C消毒前的粪大肠杆菌群数为≥2.4×104个/L超过国家规定标准，而经过紫C消毒后粪大肠杆菌群数＜10000个/L，平均去除率为99.53%，说明我厂的紫外消毒系统的灭菌效果是十分显著的，出水指标完全符合国家的排放标准。

2.紫外C杀菌受水流量以及进水口SS值影响较大

流量变化导致水负荷变化致使处理的污水中的悬浮物、溶解性有机物和无机物相应的增加或减少。流量过多容易造成灯管结垢，会抑制紫外线的透射，影响消毒效果，流量过少会使石英灯管暴露在空气中。因此石英套管外壁的清洗工作是运行和维修的关键，必须确保出水悬浮物控制在20mg／L以下，且得对石英玻璃套管、灯管、消毒器定时清洗以除去灯管上的结垢，保证灯管的透光率，达到最佳的杀菌消毒效果

3.通过实验可以知道紫外C杀菌的效果取决于紫外线的剂量，随着消毒剂量的增加，粪大肠杆菌的去除率越高，效果越好。紫外线剂量足够情况下在15S内去除率可达到90%以上，20S内去除率可达到99%以上，其具有高效性灭菌的特点。因此在紫外运行过程中，平时应注意灯管是否全部点燃，电源电压是否正常，进出水是否通畅并定期进行水质监测，在灯管临近有效期终点时应增加频度延长照射的时间增加强度，及时更换灯管,保证有足够的消毒剂量，以达到最佳的效果。

4. 在实验中我们做了紫外线消毒后水渠中前端和后端水样的水中粪大肠杆菌群数的对比实验，后端值会比前端值呈轻微增加的趋势，这是因为紫外消毒法属物理消毒法，没有向水中添加任何化学药剂，不能提供剩余的消毒能力，当处理水离开消毒池之后，一些被紫外线杀伤的微生物在光复活和暗复活机制下会修复损伤的DNA，使细菌再生水体再次受到污染。实际上由于污水的水质特性，这种影响其实是非常小的，污水处理过程中几乎可以不做考虑。

五.经济效益分析

以我厂采用的此套NLQ—75K（240）紫外消毒系统为例，该设备的运行维护成本如下：

紫外系统功率=33kw

灯管老化系数=0.8

电价=0.64元/度

每小时流量=99000吨/天÷24小时

灯管总数=132支

灯管单价=1500元/支

灯管寿命=13000小时

1.紫外系统运行成本计算：设备电耗一项：

电耗成本/吨=紫外系统功率×（1+灯管老化系数）÷2×电价÷每小时流量=33（KW）×（1+0.8）÷2×0.64(元/度)÷[99000吨/天÷24小时]=0.0046元/吨

2.紫外系统维护成本是更换灯管的费用：

更换灯管的费用/吨 =灯管数×单价×（1+ 灯管老化系数）÷2÷灯管寿命÷每小时流量=132（支）×1500（元/支）×（1+0.8）÷2÷13000小时÷[99000吨/天÷24小时]=0.0033元/吨

3.运行维护成本/吨

运行维护成本/吨 =电耗成本/吨＋更换灯管费用/吨=0.0046元/吨＋0.0033元/吨=0.0079元/吨

六、结论

紫外线消毒技术作为物理消毒方式的一种，具有广谱高效的消毒能力和可靠的操作安全性，以及投资运营成本低廉、操作管理简便、不会对水体造成二次污染等优点。在西方发达国家，其在水处理方面得到了广泛的运用。随着对污水尾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，将会成为替代目前的氯化消毒技术的主流技术，其有着显著的社会、经济、环境效益，是适合污水处理厂家以及其他处理水不允许含氯离子时的其他厂家考虑使用的消毒系统。

[1] 胡家骏，周群英。环境工程微生物学，高等教育出版社，1994。

[2] 李金成，夏文香，王永仪。二氧化氯应用于水厂消毒的探讨，中国给水排水，2001

[3] 国家环保局，《水和废水检测分析方法》委员会编。水和废水检测分析方法，中国环境科学出版社，1997。

[4] 高廷耀 顾国维.《水污染控制工程》.北京：高等教育出版社，2000

[5] 周葆珍.饮用水氯化消毒致癌问题..给水排水,1983