给水厂紫外消毒工艺设计要点分析

王红禹

(博天环境集团股份有限公司，上海 200120)

目前，紫外系统在我国市政污水的应用已经大规模展开，设计人员对污水处理中采用的紫外系统的设计选型了解得比较深入，积累了很多宝贵的经验［1，2］。然而，紫外系统在给水厂的应用在国内才刚刚起步，截止目前，国内仅有少数市政水厂设置了紫外消毒工艺。

《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)明确将两虫(贾第鞭毛虫和隐孢子虫)列入水处理消毒目标微生物，而常规的化学消毒对其灭活效果十分有限，在这一点上，紫外技术的优势越来越明显。随着紫外消毒系统技术逐步成熟，更多的水厂在未来会逐步引用紫外技术与化学方式联合进行饮用水的消毒处理。

1 紫外消毒原理

紫外消毒是一种物理消毒工艺，利用253．7 nm波长的紫外光对水中微生物中的遗传物质DNA，RNA的结构破坏，导致微生物无法繁殖，从而丧失致病能力，实现对饮用水的消毒目的［3］。相比传统的化学加药消毒工艺，紫外系统不仅可以灭活细菌和病毒，而且对原生动物(两虫)也有很好的消毒效果，同时不会产生消毒副产物。

2 设计依据

2．1 设计规范

关于紫外系统在饮用水处理上的应用，国际上比较通用的设计规范有以下几种:

(1)美国2006年EPA(美国环保署)，UVDGM(Ultraviolet Disinfection Guidance Manual)，《紫外消毒指导手册》;

(2)德国2006年德国气和水工程协会DVGW(Deutsche Vereinigung des Gas-und Wasserfaches);

(3)奥地利2001年和2003年ÖNORM，分别用于低压和中压紫外系统的设计。

不同紫外消毒设计方法的比较如表1所示。目前，欧洲的趋势是根据处理规模和市场需求选择不同的设计方法。如对于小型系统(500 m3/h以下)倾向于采用欧洲的设计方法，如DVGW;而对于大中型系统(500 m3/h以上)倾向于采用美国环保署的设计方式。

表1 不同紫外消毒设计方法的比较Tab．1 Comparison of Different UV Disinfection Design Method

中国对于紫外系统在饮用水方面的设计研究也在不断发展，但由于实际工程实例较少，目前还没有系统的设计指导手册。2005年出版的《城市给排水紫外线消毒设备》要求生活饮用水消毒的紫外线有效剂量不应低于40 mJ/cm2。

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2．2 设计参数

2．2．1 概述

紫外系统的消毒效果好坏主要受紫外消毒剂量的影响。紫外消毒剂量(mJ/cm2)=紫外强度(mW/cm2)×水力停留时间(s)。

因此，在紫外系统的工程设计时，需考虑所有可能影响紫外消毒剂量的因素。通常设计参数如表2所示。

表2 紫外消毒设计参数Tab．2 Design Parameters of UV Disinfection

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2．2．2 紫外剂量

紫外剂量是指单位面积上接收到的紫外线能量。其大小直接关系到消毒效果的好坏。确定合理的紫外剂量是紫外系统设计的关键。

目前，对于紫外剂量也有不同的衡量方式。包括采用点光源累加法，通过计算得出的紫外计算剂量以及通过平行光束试验并经校核的生物验证剂量。如前所述，德国、美国及中国标准对紫外设计剂量的规定都是指生物验证剂量。而生物验证剂量通常都是通过一系列试验得出的，但在国外都是需要出具独立的第三方认证才被认可。

2．2．3 紫外透光率

254 nm下的紫外透光率通常用UVT254表示，指波长254 nm的紫外线通过1 cm比色皿水样下测定的透光率，紫外透光率可用分光光度计测量计算获得。水样的紫外透光率大小是直接影响紫外系统选型的重要参数。透光率越大，其实际照射到微生物的紫外光强度就越大，紫外剂量越高。UVT254的微弱变化，如±1%的偏差，都会对选型造成很大的影响。例如，某水厂紫外系统选型，采用3台紫外发生器，在UVT254=90%时，3台全部运行才能达到设计剂量要求;若UVT254=93%，则仅需2台紫外发生器即可达到同样的剂量，实现2用1备的运行。

3 设计中的常见问题

3．1 紫外灯的选择

目前用于饮用水消毒常用的紫外灯有两类，分别是中压灯管和低压高强灯管。两者的主要区别如表3所示。

表3 中压紫外灯与低压高强紫外灯的比较Tab．3 Comparison of Medium-Pressure UV Lamp and Low-Pressure High-Strength UV Lamp

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由表3可见，由于中压灯单根灯管的输出功率大，因此灯管数相对较少，易于维护。但由于中压灯灯管寿命相对较短，灯管的更换频率会较高。同时，中压灯的电光效率仅为低压灯管的1/3～1/2，因此运行时电费的成本较高。因此在具体选择时，应根据当地的情况分析决定。

3．2 清洗方式的选择

紫外灯在工程应用时，是安装在石英套管内，并不直接与水接触。而石英套管的紫外透光率也是影响紫外系统消毒效果的重要一环。因此需要定期对其进行清洗，避免套管表面结垢造成套管透光率的下降。

不同类型的灯管对于清洗有不同的要求。

对于中压灯管，由于其灯管表面温度在600～900℃，非常容易结垢，必须高频率清洗，否则UVT254下降很快。因此工程设计通常采用自动清洗系统。

对于低压灯管，表面温度在100℃左右，在饮用水的应用上，根据水质情况，可以每个季度或半年清洗一次，通过UVT监测仪表进行判断，可以手动进行清洗。

4 国内部分应用实例

4．1 上海临江自来水厂

临江水厂位于浦东新区的南部。水厂设计总规模60万t/d。紫外系统自2009年11月开始投入运行［4］。

水厂的主要工艺包括:预臭氧+常规工艺+臭氧活性炭+紫外线联合氯胺消毒。共采用了4台DN1200的管道式紫外消毒反应器，3用1备。

主要技术参数:

UVT254=96%;最低紫外剂量:40 mJ/cm2;灯管数量:共设5(7)组灯组，每组12根紫外线灯，共计60(84)根灯管。

4．2 天津开发区净水厂三期工程

天津开发区净水厂地处天津滨海新区。三期设计产生能力为15万t/d。紫外系统自2009年7月投入运行。

水厂的主要工艺包括:预臭氧+机械混合+上向流炭吸附反应脉冲沉淀池+V型滤池+紫外线联合氯消毒工艺。共采用了4台DN800的管道式紫外消毒反应器，3用1备。

主要技术参数:

UVT254=90%;最低紫外剂量:40 mJ/cm2;灯管数量:每台发生器6根灯管。

［1］周伟良．紫外线在饮用水生产中的应用［J］．净水技术，2002，21(1):38-40．

［2］刘文君．给水处理消毒技术发展趋势展望［J］．给水排水，2004，30(1):2-5．

［3］郄燕秋，朱晓辉，吕东明，等．饮用水紫外线消毒——实施安全消毒的重要技术选择［J］．给水排水，2008，34(6):9-13．

［4］陈艳丽，王如华，欧阳剑，等．紫外线消毒在上海临江水厂改扩建工程中的应用［J］．给水排水，2009，35(1):9-11．