污水处理紫外线消毒的影响因素

张克峰，潘春雨，徐 展，王洪波

(山东建筑大学市政与环境工程学院 山东济南 250101)

消毒工艺是污水处理最后把关的一个单元，是必不可少的工艺。目前我国大部分污水处理厂消毒工艺主要采用加氯消毒的方式，但是氯气具有毒性，另外加氯消毒容易生成对人畜、鱼类均有毒害的消毒副产物[1]。因此有必要为城市污水消毒寻求一种新的安全可靠且经济有效的方法。紫外线消毒技术是一种物理消毒方式，不会产生二次污染；杀菌效果好、操作维护方便简单；消毒效果不受水体 pH 和温度的影响[2-4]。城市污水经二级生物处理后，水质虽有较大改善，但细菌的绝对数量仍然较高，并有存在病原菌的可能，潜在的健康危害较大[5]。开展污水处理中紫外线消毒影响因素的试验研究，可以丰富紫外线消毒技术的研究，并进一步支撑及拓展其在污水处理中的应用，有利于保障紫外线消毒的安全性。研究发现[6]紫外线剂量、配水水质及微生物等因素对紫外线消毒有一定的影响，紫外线剂量对紫外线消毒的影响较大。

根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准的要求，粪大肠杆菌指标控制在1 000 CFU/L以内，才可排入受纳水体。因此，试验以粪大肠杆菌为受试菌种，以山东建筑大学中水站砂滤池的出水为研究对象，研究了紫外线剂量、紫外线穿透率、浊度以及粪大肠杆菌的初始浓度对紫外线消毒的影响。

1 试验部分

1.1 试验原水

试验研究的原水采集自山东建筑大学中水站。该中水站污水处理采用的核心工艺流程为“曝气调节→水解酸化→生物氧化→沉淀→生物曝气→砂滤→ClO2消毒”。将消毒前的砂滤池出水作为试验原水，检测后的原水水质指标如表1所示。

表1 试验原水水质指标

1.2 试验装置

试验装置如图1所示。原水箱、变频驱动的潜水泵、电磁流量计和圆柱形消毒容器这四个主要部分构成了大部分试验装置。原水箱和消毒容器柱体的底部用有机玻璃制成；消毒容器的上盖可拆卸，使用了PUC材料，圆柱内径为6 cm，高为50 cm，紫外线灯管放置到圆柱中心的位置。试验原水由原水箱从由潜水泵进入圆柱形消毒容器中，中间安装一个流量计，可以控制水流速度，水流方向为向上流，圆柱体每隔一定距离设一个取样口，紫外线的照射时间由流量控制。紫外灯管选用飞利浦单端四针直管，型号为TUV364P-SET5。紫外灯的初始紫外光强度由紫外灯本身的特性决定。经计算，试验过程中的紫外线光强度为9.48 mW/cm2。

图1 试验装置Fig.1 Experiment Device

1.3 检测指标及方法

试验中，主要的检测指标、检测方法和仪器等如表2所示。

常规水质指标：浊度、COD、pH、水温等；微生物指标：粪大肠杆菌群数。

表2 检测指标、方法和仪器

1.4 消毒效果评价

紫外线的消毒效果用粪大肠杆菌的灭活率来评价，如式(1)。

灭活率=(N0-N)/N0×100%

(1)

其中：N0—紫外线消毒前水样中粪大肠杆菌群个数；

N—紫外线消毒后水样中剩余粪大肠杆菌群个数。

2 结果与讨论

2.1 紫外线剂量对消毒效果的影响

与化学剂消毒不同，紫外线的灭菌过程是一个光化学反应，通过对微生物的照射，诱导微生物体内DNA双链结构中一条链上相邻的两个胸腺嘧啶(T)相互纠缠，成为一个新的二聚体，致使DNA的双链结构被破坏，RNA的复制与转录也就无法正常进行，微生物的生存与繁殖所需要的蛋白质也无法被合成，最终微生物失去细胞功能而衰退或死亡，从而达到消毒杀菌的效果。因此，微生物能否被灭活取决于是否有充足的紫外光能被微生物吸收[7]。然而紫外线照射并不是时间越长、强度越大效果越好，当紫外线剂量超过一定值后将不会有明显数量的微生物被灭活，再继续增加照射剂量，只会增加不必要的成本，因此有必要为特定的微生物群体找到一个合理的紫外线照射剂量值。

紫外线剂量是光强与照射时间的乘积[8]。试验过程中，紫外线光强度为9.48 mW/cm2，选取一定范围内不同的照射时间，通过粪大肠杆菌灭活率的变化来研究紫外线剂量对消毒效果的影响。紫外线照射时间对灭活粪大肠杆菌效果的影响如图2所示。

图2 紫外线照射时间对消毒效果的影响Fig.2 Effect of UV Irradiation Time on Disinfection

由图2可知，在特定光强下，紫外线照射时间逐渐增加，粪大肠杆菌的灭活率先迅速升高后逐渐持平。当照射时间小于5 s时，粪大肠杆菌的灭活率就已经达到95 %以上，说明紫外线消毒对粪大肠杆菌的灭活作用较高。不过由于照射时间较短，污水容易撞在边壁造成短流，致使一部分粪大肠杆菌无法被紫外线充分均匀地照射而被灭活，不能保证消毒效果。随着照射时间升高到10 s，紫外线对粪大肠杆菌的灭活率上升趋势明显，变化幅度较大，说明在这个范围内，紫外线照射对粪大肠杆菌的去除影响比较大，随着照射时间的增加，粪大肠杆菌的灭活率相应升高。当照射时间超过10 s时，粪大肠杆菌的灭活率变化趋势逐渐平缓并接近100 %。照射时间达到35 s时，这时的紫外线剂量高达248.39 mJ/cm2，水中粪大肠杆菌的剩余菌数已经很少了，灭活率为99.999 %，但水体中还是有极少部分的粪大肠杆菌能被检测到，并没有被彻底杀灭。这可能是由于照射时间太长，紫外线照射不均匀或者少部分粪大肠杆菌被水中杂质颗粒遮挡没有受到足够的照射，导致没有被紫外线所杀灭。

根据试验数据，照射时间为10 s时，水中粪大肠杆菌群的灭活率达到了99.98 %，剩余菌数为395 CFU/L，少于1 000 CFU/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准[9]。那么可以认为，10 s的照射时间是一个可以保证消毒效果，且经济有效的紫外线照射剂量值。

2.2 紫外线穿透率对消毒效果的影响

紫外线穿透率一般是指紫外线照射水样介质后，出射紫外线强度与入射紫外线强度的比值[10]。它反映了紫外光在液体中的浸透深度。水层厚度的增加会导致紫外线穿透率的降低，而水中某些可溶性化学物质也会吸收紫外光，使穿透率降低。理论上分析，紫外线穿透率若降低，那么紫外光能够照射到微生物的几率就越少，微生物被灭活所需要的紫外线剂量就越多，会增加一些不必要的成本。因此，需要研究穿透率与消毒效果的关系，并寻找一个合理的穿透率。

试验期间，紫外线照射时间为10 s。不同紫外线穿透率下粪大肠杆菌的灭活情况如图3所示。

图3 紫外线穿透率对消毒效果的影响Fig.3 Effect of UV Transmittance on Disinfection

由图3可知，粪大肠杆菌的灭活率随着紫外线穿透率的升高，总体呈上升趋势，说明紫外线穿透率对粪大肠杆菌的灭活是有一定影响的，提高紫外线穿透率对紫外线的消毒效果有增强作用。由紫外线穿透率与粪大肠杆菌的灭活率关系曲线中可知：紫外线穿透率在62 %以下时，曲线较平缓，粪大肠杆菌的灭活率变化较小；穿透率在62 %～77 %时，粪大肠杆菌的灭活率上升速度较快，变化幅度较大；穿透率提高到77%以上时，曲线升高幅度渐趋平缓，且灭活率已经高于99.4 %，剩余菌数低于1 000 CFU/L。这说明紫外线穿透率在62 %～77 %时，对粪大肠杆菌的灭活作用较明显，影响较大，并在77 %之后影响逐渐减弱。经过数据分析，在今后的污水厂实际消毒工艺中，污水的紫外线穿透率尽量控制在77 %以上，可以保持一个较好的消毒效果。提高紫外线的穿透率还可以相应地降低紫外线照射剂量，降低成本。

2.3 污水的浊度对消毒效果的影响

水中有很多杂质成分，当污水受到紫外线照射时，其中有些物质会把紫外光吸收或者反射出去，那么能受到紫外光照射的细菌就减少了[11-13]。不仅如此，水中的这些物质也会起到对细菌的保护作用，细菌可以依靠甚至进入这些悬浮固体，躲避紫外线的辐射，因此很难被杀灭。

经检测，试验原水的浊度在3.9～11.0 NTU。试验过程中发现，由于原水浊度范围内剩余菌数变化趋势不明显，因此需要扩大浊度范围，进而考察浊度对紫外线消毒效果的影响。通过投加一定量的无菌硅藻土来配置不同浊度的试验水样。试验期间，紫外线照射时间为10 s。不同浊度时粪大肠杆菌群灭活情况如图4所示。

图4 浊度对消毒效果的影响Fig.4 Effect of Turbidity on Disinfection

由图4可知：在试验浊度范围内，粪大肠杆菌群的灭活率都在99.7 %以上，随着浊度的增加，灭活率逐渐降低。浊度从最初的3.93 NTU升高到91.2 NTU，粪大肠杆菌群的灭活率也从99.94 %降到了99.73 %，降幅并不大，且总体对粪大肠杆菌的灭活率都较高。可见，污水的浊度对紫外线消毒效果有一定的影响，但是影响并不大。可能是由于试验选取的照射时间较长，粪大肠菌的灭活率太高，没有反映出浊度对消毒效果的影响。在实际工程应用中，应充分发挥沉淀、过滤等设施的效用，尽量降低出水浊度，以提高紫外线消毒的效果。当浊度升到14 NTU以上时，灭活率降到99.9 %以下，因此实际工程中的浊度可以控制在14 NTU以内。

2.4 污水中粪大肠杆菌的初始浓度对消毒效果的影响

微生物初始浓度是影响紫外线消毒效果的因素之一，除了水中悬浮固体等物质，微生物自身也会引起水样吸光度和浊度的变化。因此，水样中微生物的初始浓度不同，对消毒效果也会有一定的影响。研究认为，较高的微生物量必然要求更高的紫外线剂量[14]。

试验以粪大肠杆菌为研究对象，以粪大肠杆菌的初始浓度为变量，研究粪大肠杆菌初始浓度的改变在不同紫外线照射时间的情况下对紫外线消毒效果的影响。试验设定紫外线照射时间分别为4.5、7.2、10 s，结果如图5所示。

图5 污水中粪大肠杆菌初始浓度对消毒效果的影响Fig.5 Effect of Initial Concentration of Fecal E.coli on Disinfection

由图5可知，不同的紫外线照射时间下，不同初始浓度粪大肠杆菌的剩余浓度总体水平差距很大，照射时间由少到多，剩余浓度的变化趋势越来越弱，初始浓度对于剩余浓度的影响也越来越不明显。尤其是照射时间为10 s时，粪大肠杆菌的剩余菌数基本都在400 CFU/L以下，虽然其随着粪大肠杆菌初始浓度的降低而有所减少，但变化幅度非常小。说明与粪大肠杆菌的初始浓度相比，照射时间的变化对紫外线消毒效果的影响更加明显。经分析研究，这样的现象主要是由于紫外线的照射是使粪大肠杆菌失活的主要因素，若紫外线的照射时间长，紫外线剂量充足，那么虽然水中粪大肠杆菌的初始浓度很高，但都能有机会受到紫外线照射，从而失去活性。因此，当紫外线剂量足够多，初始浓度对消毒效果的影响就微乎其微了。

当照射时间为4.5 s时，粪大肠杆菌的剩余浓度随初始浓度的增加呈缓慢增长趋势。说明，粪大肠杆菌灭活率的变化趋势与其初始浓度成反比，不同的粪大肠杆菌初始浓度对紫外消毒效果的影响较为明显。这是由于紫外线照射时间太短，紫外线剂量不足，照射不均匀，少部分粪大肠杆菌在水中被杂质颗粒遮蔽或者粪大肠杆菌之间相互遮蔽，以至于没有充分受到紫外线的照射，那么当粪大肠杆菌的初始浓度越高的时候，没有受到紫外线照射的粪大肠杆菌就越多，消毒出水中粪大肠杆菌的剩余浓度就随之升高，减弱了消毒效果。因此，若紫外线照射不充足，那么紫外线消毒效果会因粪大肠杆菌初始浓度的增加而减弱，若能保持紫外线照射充足，那么初始浓度对消毒效果产生的影响就可以忽略，就能保证消毒出水的安全性。

3 结论

(1)在固定紫外线光强下，紫外线照射时间对粪大肠杆菌的灭活效果有很大的影响。在一定范围内，随着照射时间的增加，粪大肠杆菌的灭活率也在升高；照射时间为10 s时，出水粪大肠杆菌数可以达到一级A排放标准，继续增加对消毒效果影响不大。

(2)污水紫外线穿透率对紫外线消毒的效果有着重要的影响。在今后的污水厂实际消毒工艺中，污水的紫外线穿透率建议控制在77 %以上，以保持一个较好的消毒效果。提高紫外线的穿透率还可以相应地降低紫外线照射剂量，减少基建费用和设备投资。

(3)污水的浊度对紫外线灭活粪大肠杆菌效果有一定影响。在实际工程应用中，建议消毒前污水的浊度应尽量控制在14 NTU以内。

(4)照射时间不足时，初始浓度越高消毒效果越差；当照射时间达到10 s时，粪大肠杆菌的初始浓度对紫外消毒效果的影响基本可以忽略。

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