城市污水处理中紫外线消毒技术的应用

郑 鹰，康文刚

（新疆建设职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

1 紫外线消毒原理及技术优势

简言之，紫外线消毒就是利用紫外线的生物灭活机理来达到消灭微生物、净化水质的目的。紫外线是一种不可见光，是一种波长在100～400 nm之间的电磁波。根据不同的紫外光波长，可以将紫外线分为不同的类型，其中波长在315～400 nm的为紫外A，波长在280～315 nm的为紫外B，波长在200～280 nm的为紫外C，波长在100～200 nm的为紫外D[1]。其中紫外C能够被微生物遗传物质DNA、RAN吸收，破坏生物体的DNA结构。微生物内的DNA、RNA在吸收了紫外能量后，内部的核酸链会被打断重新排列，可以阻断DNA、RNA的复制，微生物就会失去活性而不再复制、再生，最终达到杀菌消毒的作用。在整个过程中，不需要使用任何化学药剂，也不会对环境产生二次污染，这是一种高效、环境友好型的消毒方法。随着人们环保意识的不断增强，人们越来越意识到大规模氯消毒的危害性，因此对于紫外线消毒技术的认可也越来越广泛。

相比其他消毒方法，紫外线消毒的优势主要体现在以下几个方面：首先，物理消毒不会产生其他有毒有害化学物质，不会对环境、人类、生态等造成二次污染，而有些化学消毒方法会产生三卤甲烷、高分子诱变剂、其他致癌物质等，在某些国家的污水排放、饮用水标准中存在这些物质都会被明确判定为不合格。其次，紫外线消毒操作安全、维护管理简单方便，紫外线消毒技术在整个过程中都不会用到危险化学消毒剂，十分安全可靠，并且在自动运行过程中无需复杂的操作、维护，只需每年清洗或更换一次灯管即可，还有一些紫外线消毒系统为自带灯管的自动清洗设备，能让系统的管理与维护更简便化[2]。再次，紫外线消毒技术对微生物作用最具广谱性，能够有效地控制大肠杆菌、贾地虫、隐孢子虫等，且紫外线消毒性能稳定，水体温度、酸碱度的变化不会对消毒效果产生影响。最后，紫外线消毒技术无须构筑物，占地面积小，消毒时间只需要2～5秒，而加氯消毒需要半个小时，因此紫外线消毒可以在不接触水池的情况下实现消毒操作，且紫外线消毒技术对房屋建筑没有额外要求，大大节省了征地、土建等设备安装成本，在人口密集的城市应用非常方便。因此综合考虑环保因素、生态因素、经济因素、人类健康等各方面的要求，紫外线消毒是一种投资效益高、消毒效果好、适用性强的消毒技术。

2 影响紫外线消毒效果的主要因素

虽然紫外线消毒是一种经济效益高、消毒效果好的技术，但是在使用过程中多种因素均会对其使用效果产生较大影响，主要包括以下几个方面：

首先，紫外剂量。紫外剂量是指单位面积上接收到的紫外线能量的多少，计算方法是紫外光强度乘以接触时间。当紫外光强度条件一致，接触时间越长、紫外剂量越大、理论上紫外剂量越大消毒效果就越好，不过紫外剂量也是有极限的，超过极限值不仅达不到相应的灭杀效果，反而会增加消毒成本。其次，污水水质。污水的悬浮物、颗粒也会对紫外线消毒效果产生直接影响。污水中的悬浮物会影响紫外线消毒效果，这主要是因为悬浮颗粒会吸收、分散紫外线能量，且微生物有可能隐藏于悬浮颗粒中，紫外线的灭活效果就会大打折扣，所以紫外线消毒系统要严格控制污水悬浮物，系统前端会设置悬浮物沉淀或过滤装置，悬浮物浓度越低，消毒效果就越好。因此紫外线消毒技术在使用过程中通常先用膜法过滤，再用紫外线消毒，以减少紫外剂量，改善消毒效果。除了悬浮物，污水中可能还含有不同粒径的颗粒物，如果颗粒物粒径达到某个临界值，粒径越大，紫外剂量的应用就会越高，特别是一些易结成大颗粒团状物的致病微生物，紫外线消毒的应用效果就会受到一定限制，且效率不高。针对这种情况，需要对二级处理出水进行过滤，将较大颗粒去除后再利用紫外线进行消毒，以提高紫外线利用率。再次，紫外灯套管清洁情况及水力负荷。污水流过紫外线消毒器时，其中的无机物杂质会粘附在套管外壁，特别是污水有机物含量越高，就越容易形成污垢膜，微生物容易生长成生物膜，直接影响到紫外线的透射，降低消毒效果[3]。污水处理流量也会影响到紫外线消毒效果，因为紫外线接触水流时间短，如果水量突然增加而紫外光剂量没有变化，就会影响到紫外线消毒效果，因此要根据水流最大峰值设计紫外线剂量。最后，光复活作用。当污水流经紫外线消毒渠后，在紫外线的照射下，水中的微生物会被灭杀，但是有些微生物可能会在受到可见光照射后激发体内光复活酶作用，原本连接在一起的二聚体解聚并形成单体，微生物的复制能力也被恢复。光复活是紫外线消毒水处理领域的常见现象，诸如大肠杆菌等指示性微生物都具有光复活能力，因此紫外线消毒技术在应用过程中要通过增加消毒剂量、在避光条件下排湿出水等方式减少光复活问题，以改善消毒效果。

3 城市污水处理中紫外线消毒技术的应用

3.1 紫外线消毒系统的组成

按照结构不同，紫外线消毒系统可以分为明渠式与封闭管道式两种，其中在污水处理厂应用最为广泛的就是明渠式紫外线消毒系统，其主要组成部分包括紫外线消毒模块组、配电系统、控制系统、紫外光强探头、低水位探头、水位控制装置、清洗装置及混凝土渠道等[4]。其中紫外线消毒模块组是整个系统的核心部分，包括紫外灯、灯管套管、遮光板、镇流器以及一台用于安装及维护紫外线模块的微型起吊设备；配电系统的主要作用是向紫外线消毒系统提供电源支持；控制系统则对整个系统的运行参数进行控制，根据实际情况对整个系统的运行状态进行调整；紫外光强探头的主要作用是对消毒模块的紫外光剂量进行实时监测，从而监测消毒效果是否满足要求；低水位探头及水位控制装置的主要作用是保证水位处于一个合理的状态，避免水位过低导致紫外灯管暴露在空气中干烧而损坏，保证系统水位的稳定性，从而更好地保证消毒效果；清洗装置的主要作用就是擦洗灯管表面的附着物。

3.2 紫外灯管类型的选择

污水处理紫外线消毒系统中消毒灯主要采用汞蒸汽灯，汞蒸汽与电子元件碰撞激发汞，汞原子返回基态时会发射紫外光，少量汞被加入含氢气载气的灯中，灯中电极产生等离子体向汞蒸汽灯提供电子，由于紫外线无法穿透普通玻璃，因此紫外灯多采用石英套管。目前应用于紫外线消毒系统中的紫外灯管包括低压灯、低压高强灯、中压灯等，不同类型的灯管有着不同的特性：中压灯可获得更高的单根输出功率，紫外光分散度大，光谱范围更高，可达到230～300 nm的波长，不过光电转换率较低，仅在15%左右，耗电高。灯管使用寿命相对较短，在5 000 h左右，更换周期短。低压型系统可获得更高的光电转化率，且灯管使用寿命也远远大于中压灯，在8 000～12 000 h左右，灯管利用率更具优势，不过单根灯管输出功率低，所需灯管数量多，因此增加了更换灯管的成本。三种灯管只要有效剂量相同，就可以获得相同的消毒效果，不过低压灯光强较弱，穿透力不高，所以多应用于低浊度污水；而中压紫外灯光强更强，具有更高的穿透力，因此高浊度污水的处理可以选择中压紫外灯[5]。

3.3 紫外线剂量计算

紫外线剂量的计算是整个紫外线消毒系统设计中的关键问题，因此要准确、合理计算紫外线剂量，既能够保证消毒效果，又可以降低运行成本。在计算紫外线剂量时，要先取得消毒对象的水质样品，测量其细菌数、种类、水样透射率等相关水质参数，再通过静态或动态试验得到设计标准的紫外线剂量，具体可用下式计算：D=IT，式中，D即为紫外线剂量，单位：J/m2，I表示紫外线密度，单位：W/m2，T表示紫外线照射时间，单位：s[6]。应用理论紫外线剂量进行测算是假定一个理想状态下，所有微生物都能够接受到同样剂量紫外线的辐射，然而上文中提到，诸多因素均会对紫外线消毒效果产生影响，消毒系统的设计也无法真正处于一个完美的理想条件，因此测算理论紫外线剂量只具有参考价值，无法保证达到设计的灭杀率，因此要采用生物验定剂量为主要设计参数，即紫外线消毒器实际能够达到的设计灭杀率所需要的紫外线剂量。在计算紫外线剂量时，要将灯管的老化系数计算进去，通常可以取0.5～0.8，视不同厂家生产的产品而定。此外还要考虑灯管表面结垢的影响，因此在计算紫外线剂量时要考虑灯管的结垢系数，结垢系数一般为0.8，但是灯管的清洗方式不同，结垢系数的确定也稍有差异，比如人工清洗灯管时结垢系数就选择0.7，纯机械清洗灯管时，结垢系数选择0.8，机械加化学清洗时，结垢系数可选择1.0。