污水处理中紫外线消毒技术的研究进展

Posted 2023-01-13 紫外线

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1 前言
紫外线消毒最早应用于美国，由于其接触时间短、占用空间少、又不会产生对人畜有害的副产品，因此被认为是传统液氯消毒最佳的替代品。1986年，美国环保署(EPA)将紫外线消毒列入污水消毒设计手册，进一步推动了紫外线消毒替代化学消毒的进程。紫外线消毒在国内的污水处理厂中也得到了应用。上海闵行污水厂利用原有的加氯接触池改造紫外线消毒系统，取得了良好的消毒效果，平均细菌灭杀率达到99.8%。它的成功运行，将为今后在这方面展开研究积累大量的数据和经验。
2 紫外线消毒的原理
紫外线消毒与化学消毒杀菌不同，它不是通过得失电子的氧化还原反应进行，而是通过由紫外光子辐射导致的光化学反应来进行。当紫外线照射微生物时，发生能量的传递和积累，积累的结果一方面可使核酸突变、阻碍其复制、转录、封锁其蛋白质的合成；另一方面，产生的自由基可引起光电离，从而导致细胞的死亡。
微生物体受紫外线照射，吸取紫外线的能量，其实质是核酸对紫外线能量的吸收。核酸分为脱氧核酸(DNA)和核糖酸(RNA)，其紫外线吸收光谱的范围在240～280nm，对波长260nm的紫外线最大吸收，因此，目前生产的紫外灯的中心辐射波长是253.7nm，该波长在世界顶级紫外灯中已占紫外能量的90%以上、总能量的30%以上。
3 影响紫外线消毒效果的因素
3.1 紫外剂量
紫外剂量是影响消毒效果的直接因素。它等于紫外光强度与接触时间的乘积。在相同的紫外光强度条件下，接触时间决定紫外剂量。在大型污水处理厂中，由于水量大，接触时间得不到保证，因此用紫外线消毒的效率比小型污水处理厂差。从理论上分析，紫外剂量越大，消毒越好，然而紫外消毒有一限值，超过此限值则不能经济有效地对额外的微生物进行灭杀。如果分别考虑紫外光强度与接触时间对消毒效果的影响，可以发现，对于不同种类的微生物，两者的影响是不同的。
在紫外剂量相同的情况下，紫外光强度对于大肠埃希氏杆菌影响更大，这是因为细胞中的修复酶对紫外光强度更敏感；而对于真核酵母菌细胞来说，增加接触时间更有利于灭杀；当然对于更多的微生物，如噬菌体、孢子，把两者分开讨论是没有多大意义的，原因可能在于其在紫外线消毒过程中处于一种不活动状态。因此没有必要确定最少的接触时间和最小的紫外光强度，两者的乘积才是影响紫外线消毒效果的必要因素。
3.2 微生物的种类和负荷
由于污水中细菌、病毒的种类繁多，且对紫外线的抗性不同，因此对于不同类型的污水，呈现出不同的消毒效果。有些微生物对于紫外线比较敏感，去除率较高，如粪大肠菌(faecal coliforms)，而有些微生物则不然，需用较高的紫外剂量进行灭杀，如F-RNA大肠杆菌菌体、铜绿色极毛杆菌(pseu domonas aeruginosa)。微生物负荷是影响紫外线消毒效率的一大因素，较高的微生物量必然要求更高的紫外剂量。目前，在紫外线消毒器的设计中，主要是灭活TC(总大肠菌)、FC(粪大肠菌)、E.coli(大肠埃希氏菌)、粪链球菌和沙门氏菌数量来估计紫外线剂量需求。
3.3 水质参数
3.3.1 紫外线的穿透率(UVT)
一般来说，紫外线的穿透率越低，消毒效果越差。穿透率与上游处理工艺、来源以及水中工业化合物的成分有关。法国的一家污水厂运行紫外线消毒系统后表明：当UV输出功率为26.7wuvc，穿透率<40%时，经紫外线消毒后的微生物数有可能超标，而在穿透率>55%，并且COD和SS的值都比较低的情况下，可以获得较好的消毒效果。
3.3.2 总悬浮物(TSS)
总悬浮物对紫外线消毒的影响主要表现在：
(1)悬浮颗粒吸收并分散了紫外能量，
(2)微生物隐藏在颗粒中受到保护，避免了紫外线和化学药剂的破坏。如果通过膜法过滤，再用紫外线消毒，那么所需紫外线剂量大大减少，同时消毒效果也有很大提高。在比较国内与国外紫外线消毒性能差别时，有观点认为：国外水处理厂出水的SS<10mg/L，而国内处理出水SS为20～30mg/L，这方面的差异使得国内污水厂在使用紫外线消毒后的杀菌效果较差。
3.3.3 颗粒物的尺寸分布(PSD)
颗粒物的尺寸分布影响紫外线的消毒效率。当颗粒物粒径超过某一临界值时，紫外剂量随着污水中颗粒物粒径的增加而增加。对于某些致病微生物，由于其易结成大颗粒的团状物，在处理这类污水时，紫外线消毒的效率不高，并受到了一定的限制。
3.4 水力负荷影响
紫外线消毒因素还有处理流量，当水量突然增大时，紫外线接触时间短，需要更强的紫外剂量。而紫外线系统通常根据最大峰值流量设计，当水力负荷大时，出水水质较平时差，杀菌率无法保证。
3.5 其它影响因素
铁离子化合物也被认为会影响紫外线消毒，它可以降低紫外穿透率，为微生物提供一道保护屏障，增加消毒阻力，增加有清洗装置的石英套管结垢。
4 紫外线消毒与其他消毒工艺的联用
4.1 紫外线消毒+过乙酸消毒(peraceticacid)
过乙酸是一种强氧化剂，适用于pH在1～10和温度0～100°C范围内污水的消毒，目前广泛应用于食品工业。由于它对霍乱弧菌等污水中常见的指示剂具有很高的杀菌效率，因此被引入污水处理厂出水的消毒。然而，由于过乙酸消毒是一种化学法消毒，需用较高的浓度和较长的接触时间才能有较好的杀毒效率，因此，考虑与紫外线消毒系统联用，可以大大缩短接触时间，减少过乙酸的剂量，具有良好的经济性。
4.2 紫外线消毒+传?a href='http://www.baiven.com/baike/224/268918.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>陈确ㄏ?BR> 紫外线消毒一方面会产生光复活作用，另一方面由于没有残余消毒作用，在进入市政管网之后会产生再次污染，因此单用紫外线消毒无法保证回用污水的微生物值达标，客观上使得紫外线消毒在污水中回用受到了限制。考虑紫外线与传统氯法的联用正是基于以上原因，利用较低量的液氯起残余消毒作用，从而避免消毒后的水受到二次污染。又由于使用的液氯浓度低，量少，因此产生的副产品量也很低，不会对人体产生毒害作用。
5 结语
在国内，虽然工程上已经逐渐开始使用紫外线系统，但是对于紫外线消毒技术的研究并没有完全开展起来，对于紫外线消毒在污水处理中的应用还有许多的难题，如：
(1)由于我国污水处理厂出水的水质与国外存在很大的不同，影响紫外线消毒性能的因素又是如此之多，如何更好地发挥紫外线消毒系统的性能；
(2)目前在国内使用紫外线消毒系统的都是小型污水处理厂，如何更好的应用到大型污水处理厂；
(3)传统的加氯接触池已被证实可以改造成紫外线消毒系统，然而较长的出水渠使得光复活作用比较明显，如何降低这种影响；
(4)利用紫外线消毒与其他消毒方法的联用，是否可以灵活应用于其他工业废水的处理等等。这些都需要进一步的研究，并不断推广应用。