紫外線消毒工藝與應(yīng)用概況
20世紀(jì)70年代以后，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的氯消毒會(huì)產(chǎn)生致畸、致癌、致突變的鹵代烷等副產(chǎn)物，而UV消毒法則具有不投加化學(xué)藥劑、不增加水的嗅和味、不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物、消毒速度快、效率高、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、便于運(yùn)行管理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，近20年來(lái)逐漸得到廣泛應(yīng)用。
1 消毒原理
根據(jù)生物效應(yīng)的不同，將紫外線按照波長(zhǎng)劃分為四個(gè)部分：A波段(UV—A)，又稱為黑斑效應(yīng)紫外線(400～320nm)；B波段(UV—B)，又稱為紅斑效應(yīng)紫外線(320～275nm)；C波段(UV—C)，又稱為滅菌紫外線(275～200nm)；D波段(UV—D)，又稱為真空紫外線(200～10nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外線。
研究表明，紫外線主要是通過(guò)對(duì)微生物(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體) 的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達(dá)到消毒的目的。紫外線對(duì)核酸的作用可導(dǎo)致鍵和鏈的斷裂、股間交聯(lián)和形成光化產(chǎn)物等，從而改變了DNA的生物活性，使微生物自身不能復(fù)制，這種紫外線損傷也是致死性損傷。
2 UV消毒器的結(jié)構(gòu)形式
UV消毒器按水流邊界的不同分為敞開(kāi)式和封閉式。
2.1 敞開(kāi)式系統(tǒng)
在敞開(kāi)式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流經(jīng)UV消毒器并滅活水中的微生物。敞開(kāi)式系統(tǒng)又可分為浸沒(méi)式和水面式兩種。
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浸沒(méi)式又稱為水中照射法，其典型構(gòu)造如圖1所示。將外加同心圓石英套管的紫外燈置入水中，水從石英套管的周圍流過(guò)，當(dāng)燈管(組)需要更換時(shí)，使用提升設(shè)備將其抬高至工作面進(jìn)行操作。該方式構(gòu)造比較復(fù)雜，但紫外輻射能的利用率高、滅菌效果好且易于維修。??
系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵在于維持恒定的水位，若水位太高則燈管頂部的部分進(jìn)水得不到足夠的輻射，可能造成出水中的微生物指標(biāo)過(guò)高；若水位太低則上排燈管暴露于大氣之中，會(huì)引起燈管過(guò)熱并在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外線的輻射。圖1中采用自動(dòng)水位控制器(滑動(dòng)閘門)來(lái)控制水位。在自動(dòng)化程度要求不高的系統(tǒng)中，也可以采用固定的溢流堰來(lái)控制水位。
水面式又稱為水面照射法，即將紫外燈置于水面之上，由平行電子管產(chǎn)生的平行紫外光對(duì)水體進(jìn)行消毒。該方式較浸沒(méi)式簡(jiǎn)單，但能量浪費(fèi)較大、滅菌效果差，實(shí)際生產(chǎn)中很少應(yīng)用。
2.2 封閉式系統(tǒng)
封閉式UV消毒器屬承壓型，用金屬筒體和帶石英套管的紫外線燈把被消毒的水封閉起來(lái)，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。
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筒體常用不銹鋼或鋁合金制造，內(nèi)壁多作拋光處理以提高對(duì)紫外線的反射能力和增強(qiáng)輻射強(qiáng)度，還可根據(jù)處理水量的大小調(diào)整紫外燈的數(shù)量。有的消毒器在筒體內(nèi)壁加裝了螺旋形葉片以改變水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而避免出現(xiàn)死水和管道堵塞，所產(chǎn)生的紊流以及葉片鋒利的邊緣會(huì)打碎懸浮固體，使附著的微生物完全暴露于紫外線的輻射中，提高了消毒效率 。
封閉式也劃分為敞開(kāi)式和浸沒(méi)式。敞開(kāi)式消毒器適用于中、大水量處理，多用于污水處理廠。封閉式消毒器一般適用于中、小水量處理或有必要施加壓力且消毒器不能在明渠中使用的情況。
各種系統(tǒng)中外罩密封石英套管的紫外線燈管都可以與水流方向垂直或平行布置。平行系統(tǒng)水力損失小、水流形式均勻，而垂直系統(tǒng)則可以使水流紊動(dòng)，提高消毒效率。 ??
3 應(yīng)用概況
UV消毒法最早應(yīng)用于美國(guó)(1970年美國(guó)環(huán)保局完成了第一個(gè)污水紫外線消毒的示范工程)，現(xiàn)已在美國(guó)和加拿大普遍應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，1985年美國(guó)的污水廠中僅有50座采用了UV消毒，并且其中大部分處理水量相當(dāng)?shù)?＜3.785×103m3/d)；到1990年已超過(guò)500座，而且處理能力有相當(dāng)大的提高(＞3.785×104m3/d)；1995年已有1500座污水處理廠采用了UV消毒。目前加拿大的魁北克省擁有最大的污水UV消毒設(shè)施，處理能力達(dá)到7.42×105m3/d。
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近年來(lái)，一些污水廠將原有的氯消毒系統(tǒng)改造成為紫外線消毒系統(tǒng)，譬如美國(guó)新罕布什爾州、得克薩斯州、俄亥俄州等地的污水廠。因?yàn)閁V消毒接觸時(shí)間短、占用的空間小，故完全可以利用已有的氯接觸池改造成紫外線消毒系統(tǒng)。圖3為具有代表性的污水廠氯消毒改造成UV消毒的俯視圖。??
大多數(shù)紫外線裝置利用傳統(tǒng)的低壓紫外燈技術(shù)，也有一些大型水廠采用高強(qiáng)度低壓紫外燈系統(tǒng)和中壓紫外燈系統(tǒng)，由于產(chǎn)生高強(qiáng)度的紫外線可 使燈管數(shù)量減少90%以上，從而縮小了占地面積，節(jié)約了安裝和維修費(fèi)用，且使UV消毒法對(duì)水質(zhì)較差的出水也適用。
國(guó)內(nèi)研究、生產(chǎn)和應(yīng)用污水UV消毒器者為數(shù)尚少。天津大學(xué)的顧平等人以天津紀(jì)莊子污水處理廠的深度處理出水為研究對(duì)象，進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，確定了紫外線劑量與細(xì)菌存活率之間的關(guān)系，并設(shè)計(jì)出能產(chǎn)生紊流的UV消毒器。多元水環(huán)保技術(shù)產(chǎn)業(yè)(中國(guó))有限公司研制生產(chǎn)的封閉式消毒器可處理100～500m3/h水量，并且在游泳池的循環(huán)水消毒中已有應(yīng)用，模塊化敞開(kāi)式消毒器可根據(jù)用戶需求具體設(shè)計(jì)安裝。煙臺(tái)市套子灣污水廠的深度處理采用了敞開(kāi)式UV消毒工藝，可向城市提供4×104m3/d的工業(yè)回用水，目前運(yùn)行狀況良好。??
4 存在問(wèn)題及應(yīng)用前景
4.1 存在問(wèn)題
①UV消毒法不能提供剩余的消毒能力，當(dāng)處理水離開(kāi)反應(yīng)器之后，一些被紫外線殺傷的微生物在光復(fù)活機(jī)制下會(huì)修復(fù)損傷的DNA分子，使細(xì)菌再生。因此，要進(jìn)一步研究光復(fù)活的原理和條件，確定避免光復(fù)活發(fā)生的最小紫外線照射強(qiáng)度、時(shí)間或劑量。??
②石英套管外壁的清洗工作是運(yùn)行和維修的關(guān)鍵。當(dāng)污水流經(jīng)UV消毒器時(shí)，其中有許多無(wú)機(jī)雜質(zhì)會(huì)沉淀、粘附在套管外壁上。尤其當(dāng)污水中有機(jī)物含量較高時(shí)更容易形成污垢膜，而且微生物容易生長(zhǎng)形成生物膜，這些都會(huì)抑制紫外線的透射，影響消毒效果。因此，必須根據(jù)不同的水質(zhì)采用合理的防結(jié)垢措施和清洗裝置，開(kāi)發(fā)研制具有自動(dòng)清洗功能的UV消毒器。
③目前國(guó)產(chǎn)紫外燈執(zhí)行直管型石英紫外線低壓汞消毒燈的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YY/T0160—94)，燈的最大功率為4W，且有效壽命一般為1000～3000h，而進(jìn)口低壓燈管的有效運(yùn)行時(shí)間可達(dá)8000～12000h，中壓燈管也可達(dá)5000～6000h。相比之下，使用國(guó)產(chǎn)燈管會(huì)增加維修費(fèi)用，因此，研制生產(chǎn)壽命長(zhǎng)的紫外燈或直接引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的紫外燈生產(chǎn)技術(shù)是目前亟待解決的問(wèn)題。
4.2 應(yīng)用前景
①經(jīng)過(guò)紫外線消毒的污水可以在很多領(lǐng)域再利用，以實(shí)現(xiàn)污水資源化。將其用于灌溉農(nóng)田、林地和草坪等可避免化學(xué)消毒劑對(duì)植物的損傷；用于地下水回灌可以防止微生物對(duì)化學(xué)消毒劑產(chǎn)生適應(yīng)性而再度繁殖造成的地層堵塞。
②隨著對(duì)UV消毒機(jī)理的深入研究、紫外線技術(shù)的不斷發(fā)展以及消毒裝置在設(shè)計(jì)上的日臻完善，UV消毒法有望成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)氯化消毒的主要方法之一。
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