污水處理中的紫外線消毒技術研究
提要:紫外線消毒在醫(yī)院及小型給水系統(tǒng)中有較多的應用,但在城市污水處理中鮮有采用。近年來,隨著成本的下降及對氯和氯衍生物的控制,紫外線消毒技術在國外迅速發(fā)展,國內也有了采用紫外線消毒處理城市污水的實例。介紹了紫外線消毒技術及其實際運用情況。
消毒是水處理中的重要工序,《室外給水設計規(guī)范》GBJ13-86(1997年版)中規(guī)定:“生活飲用水必須消毒”。《室外排水設計規(guī)范》雖沒有明確規(guī)定,但在2000年6月5日由建設部、國家環(huán)境保護總局、科技部聯(lián)合發(fā)出的“關于印發(fā)《城市污水處理及污染防治技術政策》的通知(建城[2000]124號)”中規(guī)定“為保證公共衛(wèi)生安全,防治傳染性疾病傳播,城市污水處理設施應設置消毒設施”。因此污水處理出水的消毒不再是可有可無的了。由于污水中含有大量細菌及病毒,污水處理廠應把好最后一道關,盡可能殺滅致病菌。
1. 消毒技術及發(fā)展
通常消毒方法可分為物理法和化學法。物理法包括加熱、紫外線、γ或X射線照射、分子篩等;化學法主要采用強氧化劑如氯氣、二氧化氯、臭氧、高錳酸鉀、氯胺、次氯酸等化學藥劑。長期以來,由于化學法具有容易實現、成本低的優(yōu)點,所以使用較多,而液氯作為廉價的消毒劑有著最廣泛的應用。
從理論上分析,消毒劑消毒能力的大小取決于單位摩爾物質得電子的能力。因此消毒能力依次為:O3>ClO2>ClO->Cl2>氯胺>KMnO4
從實際使用成本分析由高到低為:KMnO4>ClO->O3>ClO2>氯胺>Cl2。
在上述消毒劑中KMnO4消毒能力差、價格高,工程中很少單獨使用;O3,Cl2及ClO-都可以氧化有機物,但ClO2對氨氮無氧化作用。雖然液氯使用最多,但氯氣是一種具有強烈刺激性的有毒氣體,在運輸和使用過程中易發(fā)生泄漏和爆炸。由于氯氧化性強,易與水中有機物發(fā)生反應,對消毒產生干擾,另外其反應產物鹵代烴、氯仿、三氯甲烷、多氯聯(lián)苯等物質對人畜有毒害,許多還是致癌、致畸、致突變的“三致”物質,F在國際上許多國家和地方政府已限制氯及其衍生物的使用。我國一些地方的環(huán)保部門和勞動保護部門也對液氯的使用進行了控制,在前尚無更經濟實用的方法推出前,許多污水廠出水都沒有正常的消毒,為此國內二氧化氯消毒技術迅速發(fā)展。二氧化氯使用時要現場制備,而且僅有20%二氧化氯在消毒過程中有效。另外,二氧化氯發(fā)生器規(guī)模較小,如何運用于加氯量較大的污水處理廠成為一個問題;谏鲜鲈,紫外線消毒技術在污水處理領域開始嶄露頭角。
紫外線技術早在1900年便已存在,但現在的紫外線技術與過去已是不完全相同了。據統(tǒng)計,過去很少有紫外線消毒運用于污水處理的實例,但到了1995年紫外線消毒技術在美國污水處理中的應用已達5%,并呈逐年上升趨勢。近來,由于采用紫外線消毒具有不需投加任何化學藥劑,不改變水的成分和結構,消毒時間短,殺菌范圍寬效果好的優(yōu)點,國際上一些對細菌排放有嚴格要求的地區(qū),大多采用了紫外線消毒。
2. 紫外線消毒技術的原理
紫外線是一種肉眼不可見的光線,通常我們將波長在200 nm以上的光都稱為紫外線,根據不同的波長還可細分為UVA(315~400nm),UVB(280~315 nm),UVC(200~280 nm)。過量的VA會導致色素沉積,UVB是色斑和維生素D綜合癥的致病原因,而UVC最易被DNA(核糖核酸)吸收。紫外線消毒使用的就是UVC。當病毒細胞經紫外線照射后,波長254 nm的紫外線被DNA吸收。細胞在DNA鏈上的相鄰的胸腺嘧啶將相互糾纏,新的二聚物會阻礙RNA(核糖核酸)鏈上正確的DNA遺傳代碼復制,RNA是信息的傳遞者,其功能是傳遞DNA碼至細胞的不同部分。由于RNA傳遞功能喪失,最終導致細胞功能衰退而死亡,從而達到消毒殺菌的目的。
紫外線消毒燈管類型可分成低壓、中壓、高壓3種,常用的是低壓和中壓系統(tǒng)。
低壓汞燈內為負壓,汞呈蒸氣狀,中壓汞燈內為常壓。低壓燈按輸出能量的不同分為高強度和低強度兩類。低強度燈類似于普通的熒光燈,在內部鏡頭上沒有磷涂層。鏡頭由特殊玻璃制成,因此可以保持較高的紫外線轉輸率,防止鏡頭被紫外線曬黑。低壓高強度燈是近來用于污水處理中較多的產品,其紫外線轉換率比低壓低強度燈高4倍。單根功率也達到100 W以上。
中壓系統(tǒng)每根燈能耗最高可達5 000 W,而低壓系統(tǒng)每根燈管能耗為65~1 500 W。處理同樣的水量,中壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)相比,則需要較少的燈管,水流通過時的水頭損失也較小,燈管自清潔系統(tǒng)的費用也較少。但由于中、高壓系統(tǒng)發(fā)出的波長范圍寬,而能被有效利用的只有一小部分,所以能量轉換率低(通常只是低壓系統(tǒng)的1/2~1/3)能耗大,因此一般只在大型水處理廠中使用。
紫外線消毒效果的好壞與紫外線燈源發(fā)出有效波長的能量轉換率、紫外線弧長有關,還與燈管和水的透射率以及照射時間有關。現在的高效燈源可發(fā)出40%以上的有效光譜,石英燈管的透射率也在90%以上。因此,與傳統(tǒng)意義上的紫外線燈已不能相提并論。目前,世界上先進技術生產的燈管壽命已達15 000 h以上,但價格卻降低了不少,從而大大降低了投資及運行成本。
3. 紫外線消毒與傳統(tǒng)加氯消毒的比較
紫外線消毒在小型的水處理和滅菌要求較高的醫(yī)院污水處理中一直有較多的應用。其滅菌范圍廣、效果好、無須投加化學藥劑、使用簡便、無二次污染的優(yōu)點得到廣泛的認同。然而昂貴的設備及成本限制了紫外線消毒技術的推廣。近年來,隨著紫外線消毒技術的不斷進步和國際市場競爭的日益激烈,尤其是僅有少數國家才能生產的高技術含量的紫外線燈管價格大幅度下降,紫外線消毒技術已在國外污水處理領域中得到廣泛應用。
3.1 投資
紫外線設施的一次投資主要有紫紫外線燈架、紫外線燈管、清洗裝置、制設備。而液氯消毒系統(tǒng)包括加氯間氯庫,設備有自動加氯機、氯瓶、電子磅裝置、真空調節(jié)器、漏氯檢測報警儀、液和裝置、通風設備、配電裝置和控制設毒系統(tǒng)的土建和設備均多于紫外線消。
圖1是根據國外統(tǒng)計數據得出的和紫外線消毒的投資費用比較。
從圖1可知,當處理水量在10萬m3/d以下時,紫外線消毒設備的投資小于液氯消毒系統(tǒng),若有脫氯要求,則當處理水量小于25萬m3/d時,紫外線比液氯消毒經濟。
3.2 運行成本
在眾多的消毒方法中,液氯消毒一向被認為是最經濟的,所以雖然有著許多弊端,仍被廣泛使用。液氯消毒的成本主要在于液氯的費用和設備的折舊以及少量的電費。紫外線消毒系統(tǒng)運行成本主要取決于電費和燈管的設備折舊。
圖2是根據國外統(tǒng)計數據得出的采用液氯消毒和紫外線消毒的運行成本比較。
目前國內一般中等規(guī)模污水處理廠的運行成本如下:液氯消毒為0.02元/m3;次氯酸鈉為0.54元/m3;二氧化氯為0.08元/m3;分子篩為0.30元/m3;臭氧消毒為0.10元/m3;上海閔行污水處理廠紫外線消毒:0.016元/m3。由此可見,紫外線消毒處理的運行成本具有一定的優(yōu)勢。
3.3 操作運行
紫外線消毒系統(tǒng)運行中基本上不需人工干預,但如果配備人工清洗系統(tǒng),須定期將燈管提出消毒渠,浸入清洗槽清洗。而其他消毒工藝在工作過程中需要較多的人工。
液氯消毒系統(tǒng)則需要操作工人現場的監(jiān)視和勞作,裝卸、切換氯瓶等工作必須由人工進行。
3.4 維護管理
由于紫外線消毒系統(tǒng)的高集成度和模塊化設計,結構簡單,可24 h全自動運轉,高壽命的元件將維護和管理的工作量大大降低。
液氯消毒系統(tǒng)的設施設備較多,所以日常的維護和管理工作量也較大。
4. 紫外線消毒系統(tǒng)的計算
紫外線消毒系統(tǒng)設計主要考慮以下因素:水質、透射率、水量、峰值系數、殺滅率、照射強度、照射時間。
通常先取得需要消毒的水樣,測出其水質,包括細菌數、種類、水樣透射率等。其次可采用靜態(tài)或動態(tài)的試驗得到在設計殺滅率時的紫外線劑量。紫外線劑量可用下式表示:紫外線劑量=紫外線密度×照射時間。紫外線劑量單位為J/m2,紫外線密度單位為W/m2,照射時間單位為s。
在過去,常用理論紫外劑量測算,理論紫外劑量是假定在理想系統(tǒng)中,所有微生物都能接受到同樣的紫外線輻射,這時需要的劑量即稱為紫外劑量。由于消毒系統(tǒng)設計中常常偏離理想條件,按理論紫外劑量設計的消毒器往往不能保證設計殺滅率。因此,現在常以生物驗定劑量(即紫外線消毒器實際能達到的有效紫外線劑量)為設計參數。
加拿大的一個二級污水處理廠出水水樣的紫外劑量試驗表明:當紫外線劑量在0~15 mW•s/cm2時,已有微生物功能衰退現象出現,當紫外線劑量>30 mW•s/cm2時,殺菌效果無法進一步提高。這主要是因為污水中大量懸浮固體顆粒的存在屏蔽了紫外線,使與懸浮顆粒結合的微生物得以存活。這是污水處理與給水處理不同的特點。因此,設計的紫外劑量通常<30 mW•s/cm2。
5. 紫外線消毒技術在上海污水處理廠的運用
上海是全國最早建有污水處理廠的城市,市區(qū)范圍內有12座污水處理廠,都建有液氯消毒設施。由于污水所需的消毒劑量較大,通常相當于同等規(guī)模自來水廠的5倍,運行成本高,運輸和使用都成為問題。另一方面,隨著城市迅速發(fā)展,上海的污水廠都被周圍居民區(qū)包圍,液氯使用的安全問題成為另一個重要的考慮因素。因此,許多污水廠的消毒系統(tǒng)從建成后就沒有很好使用過。閑置多年后,設備均已腐蝕、損壞,很難恢復。
上海市黃浦江水源保護條例制定后,對排入黃浦江的污水有了細菌數量的控制,生活污水處理廠排出的水中,大腸桿菌的數量都在105~106個/L左右,且種類多。由于污水水質的特殊性,殺滅難度較大。
從環(huán)境保護的角度考慮,更應減少污水處理廠對環(huán)境造成的二次污染。污水中含有大量有機污染物,如苯、酚、氨等。這些物質一方面會干擾消毒過程,消耗消毒劑,還會產生許多致死、致畸、致突變的消毒副產品。為了更有效地殺滅細菌,同時更有效地保障上海市人民的身心健康,對地處上海黃浦江水源保護地的閔行污水處理廠采用先進的紫外線消毒技術。
上海閔行污水處理廠建于1980年,幾經擴建已從最初的2•5萬m3/d的常規(guī)活性污泥工藝改造成5萬m3/d的脫氮工藝。閔行污水廠原建有加氯間及加氯接觸池,由于運行費用和安全方面的原因,沒有很好運轉過,設備、設施已很難修復。在改成紫外線消毒時,充分利用了原加氯接觸池出水渠(見圖3)。
閔行污水處理廠紫外線消毒采用的主要設計參數如下:
處理量5萬m3/d,峰值流量2 875 m3/h,BOD30 mg/L,SS 30 mg/L,大腸桿菌數1×106個/L,紫外線燈管數300根,單根功率65 W,接觸時間6 s, 投射率70%,燈管壽命>10 000 h,出水大腸桿菌數3 000個/L。
6. 紫外線消毒技術的評價
閔行污水處理廠紫外線消毒系統(tǒng)經過半年的運行,從廠方和有關衛(wèi)生檢驗部門的檢測數據看,消毒效果較為理想,達到黃浦江準水源保護地的排放標準。平均殺滅率達到99•8%。但與國外污水處理廠的消毒效果相比還有一定差距。主要表現在抗沖擊負荷和細菌復活兩方面。
數據表明,紫外線消毒系統(tǒng)的效果好壞與處理流量和水質密切相關,水量突然增大時,紫外線照射時間短,需要更強的輻射劑量。紫外線系統(tǒng)通常根據最大峰值流量設計,但由于水力負荷大時,出水水質也較平時差,而水質下降勢必使透光率下降,因此殺菌率無法保證。
紫外線系統(tǒng)對出水SS值非常敏感,國外出水SS值大多在10 mg/L以下,而國內出水SS值通常在20~30 mg/L之間。相對來說就需要更強的輻射劑量。閔行污水處理廠采用的是低壓低強燈,能耗較小,但單管功率和光強也小,需要的燈管數較多。
為了減少投資,采用了人工清洗的方式。清洗的工作量非常大,每次清洗的周期也較長。
由于紫外線系統(tǒng)是在原加氯接觸池基礎上改造而成,出水渠較長。測得出水渠末端大腸桿菌數遠高于紫外線消毒槽出口處。經分析主要有兩方面的原因:紫外線消毒系統(tǒng)后的老渠道內積累細菌較多;紫外線劑量不夠,殺滅不徹底,細菌復活。這也是紫外線消毒的一個缺點。
從運行成本分析,電耗僅為0.007元/m,加上設備折舊、人員工資后,處理成本約為0.016元/m3。
7. 結語
閔行污水處理廠,作為國內第一家建成有紫外線消毒的城市污水處理廠,將為我們積累大量數據和經驗。運行半年來的實踐證明,紫外線可以替代液氯用于城市污水消毒領域。綜合各種因素,在選用紫外線系統(tǒng)時宜采用國外先進的低壓高強度或中壓系統(tǒng),并帶自動清洗裝置。紫外線系統(tǒng)的設計非常關鍵,燈管間距布置合理,盡量避免黑洞的產生,確保消毒效果。相信,在對環(huán)保日益重視的今天,紫外線消毒將在我國污水處理領域有著廣泛的應用前景。
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