北碚污水處理廠紫外光消毒系統(tǒng)選型及應(yīng)用
重慶北碚污水處理廠設(shè)計日處理污水量5萬m3／d，于2000年12月建成投入試運行，采用的是改良型氧化溝工藝。起初沒有消毒工藝，后因重慶市水價上漲，為降低城市綠化用水成本和保護嘉陵江水質(zhì)，污水處理廠增建了紫外光消毒裝置，于2002年3月安裝調(diào)試完成，投入正式運行。
紫外光消毒技術(shù)是基于現(xiàn)代防疫學(xué)、醫(yī)學(xué)和光動力學(xué)的基礎(chǔ)上，利用特殊設(shè)計的高效率、高強度和長壽命的C波段紫外光照射流水，將水中各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死，達到消毒的目的。目前，世界上已經(jīng)安裝運行的大型污水處理廠紫外光消毒裝置有4000多套，其中，最大的是新西蘭曼努高污水處理紫外光消毒裝置，日處理能力為121萬噸（2001年7月）。
1 系統(tǒng)介紹
1.1消毒原理
紫外線分為四個不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB （315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外線（200～100nm）。其中能透過臭氧保護層和云層到達地球表面的只有UVA和 UVB部分。就殺菌速度而言，UVC處于微生物吸收峰范圍之內(nèi)（見圖1），可在1s之內(nèi)通過破壞微生物的DNA結(jié)構(gòu)殺死病毒和細菌，而UVA和UVB由于 處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要數(shù)小時才能起到殺菌作用，在實際工程的數(shù)秒鐘水力停留（照射）時間內(nèi)，該部分實際上屬于無效紫外部分。真空紫外光穿透能力極弱，燈管和套管需要采用極高透光率的石英，一般用半導(dǎo)體行業(yè)降解水中的TOC，不用于殺菌消毒。因此，給排水工程中所說的紫外光消毒實際上就是指UVC消毒。
目前能夠輸出足夠的UVC強度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。汞燈根據(jù)點亮后的燈管內(nèi)汞蒸氣壓的不同和UV輸出強度的不同，分為三種：低壓低強度汞燈、中壓高強度汞燈和低壓高強度汞燈。三種光源的波譜圖見圖2～圖4。
 |
 |
 |
 |
殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的。
照射劑量（J／m2）＝照射時間（s）×UVC強度（W／m2）
照射劑量越大，消毒效率越高。由于設(shè)備尺寸要求，一般照射時間只有幾秒，因此，燈管的UVC輸出強度就成了衡量紫外光消毒設(shè)備性能最主要的參數(shù)。在城市污水消毒中，一般平均照射劑量在300 J／m2以 上。低于此值，有可能出現(xiàn)光復(fù)活現(xiàn)象，即病菌不能被徹底殺死，當從渠道中流出接受可見光照射后，重新復(fù)活，降低了殺菌效果。殺菌效率要求越高，所需的照射劑量越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射劑量的主要因素是透光率（254 nm處），當UVC輸出強度和照射時間一定時，透光率的變化將造成微生物實際接受劑量的變化。
1.2 系統(tǒng)構(gòu)成
污水處理廠使用的紫外光消毒系統(tǒng)主要包括：（1）紫外燈及鎮(zhèn)流器構(gòu)成的消毒系統(tǒng)、（2）傳感器與PLC構(gòu)成的實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)、（3）自動清洗系統(tǒng)和（4）供配電系統(tǒng)。
2 設(shè)備選擇
由于目前國內(nèi)安裝的UVC污水處理消毒裝置較少，許多用戶和設(shè)計人員缺乏設(shè)備比選的經(jīng)驗。我們通過北碚污水處理廠UVC消毒裝置的選擇以及隨后的應(yīng)用研究，積累了一定的經(jīng)驗，認為應(yīng)該重點注意以下4個方面。
2.1 燈管的選擇
分 兩個方面。一是單支燈管的UVC輸出強度越高，所需要的燈管數(shù)量越少，投資和運行維護費用越低。從圖2～圖4可以看出，高強度汞燈的輸出強度高，優(yōu)于低強 度汞燈。二是UVC電光轉(zhuǎn)換效率（253.7 nm），這又分兩個層次。一是燈管消耗的電能轉(zhuǎn)換為光能的效率，二是光能中253.7 nm波長（即UVC）部分所占的比例。從圖2～圖4可以看出，低壓汞燈的紫外輸出主要集中在253.7 nm，而中壓汞燈的紫外輸出主要集中在366 nm，且中壓汞燈發(fā)熱量很大，進一步造成能量浪費，因此，低壓高強度汞燈的電光轉(zhuǎn)換效率高于中壓高強汞燈。北碚UVC消毒系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)化效率高達42％。 此外，應(yīng)選擇質(zhì)保壽命較長的燈管。
2.2 傳感器及實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇
污水處理廠水量、水質(zhì)波動較大， 因此進行UVC輸出強度的實時調(diào)節(jié)對節(jié)約電耗和延長燈管壽命意義重大。這主要通過燈管的可變輸出和傳感器的真實反饋來實現(xiàn)。就傳感器進行真實反饋而言，其位置和波長的選擇性極為重要。有些產(chǎn)品的傳感器放在紫外燈管和石英套管之間，反饋的信號沒有包含被消毒水的透光率變化情況。此外，一些傳感器的波長選擇性 不強，測出的紫外光強度還包含了除253.7nm之外的其他波長的紫外光。能真實反應(yīng)微生物實際接受的UVC照射強度的傳感器應(yīng)是放置在水中（與微生物處于同一位置），并且只監(jiān)測253.7nm波長強度。北碚污水處理廠即采用的這種傳感器，其低壓高強度汞燈在50～100％的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)電耗與UVC輸出的線性自動調(diào)整。
2.3 自動清洗系統(tǒng)的選擇
污 水處理廠紫外光消毒系統(tǒng)的清洗系統(tǒng)有人工清洗、自動機械清洗和自動化學(xué)清洗三種。由于人工清洗要中斷消毒、工作量大、操作時易損傷燈管，且間隔時間長（自動清洗一般1～2次／小時），無法保證石英套管所必需的最低綜合透光率，因此，除極個別特殊情況外，極少使用。自動清洗系統(tǒng)的選擇與所使用的燈管有關(guān)。對于中壓高強度燈管，溫度在600～900℃之間，結(jié)垢嚴重，必須采用機械化學(xué)清洗。對于低壓高強度燈管，溫度低于110℃，結(jié)垢量和速度都遠遠低于中壓高 強燈管，在1～2次／h的清洗頻率內(nèi)，不會形成結(jié)垢。北碚連續(xù)10個月的實際運行結(jié)果也證明了這一點。
2.4 二次污染及事故污染
正 常運行時的二次污染來自化學(xué)清洗系統(tǒng)中的清洗劑。事故情況下的二次污染發(fā)生在燈管破損時汞進入水中，以及液壓驅(qū)動的自動清洗系統(tǒng)發(fā)生泄漏。北碚污水處理廠選用的汞燈使用的是固態(tài)汞合金，固定粘附在燈管兩端的突起點，燈管破損時不會象液態(tài)汞那樣流到水中，將粘附著汞合金的石英碎片打撈出來即可。而且研究表明 該汞合金在污水中長期浸泡后水中汞的本底濃度未見升高。此外，該系統(tǒng)采用壓縮空氣為動力的自動機械清洗系統(tǒng)，不存在運行期間和事故泄漏造成二次污染的問題。
3 紫外光消毒的局限性
與飲用水UVC消毒（目前世界上最大的UVC飲用水消毒系統(tǒng)安裝在芬蘭的赫爾辛基，18.8萬m3／d）不同的是，污水中由于SS包裹細菌的影響，很難在投資允許的范圍內(nèi)達到非常嚴格的消毒標準。目前，只有一家紫外光消毒設(shè)備制造商的產(chǎn)品得到了的美國加州污水回用標準Title22 of the California Code of Regulations的認可，該標準要求總大腸菌值小于2.2TC／100mL。
4 監(jiān)測結(jié)果
北碚污水處理廠進、出水設(shè)計糞大腸菌值為106～108FC／100 mL，實測幾何平均值小于20FC／100mL（見表1）。監(jiān)測方法采用多管發(fā)酵法。
表1 北碚污水處理廠紫外光消毒系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果
|
月份 |
平均進口濃度 （×105 FC/100mL） |
平均出口濃度 （FC/100mL） |
月份 |
平均進口濃度 （×105 FC/100mL） |
平均出口濃度（FC/100mL） |
|
3 |
9.1 |
18 |
7 |
11 |
20 |
|
4 |
8.4 |
12 |
8 |
21 |
32 |
|
5 |
8.9 |
11m |
9 |
7.8 |
15 |
|
6 |
4.3 |
16 |
10 |
11 |
17 |
5 運行成本
裝置總裝機容量：47.3KW。
運行費用合計：0.018元／m3，其中：
能源消耗費： 0.0098元／m3
燈管更換費用：0.0086元／m3
（實際能耗：0.02kWh／m3綜合電價：0.49元／kWh ）
6 結(jié)論
（1）紫外光用于城市污水二級處理出水的消毒可以滿足目前國內(nèi)景觀及綠化用水要求。
（2）該技術(shù)具有無二次污染的特點，應(yīng)用前景廣闊。
。3）能耗低、運行費用低；自動化程度高；維護簡便。
（4）在設(shè)備選用方面，低壓高強度紫外燈的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)于中壓高強度紫外燈。
參考文獻：
[1] Liberti L, Lopez A, Notarnicola M, et at. Comparision of advanced disinfection methods for municipal wastewater resue in agriculture[J]. Water Sci. Technol, 2000, 42(1-2): 215-220
[2] Lindenauer K G, Darby J L. Ultraviolet disinfection of wastewater: Effect of dose on subsequent photoreactivation[J]. Water Res, 1994, 28,: 805-807
[3] Log F J, Darby J L, Tchobanoglous G, et al. Ultraviolet disinfection for wastewater resue[M]. Lancaster, Pa.: Technomic Publishing Co. Inc., 1998
[4] 陳建, 萬長生, 張國占, 吳凡, 許春暉. 紫外光消毒技術(shù)在給排水中的應(yīng)用. 中國給水排水. 2002. 18.(7): 29-31
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
