紫外線消毒的理論研究
摘要 紫外線消毒技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展已日趨成熟,尤其是在污水處理中的應(yīng)用理論也得到進(jìn)一步的完善。就紫外線消毒系統(tǒng)在污水處理中的消毒原理、施用劑量及計(jì)算方法、消毒性能影響因素及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)做了較全面系統(tǒng)的闡述。
1. 紫外線消毒原理
早在1878年人類就發(fā)現(xiàn)了太陽光中的紫外線具有殺菌消毒作用。日常生活中曬衣服就是利用天然光源中的紫外線達(dá)到殺菌消毒的目的。
紫外線消毒是一種物理消毒方法,紫外線消毒并不是殺死微生物,而是去掉其繁殖能力進(jìn)行滅活。紫外線消毒的原理主要是用紫外光摧毀微生物的遺傳物質(zhì)核酸(DNA或RNA),使其不能分裂復(fù)制。除此之外,紫外線還可引起微生物其他結(jié)構(gòu)的破壞。微生物在人體內(nèi)不能復(fù)制繁殖,就會(huì)自然死亡或被人體免疫系統(tǒng)消滅,從而不會(huì)對人體造成危害。
紫外線是波長在200~400 nm的電磁波,它又分為4個(gè)波段,見圖1。其中能殺菌消毒的紫外波段為200~300 nm,即紫外C和紫外B中的部通常人們較關(guān)注微生物對紫外線的吸收頻譜,認(rèn)253•7 nm是紫外線消毒的最佳波段,并把紫線消毒技術(shù)稱為紫外C消毒,確切來說是不全的,因?yàn)楹鲆暳宋⑸飳ψ贤饩的反應(yīng)頻譜。
紫外線對核酸/微生物的破壞取決于核酸/微生物對紫外線的吸收和反應(yīng)。如果只有吸收,沒有反應(yīng),那么該波長的紫外線也不會(huì)具有滅活作用。吸收+反應(yīng)決定了核酸或某種微生物對某一波段紫外線的響應(yīng)或敏感性,即紫外線能對其產(chǎn)生滅活能力。
圖2和圖3分別為核酸及一些微生物對紫外線的吸收頻譜和反應(yīng)頻譜,可以看到微生物對紫外線照射的響應(yīng)和核酸對紫外線的響應(yīng)有很強(qiáng)的相關(guān)性？梢钥闯龊怂釋ψ贤饩的吸收大致在260~265 nm存在一個(gè)峰值,而對紫外線的反應(yīng)則是在260~269 nm有一個(gè)峰值。而某些微生物如MS2噬菌體、濕疣病毒、煙草花葉病毒和呼腸弧病毒等的最大紫外線反應(yīng)波長則在230 nm以下[1~4] 。
若認(rèn)為能發(fā)出253•7 nm波長單頻譜輸出的低壓紫外汞燈消毒效果優(yōu)于多頻譜輸出的中壓紫外燈,是不符合實(shí)際的,對很多微生物并不存在唯一的最佳紫外線消毒波長。大量的研究和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明單頻譜輸出的低壓紫外燈和多頻譜輸出的中壓紫外燈在照射到微生物上的紫外劑量相同的條件下,其消毒效果是相同的[5~8]。對某一特定微生物來說,接收到的紫外劑量是決定其滅活程度的唯一因素。
2. 紫外劑量及劑量響應(yīng)曲線
微生物所接收到的紫外照射劑量決定了其滅活的程度,不同的微生物種類對相同紫外劑量的響應(yīng)是不同的。微生物通過紫外線消毒器時(shí)接收到的紫外劑量定義為：
Dose=∫t0Idt （1）
式中Dose———紫外劑量,mW•s/cm2;
I———微生物在其運(yùn)動(dòng)軌跡上某一點(diǎn)接收到的紫外照射光強(qiáng),mW/cm2;
t———曝光時(shí)間或滯留時(shí)間,s。
在實(shí)際的紫外線消毒器或系統(tǒng)中,由于光強(qiáng)在空間的不均勻分布,流體動(dòng)力學(xué)的限制以及微生物在消毒器中滯留時(shí)間很短(一般1~10 s左右),每個(gè)微生物個(gè)體接收到的紫外劑量是不同的(即消毒器非理想)。如果假設(shè)消毒器為理想消毒器,則所有微生物都接收到相同的紫外照射劑量,式(1)可表示為：
Dose=-I-t （2）
其中-I和-t分別為消毒器內(nèi)平均光強(qiáng)和平均曝光時(shí)間。式(2)類似于加氯消毒CT的計(jì)算。在微生物試驗(yàn)中,一般用紫外平行光束儀來測量某種微生物對紫外照射的響應(yīng)特性,即其對紫外線消毒的敏感性。在特定光強(qiáng)下,通過控制曝光時(shí)間得到不同的紫外劑量,再測出相應(yīng)的存活微生物含量,可得到該微生物的紫外劑量響應(yīng)曲線,見圖4。此方法所得的紫外劑量叫做平行光劑量,一般認(rèn)為此方法可完全排除流體動(dòng)力學(xué)影響,根據(jù)此方法得到的曲線完全反映了紫外線對微生物的純生化作用,故該紫外劑量也叫生化紫外劑量。此曲線是設(shè)計(jì)紫外線消毒工藝的基本依據(jù),一個(gè)紫外消毒系統(tǒng)在考慮其它各種因素和必要的安全系數(shù)后,所能實(shí)現(xiàn)的有效紫外劑量不能小于由該曲線得出的對微生物消毒時(shí)所需要的生化劑量。
由圖4還可以看出,響應(yīng)曲線在劑量增加到一定范圍后逐漸持平,即存在極限,也就是說再加大消毒劑量也不能改善消毒效果。這主要和水質(zhì)條件尤其是總懸浮固體數(shù)TSS和固體顆粒尺寸有關(guān)。
3. 微生物受到紫外線照射后的修復(fù)
如果微生物沒有接收到足夠的紫外照射劑量,有些微生物可以修復(fù)其受到的損傷。大量的研究表明,病毒本身沒有修復(fù)能力;有些細(xì)菌具有修復(fù)能力,受到的紫外照射劑量越高,其修復(fù)能力越低。只要?jiǎng)┝吭O(shè)計(jì)適當(dāng),可完全去除或有效地抑制這些微生物的修復(fù)能力。
微生物的修復(fù)可分為光修復(fù)和黑暗修復(fù)。光修復(fù)需要可見光的存在,而且微生物在受到紫外線照射后到見到可見光之間的間隔時(shí)間越長,微生物見到可見光后光修復(fù)的能力就越低。如果時(shí)間間隔超過2 h,一些微生物會(huì)完全喪失光修復(fù)能力[9]。污水處理廠在設(shè)計(jì)時(shí)可利用這一特點(diǎn)通過增加消毒后污水不見光的時(shí)間來進(jìn)一步抑制微生物的修復(fù)。研究證明只要設(shè)計(jì)合理,微生物的修復(fù)在實(shí)際污水處理和回用水處理系統(tǒng)中并不重要。另外污水本身的特性也被認(rèn)為不利于微生物受傷后的修復(fù),有些研究還顯示中壓紫外燈發(fā)射的某些紫外波長可以抑制或破壞微生物的修復(fù)能力。世界上使用紫外消毒工藝的3 000多家污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行表明微生物的修復(fù)并不是實(shí)際問題,在國外已不再是紫外污水消毒處理應(yīng)用中擔(dān)心的問題。
4. 影響紫外消毒系統(tǒng)消毒性能的各種因素
4.1 紫外穿透率(UVT)
圖5顯示了紫外穿透率的測量方法,以超純水或去離子水為參照水樣,其紫外穿透率為100%;一般測試時(shí)的水樣光程長度為1 cm。測量結(jié)果可直接顯示為紫外穿透率在253•7 nm的吸光度a,紫外穿透率與吸光度的關(guān)系如式(3)表示：
4.2 TSS和顆粒尺寸影響
當(dāng)懸浮物含量較高時(shí),所需達(dá)到某一特定消毒指標(biāo)的紫外劑量也要提高。而對于固定的懸浮物含量,存在一個(gè)相應(yīng)的消毒極限(圖4)。當(dāng)趨于消毒極限時(shí),即使紫外劑量大幅度增加也很難再進(jìn)一步降低水體中微生物的含量。
4.3 污水成分
污水的成分很復(fù)雜,含有大量的有機(jī)物、無機(jī)物和微生物,特別是來自一些工業(yè)廢水(如印染、紡織、屠宰廢水等)的成分更加復(fù)雜,會(huì)吸收紫外線,從而降低水體的紫外穿透率。另外,很多雜質(zhì)會(huì)在燈管的石英套管表面結(jié)成靠純機(jī)械刮擦難以有效去除的污垢,降低燈管發(fā)射到水體中的紫外劑量,從而影響系統(tǒng)的消毒性能。這些因素必須在紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。
4.4 紫外線消毒系統(tǒng)上游的處理工藝
紫外線消毒系統(tǒng)上游的處理工藝也會(huì)影響系統(tǒng)的消毒效果,例如:采用的處理程度(是一級處理還是一級強(qiáng)化處理),采用混凝劑的成分、二級生化處理選用的工藝等。這些影響一般很難用理論公式計(jì)算,基本是靠大量經(jīng)驗(yàn)的積累。
5. 消毒系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
除了水質(zhì)參數(shù)外,紫外線消毒系統(tǒng)自身也有很多因素會(huì)影響消毒性能。
5.1 消毒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和劑量計(jì)算
消毒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,通過消毒器的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)以及燈管的優(yōu)化布局,可提高消毒器紫外能量的效率,從而使其更接近于理想消毒器,同時(shí)盡可能減少水頭損失。通常用消毒器效率ηreactor來判斷一個(gè)紫外消毒系統(tǒng)的優(yōu)劣,消毒器的效率表達(dá)如下：
式中Doseeff為消毒器的有效紫外劑量,燈管發(fā)射出的紫外能量中被消毒器實(shí)際利用照射到微生物并被吸收的部分,一般通過在污水中用指標(biāo)微生物流過紫外消毒器檢測得到,故也稱之為消毒器的生物試驗(yàn)驗(yàn)定劑量,Doseeff可由式(1)表示;Dosetheo為消毒器的理論劑量,即消毒器為理想消毒器時(shí)的劑量,它實(shí)際是燈管發(fā)射出的紫外能量,Dosetheo可由式(2)和點(diǎn)源累加法計(jì)算得到。Dosetheo的計(jì)算已被編為商業(yè)軟件———UVDis,故而消毒器的理論劑量又稱UVDis劑量。
如果消毒器效率ηreactor小于1,表明消毒系統(tǒng)非理想消毒系統(tǒng),消毒效果將無法保證。不同制造廠家的紫外消毒系統(tǒng)的效率有較大差別,低的小于50%,高的可達(dá)70%以上。因此紫外線消毒系統(tǒng)中所用燈管數(shù)量不能取決于單根燈管的紫外輸出能量。
5.2 紫外燈管性能
紫外燈管是紫外線消毒系統(tǒng)的重要組件,其性能不僅僅是新燈管的殺菌紫外的能量輸出、光電轉(zhuǎn)換效率,還包括燈管的老化特性。新燈管的紫外輸出指的是一根新燈管在經(jīng)過100 h運(yùn)行磨合期后的紫外能輸出功率。燈管在使用過程中會(huì)逐漸老化,紫外能輸出會(huì)隨時(shí)間而衰減。燈管老化系數(shù)定義為燈管在壽命周期終點(diǎn)時(shí)的紫外能輸出與新燈管紫外能輸出之比。
在劑量計(jì)算時(shí)必須計(jì)入燈管老化系數(shù),而不能單考慮廠家對紫外燈管的保證壽命。目前市場上大多數(shù)紫外燈管的老化系數(shù)在0.5左右,個(gè)別廠家燈管的老化系數(shù)可達(dá)0.8左右。NWRI紫外系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定紫外線消毒系統(tǒng)燈管老化系數(shù)為0.5。
5.3 燈管表面結(jié)垢
城市污水中的復(fù)雜成分會(huì)使燈管的石英表面結(jié)垢,影響系統(tǒng)的消毒性能。為了保證系統(tǒng)消毒性能不受結(jié)垢的影響,必須在系統(tǒng)劑量計(jì)算中計(jì)入燈管的結(jié)垢系數(shù)。結(jié)垢系數(shù)一般與燈管的清洗方式有關(guān)。NWRI紫外系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定結(jié)垢系數(shù)為0.8。
通常根據(jù)清洗方式可采用的結(jié)垢系數(shù)為：人工清洗0.7,純機(jī)械清洗0.8,機(jī)械加化學(xué)清洗1.0。
6. 結(jié)語
紫外線消毒是通過紫外線的能量去掉微生物的繁殖能力而進(jìn)行滅活。因此,在設(shè)計(jì)一套紫外線消毒裝置時(shí),必須充分了解污水成分、處理工藝、穿透率、TSS濃度等,掌握關(guān)鍵技術(shù),確定合理的紫外劑量和光照時(shí)間,減少投資,節(jié)約運(yùn)行成本,取得良好的消毒效果。
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