紫外線消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 紫外線消毒型式的發(fā)展
20世紀(jì)80年代初,紫外線污水消毒技術(shù)在美國(guó)環(huán)保局(EPA)的創(chuàng)新和取代技術(shù)資金項(xiàng)目支持下,在美國(guó)的城市污水處理中開始得到應(yīng)用。但早期的紫外線消毒系統(tǒng)全為封閉管道式(見圖1),污水容易污染設(shè)備,維護(hù)麻煩,燈管清洗更換時(shí)需要停機(jī),故需要備用設(shè)備,還需要泵、管道、閥門等配套設(shè)備,成本很高,不適合大規(guī)模應(yīng)用,使得紫外線消毒技術(shù)在城市污水處理中難以有效推廣。
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1982年加拿大特潔安(Trojan)技術(shù)公司開發(fā)了世界上第一套明渠式安裝的紫外線消毒系統(tǒng)UV2000,并引進(jìn)了模塊化紫外線消毒系統(tǒng)概念,即系統(tǒng)可由若干獨(dú)立的紫外燈模塊組成(見圖2),且水流靠重力流動(dòng),不需要泵、管道以及閥門等配套設(shè)備。系統(tǒng)維護(hù)可對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行,紫外燈模塊可輕易地從明渠中直接取出進(jìn)行維護(hù),維護(hù)時(shí)系統(tǒng)無需停機(jī),因而無需備用設(shè)備,從而使得系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便,大大降低了紫外污水消毒的成本。同時(shí),當(dāng)污水處理廠在擴(kuò)建或改造時(shí),只需適當(dāng)增加紫外燈模塊的數(shù)量,而無需添購(gòu)整套系統(tǒng)。
目前在世界各地已經(jīng)有3 000多家城市污水處理廠安裝使用了紫外線污水消毒系統(tǒng),在北美地區(qū)經(jīng)過20多年的發(fā)展,已成為成熟、可靠、實(shí)用的污水消毒技術(shù)。
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2 紫外線消毒裝置的發(fā)展
(1)紫外線燈管。早期是適用于小規(guī)模污水消毒處理的常規(guī)低壓紫外燈;20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)了所有燈管類型中紫外線發(fā)射能量最強(qiáng)的中壓紫外燈,使大規(guī)模污水處理應(yīng)用紫外設(shè)備成為可能;90年代末又出現(xiàn)了低壓高強(qiáng)紫外燈,可作為常規(guī)低壓紫外燈和中壓燈消毒技術(shù)應(yīng)用的過渡或備選,為污水處理廠提供適合各種情況的最佳消毒方案。低壓燈管使用壽命也從早期的1 000~3 000 h提高到8 000~12 000 h左右。
(2)清洗方式。接觸式消毒裝置無法避免燈管的結(jié)垢,需頻繁的清洗。最早采用人工清洗液化學(xué),工人勞動(dòng)強(qiáng)度非常大;隨后發(fā)明了機(jī)械清洗方式,減輕了清洗工作量,90年代中期發(fā)明的高效機(jī)械化學(xué)式燈管自動(dòng)清洗裝置,完全取代了人工清洗液化學(xué)清洗方式,大大降低了消毒系統(tǒng)的維護(hù)需求和勞動(dòng)強(qiáng)度。
3 明渠式紫外線消毒系統(tǒng)的型式
目前全球安裝使用的紫外線污水消毒系統(tǒng)95%以上采用20世紀(jì)80年代發(fā)明的明渠式紫外線消毒系統(tǒng),該系統(tǒng)將若干獨(dú)立的紫外燈模塊安裝在開放的明渠中,水流靠重力流經(jīng)消毒裝置,在明渠可直接插入或取出紫外燈模塊進(jìn)行維護(hù)檢修。
3.1 燈管排布形式
紫外消毒器中燈管的排布可分為順流式和橫流式。順流式指的是燈管彼此平行且與水流方向平行,而橫流式排布燈管彼此平行但與水流方向垂直。90%的城市污水紫外線消毒系統(tǒng)采用順流式,這主要是由于橫流式不利于流體形成理想的均勻流動(dòng),紫外能量浪費(fèi)較大,在燈管和渠壁或水面間容易形成消毒短流區(qū),使通過的微生物得不到足夠的紫外照射劑量而影響消毒效果。簡(jiǎn)單來說,如果短流區(qū)的容積占總消毒容積的1%,那么該消毒系統(tǒng)所能達(dá)到的最好消毒效果為99%,二級(jí)生化處理的出水中大腸菌群含量一般在106~107個(gè)/L,要達(dá)到104
個(gè)/L的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)有困難。
3.2 紫外燈管的類型
目前污水紫外線消毒系統(tǒng)中常用的紫外燈管有:低壓燈(LP)、低壓高輸出燈(LPHO,又稱作低壓高強(qiáng)燈)和中壓燈(MP)。這些燈管的主要性能參數(shù)及適用范圍見表1。
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中壓燈是所有紫外燈中單根燈管紫外能輸出最高的,因此可以用很少的燈管數(shù)量達(dá)到消毒效果,占地最少,可以大大減少設(shè)備與征地、土建等投資,具有規(guī)模效益,比較適合于大型城市污水處理廠的消毒處理,特別是用地緊張的污水處理廠。另外由于中壓燈光強(qiáng)最強(qiáng),穿透力高,所以比較適合低質(zhì)污水的消毒處理。當(dāng)然,中壓燈的光電轉(zhuǎn)換效率較低,電耗較高,但由于燈管數(shù)目很少,燈管更換費(fèi)用較低。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的紫外線消毒系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要是電費(fèi)和燈管更換費(fèi)用。燈管數(shù)量減少,可減少與燈管數(shù)量相關(guān)部件的更換數(shù)量和費(fèi)用。
表1中各類燈管的適用范圍只具有參考意義,污水處理廠應(yīng)結(jié)合實(shí)際和特殊情況對(duì)不同燈管類型的紫外線消毒系統(tǒng)進(jìn)行全面詳細(xì)的可行性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,選用適合的方案。在方案比較時(shí),還應(yīng)全面考慮占地、土建、輔助設(shè)備設(shè)施以及其他相關(guān)因素。
3.3 鎮(zhèn)流器
早期的紫外線消毒系統(tǒng)使用電磁式鎮(zhèn)流器。20世紀(jì)90年代初電子鎮(zhèn)流器首先應(yīng)用在低壓燈紫外消毒系統(tǒng),90年代中葉又解決了用電子鎮(zhèn)流器控制中壓燈管的難題,現(xiàn)在各類污水紫外線消毒系統(tǒng)使用的鎮(zhèn)流器基本都是電子鎮(zhèn)流器。
鎮(zhèn)流器的布置一般分為兩大類,一類是將鎮(zhèn)流器密封后和紫外燈模塊一體化,另一類是鎮(zhèn)流器與紫外燈模塊或燈組分離,放在明渠外,離燈管有一定的距離。后者需要空氣排風(fēng)冷卻鎮(zhèn)流器等電控元件,從而會(huì)導(dǎo)致空氣中的灰塵、水汽和污染物侵蝕,降低鎮(zhèn)流器等敏感電控元件壽命,帶來額外的系統(tǒng)維護(hù),增加與更換鎮(zhèn)流器有關(guān)的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用,而且需要單獨(dú)的房屋和空調(diào)來安放鎮(zhèn)流器等電控部件。鎮(zhèn)流器遠(yuǎn)離紫外燈管會(huì)增加鎮(zhèn)流器到燈管間電壓降,因此降低燈管的輸入功率和燈管的紫外能輸出,從而降低紫外線消毒系統(tǒng)效率并影響消毒效果。
3.4 石英套管的清洗方式
清洗方式可分為兩大類:人工清洗和自動(dòng)清洗。人工清洗就是將燈管從明渠中取出,用清洗液噴淋到套管上,然后用棉布擦拭清潔;或?qū)讉(gè)紫外燈模塊放到移動(dòng)式清洗罐中用清洗液同時(shí)攪拌清中帶有曝氣攪拌裝置;當(dāng)燈管數(shù)量較多時(shí),也可一次將整個(gè)燈組(由若干個(gè)模塊組成)從明渠中起吊出來放入固定的清洗池內(nèi)用清洗液清洗,池中帶有曝氣攪拌裝置。從勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性上分析,人工清洗比較適合小型或中型污水處理廠。
自動(dòng)清洗還可分為純機(jī)械式自動(dòng)清洗和機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗,純機(jī)械式自動(dòng)清洗系統(tǒng)實(shí)際上是用鐵氟龍環(huán)來回刮擦套管表面;而機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗系統(tǒng)則是在清洗頭內(nèi)裝有清洗液,在清洗頭機(jī)械刮擦套管表面的同時(shí)通過清洗頭內(nèi)的清洗液去掉難以通過刮擦有效去除的污垢。
純機(jī)械式自動(dòng)清洗系統(tǒng)需要頻繁(10~30 min一次)的來回刮擦以減緩套管表面污垢的積累,清洗頭磨損快,壽命短,一般半年到一年就需要更換,維護(hù)要求勞動(dòng)強(qiáng)度和清洗成本較高;機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗一般一天清洗一次,清洗頭壽命在5年左右,清洗效果較好。
機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗裝置發(fā)明于90年代中葉,并應(yīng)用到污水紫外線消毒中,清洗效果好。常用磷酸作清洗液,會(huì)進(jìn)入污水處理系統(tǒng),但由于其用量極少,不會(huì)造成二次污染。機(jī)械加化學(xué)式自動(dòng)清洗在排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的北美地區(qū)的污水再生利用消毒處理中廣泛使用,未產(chǎn)生不良影響。當(dāng)然也可使用食品等級(jí)的清洗劑以適應(yīng)更高的需求。
4 應(yīng)用前景
加氯消毒是城市污水消毒處理中使用最為普遍的方法,但隨著氯消毒的大規(guī)模使用,人們對(duì)該方法的認(rèn)識(shí)和了解也不斷加深,對(duì)其使用中產(chǎn)生的問題也越來越關(guān)注。這主要是余氯對(duì)受納水體中的魚類有害,在處理過程中會(huì)產(chǎn)生三致副產(chǎn)物。在氯消毒已知的500多種消毒副產(chǎn)物中,只有為數(shù)很少的被研究并證實(shí)對(duì)人類健康有影響,尚有500多種消毒副產(chǎn)物有待查明身份,而且更令人擔(dān)心的是使用中缺乏對(duì)這些副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)分析和管理計(jì)劃。正是由于對(duì)這些問題的擔(dān)心,世界各國(guó)和地區(qū)對(duì)氯消毒的使用制定了各種法律規(guī)定,限制或控制使用。例如:荷蘭、德國(guó)、加拿大魁北克等地已禁止使用氯消毒;歐美等地有脫氯要求;美國(guó)加利福尼亞、佛羅里達(dá)等州根據(jù)污水處理廠具體情況要求零余氯排放;除此之外,污水處理廠必須實(shí)施嚴(yán)格的安全生產(chǎn)條例和措施,有關(guān)部門對(duì)加氯消毒的通風(fēng)和安全生產(chǎn)設(shè)施嚴(yán)格控制,必須有完善的氯泄漏收集措施;在國(guó)外還有風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃,包括污水處理廠附近居民的撤離計(jì)劃;而公民知情權(quán)法則要求污水處理廠應(yīng)將氯消毒的使用及情況通報(bào)給附近居民等等。這些法律、規(guī)定和法規(guī)大大增加了氯消毒成本,也使得氯消毒越來越不受歡迎。另外氯作為危險(xiǎn)化學(xué)藥品,有關(guān)部門對(duì)其運(yùn)輸和儲(chǔ)存的安全問題和審批控制非常嚴(yán)格,我國(guó)的一些污水處理廠在建成加氯接觸池后常常因此而無法正常運(yùn)行使用,現(xiàn)在越來越多的城市污水處理廠已開始考慮使用紫外線消毒技術(shù)替代氯消毒。
紫外線消毒技術(shù)作為物理消毒方式,無二次污染;運(yùn)行維護(hù)安全、簡(jiǎn)便;消毒時(shí)間短(一般1~10s),無需接觸池,占地小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備安裝快,在各種消毒方法中對(duì)微生物最具廣譜性,消毒效果不受水體pH和溫度影響。圖3為各種消毒方法在城市污水處理中的應(yīng)用程度,可以看出紫外線消毒技術(shù)正得到越來越多的應(yīng)用。
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5 結(jié)語
由于氯消毒技術(shù)的負(fù)面影響逐步顯現(xiàn),選擇綠色的消毒技術(shù)越來越受到大眾的關(guān)注。紫外線消毒技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用剛剛起步,在設(shè)計(jì)紫外線消毒系統(tǒng)時(shí),必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐母鞣N條件,選擇合適的紫外線消毒系統(tǒng)。不同類型的燈管、鎮(zhèn)流器和清洗方式直接影響工程投資、運(yùn)行費(fèi)用和處理效果。通過進(jìn)行廣泛的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定合適的工藝方案,是取得最佳消毒效果的必要條件。
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