论文部分内容阅读
摘要本文介绍了紫外线消毒技术在加压泵站中的应用，阐述了紫外线消毒技术与其它消毒技术的优缺点，着重探讨了紫外线+氯联合消毒工艺的应用及必要性。
关键词加压泵站紫外线技术氯消毒 臭氧膜技术联合消毒两虫
中新生态城南部片区给水加压泵站位于生态城中津大道与中新大道交叉处的北侧，总占地面积0.504ha，供水规模5.5×104m3/d，總投资约2600万元。泵站建有清水池、吸水井、送水泵房及变配电室，净水工艺如图1。
消毒
图1加压泵站工艺流程图
泵站的消毒目的有两个，一是按照国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求提供控制来水中两虫（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）风险的屏障；另一个目的是保证管网末端余氯的要求控制管网中生物稳定性，泵站的消毒方式最终采用了紫外线+ClO2联合消毒技术。
紫外消毒与其他消毒技术的比较
1.1传统消毒技术
目前国内自来水消毒方式主要采用氯消毒工艺，另外还有臭氧、膜技术等消毒方式。
1.1.1氯消毒
氯易溶于水中，在水中氯与水反应生成HOCl，HOCl扩散到细菌表面，并穿透细胞壁到细菌内部，利用其氧化能力，破坏细菌酶系统实现消毒的目的。氯消毒因其投资低，工艺成熟，持续灭菌能力强，成为目前最常用的一种消毒方式。
HOCl
图2
科学家早在1974年就研究发现，氯消毒会产生具有致突变和致癌的三氯甲烷，随着近年来对消毒副产物的深入研究，至今已知的氯消毒副产物有500多种。另外，氯消毒还有一个被经常忽视或忘记的问题那就是它并不是对所有的病原体都有效。自由氯对控制贾第鞭毛虫和隐孢子虫等病原体是无效或低效的。众所周知，在北美和欧洲就曾经发生过多起大规模的由于隐孢子虫引致的供水安全事件。例如，1993年美国Milwaukee市就爆发了隐孢子虫病，导致40余万人感染得病，4000多人住院，112人死亡。氯消毒在使用过程中，还存在着很大的运输、储存和使用的安全风险。
1.1.2臭氧消毒
臭氧（O3）是淡蓝色、强烈刺激性的有毒气体。臭氧是强氧化剂，可将微生物的细胞壁氧化，使其失去新陈代谢能力而死亡。
臭氧作为消毒剂，用量少，作用快，杀菌和氧化能力比氯强。但由于臭氧分子不稳定，易自行分解，在水中保留时间很短，少于30min，不能维持管网持续的消毒效率，因此在臭氧之后，往往需要投加少量的氯等。另外，近年来臭氧的消毒副产物也开始引起人们的关注,如溴酸盐，醛，酮等，其中溴酸盐在水质标准中有明确的规定。臭氧消毒时水中大分子物质变成分子较小的中间产物，可能有毒性。或者中间产物和氯作用后致突变反而增强。
1.1.3膜技术
膜过滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。
膜技术可有效净化水质去除水中病毒、微生物等，但膜技术也存在以下缺点：
容易受水质和温度条件的影响;
投资高,造价昂贵，运行费用高;
膜组件容易被污染;
病毒、微生物等会随冲洗水排放出来；
显著的水头损失,增加运行费用。
工艺需要浓水排放,浪费水量大。
1.2新的消毒方式
在太阳光中的紫外线很早就被人们利用来杀菌消毒。具有杀菌作用的波长位于200到300nm的光谱范围内。紫外线杀菌的原理就是通过紫外线对微生物进行照射，使其细胞内的遗传基因（DNA/RNA）遭到破坏，阻止细胞复制分裂而使细菌、病毒等微生物不能繁殖达到消毒效果。自从二十世纪初以来人们就探索用这种源于自然的紫外线技术来进行水处理。紫外线消毒技术对治病微生物具有广谱消毒效果，特别对“两虫”有特效杀灭作用，且在常规剂量下不产生有毒有害副产物。目前，在美国、加拿大、欧洲等有多座大型水厂采用紫外线消毒。近几年我国市政水处理也开始采用紫外消毒技术，如大庆东风水厂，天津泰达自来水公司水厂三期。
紫外线消毒技术明显的缺点是没有持续消毒能力，在应用时必须结合其它消毒方式。消毒原理，见图3
图3
紫外线消毒技术的优缺点
优点 缺点
1. 紫外相对于其它工艺具有投资优势 (包括土建、运输、储存、法规、人员等）；
2. 紫外的运行费用大约是臭氧的1/5，膜过滤的1/10；
3. 可有效的灭活隐孢子虫和贾第虫；
4. 紫外不产生毒副产物,安全、可靠；
5. 紫外消毒已被国内外权威机构广泛接受；
6. 不改变水的颜色、气味和口感。 1. 瞬时消毒,对管网无持续消毒作用；
2. 目前无法实现在线监测消毒效果,只能通过生物验定剂量法验证设备性能。
1.3消毒方式的对比
项目 液 氯 臭 氧 紫 外 线
消毒效果（常规） 很好 很好 很好
广谱消毒的经济性 很差 差 好
隐孢子虫灭活 很差 较好 很好
贾第虫灭活 差 较好 很好
杀菌速度 中等 快 很快
消毒副产物 有 当溴存在时有 无
水中停留时间 长 短 很短
除臭去味 无作用 好 在消毒剂量无作用，但在高级氧化条件下作用很好。
PH的影响 很大 小 无
水中的溶解度 高 低 无
广谱消毒所用的剂量 很高 较高 低
是否适合大水量处理 是 否 是
紫外线+氯联合消毒
2.1 多屏障消毒策略
为了保障饮用水的安全，近年来多屏障消毒策略在水处理中得到广泛的认同和实践。现代消毒的最终目标是对水进行可实施和强有效地消毒，消灭其中的传统的和新发现的病原体，同时在消毒过程中不能产生新的问题。这就要求在进行水处理消毒工艺的选择上要同时平衡化学风险和微生物风险。因此，多屏障消毒策略（也称组合式消毒工艺）已经被很多国外水厂所认同、采用，在我国正处于被逐渐认识的阶段。多屏障消毒策略的出现和实践也是基于目前还没有任何一种理想的消毒手段，现有的消毒技术都有其优缺点，几种消毒技术组合使用可以取长补短、最大程度地提高供水的全性，满足现实条件下安全供水需求。目前多屏障消毒方式主要有紫外线 + 氯胺、 紫外线 + 臭氧 + 氯胺、臭氧 +氯胺、紫外线 + 氯等，最为常见的是紫外线+氯联合消毒技术。
2.2紫外线+氯消毒
2.2.1采用紫外线+氯消毒技术的必要性
紫外线+氯联合消毒技术，可满足新国标对病原微生物指标控制的要求。新国标增加了对贾第鞭毛虫、隐孢子虫、大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群指标的控制要求，另外对消毒副产物的控制也更为严格，因此对水消毒提出了更高的要求。结合紫外线消毒对病原微生物的广谱及特效消毒作用和氯消毒的持续消毒作用，为满足新国标对两虫等病原微生物的控制要求，同时保证供水管网的持续消毒作用，在自来水消毒时采用紫外线+氯联合消毒技术是非常必要的。一方面扩大了微生物控制覆盖面，同时降低了消毒副产物风险。
2.2.2南部加压泵站消毒方式的选取
生态城南部片区加压泵站采用紫外线+ ClO2联合消毒技术，主要考虑两方面因素。其一、除去来水中的两虫（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）的风险。去除两虫主要有两种方式即紫外线和臭氧消毒。根据前面的介绍可知，两种方式去除效果相当，但臭氧消毒投资相对较高，占地大，且生态城靠近海边，采用臭氧消毒有溴酸盐超标可能，而紫外线消毒投资低，运行费用大约是臭氧的1/5，不产生消毒副产物，因此最终选取紫外线消毒。其二、来水水质较好，但源水经过长距离输送后，管网末端余氯已达不到水质要求，因此在加压站需进行二次补氯处理。液氯是迄今为止最常用的方法，其成本低、工艺成熟、效果稳定可靠，但氯气是剧毒危险品，存储液氯的钢瓶属高压容器，有潜在威胁，液氯消毒的副产物是致癌、致突变的潜在危险，鉴于生态城的高要求，该泵站没有考虑液氯消毒。二氧化氯（ClO2）既是消毒剂又是氧化能力很强的氧化剂。二氧化氯对细菌的细胞壁有较强的吸附和穿透能力，从而有效地破坏细菌内含旈基的酶。二氧化氯可快速控制微生物蛋白质的合成，对细菌、病毒等有很强的灭活能力。二氧化氯的最大优点是形成的消毒副产物远远小于液氯，是一种安全高效的消毒方式，故最终补氯选取ClO2。综合各方因素，生态城给水加压泵站选用了紫外线+ ClO2 联合消毒方式，利用两种消毒方式实现优势互补，建立起多级安全屏障。
结语
通过分析可知，在自来水水处理上，任何一种单一的消毒方式已经很难满足越来越严格的水安全要求。氯消毒工艺较成熟，但消毒副产物等缺点和安全风险已被人们所熟知；臭氧、膜技术也存在各自的局限性。紫外线消毒无副产物，对微生物广谱的灭活特性在实践中越来越得到认可。因此紫外消毒与其他消毒方法相结合成为最无可争议的最佳消毒组合。
为了保证生活饮用水安全满足新国标的要求，同时为使供水管网保持一定的消毒能力，生态城南部片区给水加压泵站采用了紫外线+ ClO2联合消毒方式，可为生活饮用水提供多屏障消毒安全保障，确保生活饮用水的卫生安全性。
参考文献
1. 《城市给排水紫外线消毒设备》GB/T19837-2006
2. 《现代给水处理消毒技术的发展••给水排水》2010.2
王新萍程守松 天津
工作单位:天津生态城能源投资建设有限公司
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词加压泵站紫外线技术氯消毒 臭氧膜技术联合消毒两虫
中新生态城南部片区给水加压泵站位于生态城中津大道与中新大道交叉处的北侧，总占地面积0.504ha，供水规模5.5×104m3/d，總投资约2600万元。泵站建有清水池、吸水井、送水泵房及变配电室，净水工艺如图1。
消毒
图1加压泵站工艺流程图
泵站的消毒目的有两个，一是按照国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求提供控制来水中两虫（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）风险的屏障；另一个目的是保证管网末端余氯的要求控制管网中生物稳定性，泵站的消毒方式最终采用了紫外线+ClO2联合消毒技术。
紫外消毒与其他消毒技术的比较
1.1传统消毒技术
目前国内自来水消毒方式主要采用氯消毒工艺，另外还有臭氧、膜技术等消毒方式。
1.1.1氯消毒
氯易溶于水中，在水中氯与水反应生成HOCl，HOCl扩散到细菌表面，并穿透细胞壁到细菌内部，利用其氧化能力，破坏细菌酶系统实现消毒的目的。氯消毒因其投资低，工艺成熟，持续灭菌能力强，成为目前最常用的一种消毒方式。
HOCl
图2
科学家早在1974年就研究发现，氯消毒会产生具有致突变和致癌的三氯甲烷，随着近年来对消毒副产物的深入研究，至今已知的氯消毒副产物有500多种。另外，氯消毒还有一个被经常忽视或忘记的问题那就是它并不是对所有的病原体都有效。自由氯对控制贾第鞭毛虫和隐孢子虫等病原体是无效或低效的。众所周知，在北美和欧洲就曾经发生过多起大规模的由于隐孢子虫引致的供水安全事件。例如，1993年美国Milwaukee市就爆发了隐孢子虫病，导致40余万人感染得病，4000多人住院，112人死亡。氯消毒在使用过程中，还存在着很大的运输、储存和使用的安全风险。
1.1.2臭氧消毒
臭氧（O3）是淡蓝色、强烈刺激性的有毒气体。臭氧是强氧化剂，可将微生物的细胞壁氧化，使其失去新陈代谢能力而死亡。
臭氧作为消毒剂，用量少，作用快，杀菌和氧化能力比氯强。但由于臭氧分子不稳定，易自行分解，在水中保留时间很短，少于30min，不能维持管网持续的消毒效率，因此在臭氧之后，往往需要投加少量的氯等。另外，近年来臭氧的消毒副产物也开始引起人们的关注,如溴酸盐，醛，酮等，其中溴酸盐在水质标准中有明确的规定。臭氧消毒时水中大分子物质变成分子较小的中间产物，可能有毒性。或者中间产物和氯作用后致突变反而增强。
1.1.3膜技术
膜过滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。
膜技术可有效净化水质去除水中病毒、微生物等，但膜技术也存在以下缺点：
容易受水质和温度条件的影响;
投资高,造价昂贵，运行费用高;
膜组件容易被污染;
病毒、微生物等会随冲洗水排放出来；
显著的水头损失,增加运行费用。
工艺需要浓水排放,浪费水量大。
1.2新的消毒方式
在太阳光中的紫外线很早就被人们利用来杀菌消毒。具有杀菌作用的波长位于200到300nm的光谱范围内。紫外线杀菌的原理就是通过紫外线对微生物进行照射，使其细胞内的遗传基因（DNA/RNA）遭到破坏，阻止细胞复制分裂而使细菌、病毒等微生物不能繁殖达到消毒效果。自从二十世纪初以来人们就探索用这种源于自然的紫外线技术来进行水处理。紫外线消毒技术对治病微生物具有广谱消毒效果，特别对“两虫”有特效杀灭作用，且在常规剂量下不产生有毒有害副产物。目前，在美国、加拿大、欧洲等有多座大型水厂采用紫外线消毒。近几年我国市政水处理也开始采用紫外消毒技术，如大庆东风水厂，天津泰达自来水公司水厂三期。
紫外线消毒技术明显的缺点是没有持续消毒能力，在应用时必须结合其它消毒方式。消毒原理，见图3
图3
紫外线消毒技术的优缺点
优点 缺点
1. 紫外相对于其它工艺具有投资优势 (包括土建、运输、储存、法规、人员等）；
2. 紫外的运行费用大约是臭氧的1/5，膜过滤的1/10；
3. 可有效的灭活隐孢子虫和贾第虫；
4. 紫外不产生毒副产物,安全、可靠；
5. 紫外消毒已被国内外权威机构广泛接受；
6. 不改变水的颜色、气味和口感。 1. 瞬时消毒,对管网无持续消毒作用；
2. 目前无法实现在线监测消毒效果,只能通过生物验定剂量法验证设备性能。
1.3消毒方式的对比
项目 液 氯 臭 氧 紫 外 线
消毒效果（常规） 很好 很好 很好
广谱消毒的经济性 很差 差 好
隐孢子虫灭活 很差 较好 很好
贾第虫灭活 差 较好 很好
杀菌速度 中等 快 很快
消毒副产物 有 当溴存在时有 无
水中停留时间 长 短 很短
除臭去味 无作用 好 在消毒剂量无作用，但在高级氧化条件下作用很好。
PH的影响 很大 小 无
水中的溶解度 高 低 无
广谱消毒所用的剂量 很高 较高 低
是否适合大水量处理 是 否 是
紫外线+氯联合消毒
2.1 多屏障消毒策略
为了保障饮用水的安全，近年来多屏障消毒策略在水处理中得到广泛的认同和实践。现代消毒的最终目标是对水进行可实施和强有效地消毒，消灭其中的传统的和新发现的病原体，同时在消毒过程中不能产生新的问题。这就要求在进行水处理消毒工艺的选择上要同时平衡化学风险和微生物风险。因此，多屏障消毒策略（也称组合式消毒工艺）已经被很多国外水厂所认同、采用，在我国正处于被逐渐认识的阶段。多屏障消毒策略的出现和实践也是基于目前还没有任何一种理想的消毒手段，现有的消毒技术都有其优缺点，几种消毒技术组合使用可以取长补短、最大程度地提高供水的全性，满足现实条件下安全供水需求。目前多屏障消毒方式主要有紫外线 + 氯胺、 紫外线 + 臭氧 + 氯胺、臭氧 +氯胺、紫外线 + 氯等，最为常见的是紫外线+氯联合消毒技术。
2.2紫外线+氯消毒
2.2.1采用紫外线+氯消毒技术的必要性
紫外线+氯联合消毒技术，可满足新国标对病原微生物指标控制的要求。新国标增加了对贾第鞭毛虫、隐孢子虫、大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群指标的控制要求，另外对消毒副产物的控制也更为严格，因此对水消毒提出了更高的要求。结合紫外线消毒对病原微生物的广谱及特效消毒作用和氯消毒的持续消毒作用，为满足新国标对两虫等病原微生物的控制要求，同时保证供水管网的持续消毒作用，在自来水消毒时采用紫外线+氯联合消毒技术是非常必要的。一方面扩大了微生物控制覆盖面，同时降低了消毒副产物风险。
2.2.2南部加压泵站消毒方式的选取
生态城南部片区加压泵站采用紫外线+ ClO2联合消毒技术，主要考虑两方面因素。其一、除去来水中的两虫（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）的风险。去除两虫主要有两种方式即紫外线和臭氧消毒。根据前面的介绍可知，两种方式去除效果相当，但臭氧消毒投资相对较高，占地大，且生态城靠近海边，采用臭氧消毒有溴酸盐超标可能，而紫外线消毒投资低，运行费用大约是臭氧的1/5，不产生消毒副产物，因此最终选取紫外线消毒。其二、来水水质较好，但源水经过长距离输送后，管网末端余氯已达不到水质要求，因此在加压站需进行二次补氯处理。液氯是迄今为止最常用的方法，其成本低、工艺成熟、效果稳定可靠，但氯气是剧毒危险品，存储液氯的钢瓶属高压容器，有潜在威胁，液氯消毒的副产物是致癌、致突变的潜在危险，鉴于生态城的高要求，该泵站没有考虑液氯消毒。二氧化氯（ClO2）既是消毒剂又是氧化能力很强的氧化剂。二氧化氯对细菌的细胞壁有较强的吸附和穿透能力，从而有效地破坏细菌内含旈基的酶。二氧化氯可快速控制微生物蛋白质的合成，对细菌、病毒等有很强的灭活能力。二氧化氯的最大优点是形成的消毒副产物远远小于液氯，是一种安全高效的消毒方式，故最终补氯选取ClO2。综合各方因素，生态城给水加压泵站选用了紫外线+ ClO2 联合消毒方式，利用两种消毒方式实现优势互补，建立起多级安全屏障。
结语
通过分析可知，在自来水水处理上，任何一种单一的消毒方式已经很难满足越来越严格的水安全要求。氯消毒工艺较成熟，但消毒副产物等缺点和安全风险已被人们所熟知；臭氧、膜技术也存在各自的局限性。紫外线消毒无副产物，对微生物广谱的灭活特性在实践中越来越得到认可。因此紫外消毒与其他消毒方法相结合成为最无可争议的最佳消毒组合。
为了保证生活饮用水安全满足新国标的要求，同时为使供水管网保持一定的消毒能力，生态城南部片区给水加压泵站采用了紫外线+ ClO2联合消毒方式，可为生活饮用水提供多屏障消毒安全保障，确保生活饮用水的卫生安全性。
参考文献
1. 《城市给排水紫外线消毒设备》GB/T19837-2006
2. 《现代给水处理消毒技术的发展••给水排水》2010.2
王新萍程守松 天津
工作单位:天津生态城能源投资建设有限公司
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。