论文部分内容阅读
摘要：对不同的污水消毒技术进行了介绍，重点阐述了紫外光消毒系统的特点及其选型时应注意的问题。襄樊鱼梁州污水处理厂一期规模20万m3／d，实际应用表明出水完全满足国家一级B出水标准。关键词：污水厂消毒紫外消毒
前言
襄樊市鱼梁洲污水处理厂采用的是A2O工艺，处理后，达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定的一级标准的B标准后排入汉江。考虑到污水处理分期实施的可行性，一期工程规模拟定为旱季污水量20万m3/d。
为了有效防止传染性病原菌对人们的危害，降低水体中的总大肠菌群数，对鱼梁州污水处理厂出水进行消毒处理。目前常用的消毒方法主要有液氯、二氧化氯、紫外线消毒。本工程拟对常用的三种消毒进行技术经济比较，着重就紫外消毒设备的选用进行说明。
1 液氯、二氧化氯、紫外消毒原理介绍
1.1 液氯消毒
在水溶液中，卤素（包括氯、溴及碘）是非常高效的消毒剂，其中，氯在污水消毒中应用得最为广泛。在标准状况下，氯是一种淡淡的黄绿色的气体，在-34.5℃，100KPa的情况下，氯以透明的琥珀色的液态形式存在。液氯通常装在钢制的氯瓶中贮存、运输。氯溶于水时，会生成次氯酸，次氯酸可以快速进入细胞膜，破坏细胞组织，从而起到杀菌消毒的作用。
CL2+H2O=HOCL+HCL
HOCL=H++OCL-
当PH值大于8.5时，次氯酸基本上全部离解成氢离子H+和次氯酸根离子OCl-，在PH值小于6.0时，则基本上以次氯酸HOC1形式存在，由于次氯酸根离子OCl-带有电荷，不易扩散进入细胞膜，因而相对于次氯酸HOCl来说，杀菌能力较弱，仅为HOCl的1/8左右。
1.2 二氧化氯消毒
二氧化氯在水处理中的应用始于1944年，当时美国的Niagara Falls水厂为控制水中藻类繁殖所产生的气味，率先使用二氧化氯获得成功。目前在欧美国家，二氯化氯在水厂中的使用已日趋普遍。二氧化氯（ClO2，分子量67.47）是一种黄绿色气体，具有与氯相同的刺激性气味，其沸点为11℃，凝固点为-59℃。目前普遍选用盐酸和亚氯酸钠反应的纯化学法生成二氧化氯，选用此种方法，是因为这种方法二氧化氯转化率最高。反应式为：
4HCl+5NaClO2=4ClO2+5NaCl+2H2O
二氧化氯的气体极不稳定，在空气中浓度为10%时就有可能发生爆炸，在45-50℃时会剧烈分解。二氧化氯的水溶液在较高温度与光照下会生成ClO2与ClO3，因此应在避光低温处存放。二氧化氯溶液浓度在10g/L以下时，基本没有爆炸的危险。因此不能象氯气那样装瓶运输，只能在使用现场临时制备。
1.3紫外线消毒
紫外线分为四个不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外线（200～100nm）。其中就杀菌速度而言，UVC处于微生物吸收峰范围之内（见图1），可在1s之内通过破坏微生物的DNA结构杀死病毒和细菌，而UVA和UVB由于处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度很慢，往往需要数小时才能起到杀菌作用，在实际工程的数秒钟水力停留（照射）时间内，该部分实际上属于无效紫外部分。因此，给排水工程中所说的紫外光消毒实际上就是指UVC消毒。
目前能够输出足够的UVC强度用于工程消毒的只有人工汞（合金）灯光源。汞灯根据点亮后的灯管内汞蒸气压的不同和UV输出强度的不同，分为三种：低压低强度汞灯、中压高强度汞灯和低压高强度汞灯。三种光源的波谱图见图2～图4。
杀菌效果是由微生物所接受的照射剂量决定的。
照射剂量（J／m2）＝照射时间（s）×UVC强度（W／m2）
照射剂量越大，消毒效率越高。由于设备尺寸要求，一般照射时间只有几秒，因此，灯管的UVC输出强度就成了衡量紫外光消毒设备性能最主要的参数。在城市污水消毒中，一般平均照射剂量在300 J／m2以上。低于此值，有可能出现光复活现象，即病菌不能被彻底杀死，当从渠道中流出接受可见光照射后，重新复活，降低了杀菌效果。杀菌效率要求越高，所需的照射剂量越大。影响微生物接受到足够紫外光照射剂量的主要因素是透光率（254 nm处），当UVC输出强度和照射时间一定时，透光率的变化将造成微生物实际接受剂量的变化。确定消毒器能力的核心问题是如何决定辐照剂量。表1列出了不同微生物达到不同杀灭率需要的辐照剂量值，试验水样染菌1×105cfu/L,水深2cm。
微生物 杀灭率
90% 99% 99.99% 100%
大肠杆菌
伤寒杆菌
枯草杆菌芽胞
金黄色葡萄球菌
白喉杆菌
结核杆菌
黑曲霉孢子
流感病毒
破伤风病毒
溶血性链球菌
大肠杆菌菌体
表1
从表1中可以看出，杀灭不同微生物需要不同的辐照剂量，而存在于水中的微生物是多种多样的,选定的辐照剂量过高会浪费不必要的能量，过低又达不到水消毒的目的。一般认为在紫外线消毒的实际应用中，考虑到消毒器的构造结构、水流分布、灯管使用过程中强度的变化、进水水质、电源特性、环境条件，以及必要的安全系数，消毒器同最初的紫外线辐照剂量应留有余量。紫外线消毒器所能提供的辐照剂量最低不小于9000uW/(cm2.s),产品出厂时应大于12000u W/(cm2)。
1.4 消毒方法特点分析
1.4.1 氯作为一种强氧化性消毒剂，由于其杀菌能力强，价格低廉，使用简单，是目前污水消毒中应用最广泛的消毒剂，已经积累了大量的实践经验。氯气消毒自1908年问世以来，随着水质分析技术的不断发展和完善，科学家们对液氯消毒在水处理上的应用重新进行了评估和研究，发现氯气消毒具有以下缺点：①氯会与水中腐殖酸类物质反应形成致癌的卤代烃（THMs）；②氯会与酚类反应形成有怪味的氯酚；③氯与水中的氨反应形成消毒效力低的氯胺，而且排入水体后对鱼类有危害；④氯在PH值较高时消毒效力大幅度下降；⑥氯长期使用会引起某些微生物的抗曲线性。
1.4.2 二氧化氯对大肠杆菌、脊椎灰质炎病毒、甲肝病毒、兰泊氏贾第虫胞囊、尖刺贾第虫胞囊等均有很好的殺灭作用，效果优于自由氯。与氯不同，二氧化氯的一个重要特点是在碱性条件下仍具有很好的杀菌能力。由于二氧化氯不会与氨反应，因此在高pH 值的含氨的系统中可发挥极好的杀菌作用，而且二氧化氯对藻类也具有很好的杀灭作用。
但应用二氧化氯消毒也存在一些问题，加入到水中的二氧化氯有50%～70%转变为ClO2、ClO3 。很多试验表明ClO2、ClO3，对红血细胞有损害，对碘的吸收代谢有干扰，还会使血液胆固醇升高：使用二氧化氯消毒，水有特殊的气味，据调查，这是由于从水中溢出的二氧化氯与空气中的有机物反应所致：使用二氧化氯消毒会使污水处理成本升高。
1.4.3 紫外消毒具有消毒效果好，无二次污染的特点，但由于紫外线的穿透能力较低，所以对水的色度、浊度、含铁量等有一定要求。一般，色度应小于15度，浊度应小于5度，总铁含量应小于0.3mg/L。灯管周围介质温度也会影响紫外线灯的辐射强度。紫外灯管与被照射点之间的距离对紫外线强度也有影响，强度系数随距离的增加而减小。通过以上分析可知，紫外线应用于污水消毒会受到出水色度、浊度、温度、距离、使用时间等的影响而降低杀菌效果。
1.5 消毒方法选择
考虑紫外线消毒具有不需投加任何化学药剂，不改变水的成分和结构，消毒时间短，杀菌范围宽，效果好，危险性小，无二次污染，不需建造较大的接触池，占地面积和土建费用大大减少。因此本工程最终选用紫外消毒方法。
2 紫外消毒系统设备选择
由于目前国内大型污水处理厂中已经运行的的紫外消毒装置不多，许多用户和设计人员缺乏设备比选的经验。我们通过襄樊富春污水处理厂紫外消毒装置的选择以及随后的应用研究，积累了一定的经验，认为应该重点注意以下4个方面。
灯管的选择
分两个方面。一是单支灯管的UVC输出强度越高，所需要的灯管数量越少，投资和运行维护费用越低。从图2～图4可以看出，高强度汞灯的输出强度高，优于低强度汞灯。二是UVC电光转换效率（253.7 nm），这又分两个层次。一是灯管消耗的电能转换为光能的效率，二是光能中253.7 nm波长（即UVC）部分所占的比例。从图2～图4可以看出，低压汞灯的紫外输出主要集中在253.7 nm，而中压汞灯的紫外输出主要集中在366 nm，且中压汞灯发热量很大，进一步造成能量浪费，因此，低压高强度汞灯的电光转换效率高于中压高强汞灯。襄樊鱼梁州UVC消毒系统的电光转化效率高达42％。
2.2传感器及实时调节系统的选择
污水处理厂水量、水质波动较大，因此进行UVC输出强度的实时调节对节约电耗和延长灯管寿命意义重大。这主要通过灯管的可变输出和传感器的真实反馈来实现。就传感器进行真实反馈而言，其位置和波长的选择性极为重要。有些产品的传感器放在紫外灯管和石英套管之间，反馈的信号没有包含被消毒水的透光率变化情况。此外，一些传感器的波长选择性不强，测出的紫外光强度还包含了除253.7nm之外的其他波长的紫外光。能真实反应微生物实际接受的UVC照射强度的传感器应是放置在水中（与微生物处于同一位置），并且只监测253.7nm波长强度。襄樊鱼梁州污水处理厂即采用的这种传感器，其低压高强度汞灯在50～100％的范围内可以实现电耗与UVC输出的线性自动调整。
2.3自动清洗系统的选择
污水处理厂紫外光消毒系统的清洗系统有人工清洗、自动机械清洗和自动化学清洗三种。由于人工清洗要中断消毒、工作量大、操作时易损伤灯管，且间隔时间长（自动清洗一般1～2次／小时），无法保证石英套管所必需的最低综合透光率，因此，除极个别特殊情况外，极少使用。自动清洗系统的选择与所使用的灯管有关。对于中压高强度灯管，温度在600～900℃之间，结垢严重，必须采用机械化学清洗。对于低压高强度灯管，温度低于110℃，结垢量和速度都远远低于中压高强灯管，在1～2次／h的清洗频率内，不会形成结垢。襄樊鱼梁州连续10个月的实际运行结果也证明了这一点。
3 监测结果
襄樊鱼梁州污水处理厂出水设计粪大肠菌值为≤10,000个/L，实测粪大肠杆菌值均小于≤10,000个/L（见表2）。
月份 平均进口浓度
（ 个/L） 平均出口浓度
（个/L） 月份 平均进口浓度
（个/L） 平均出口浓度
（个/L）
3 9.3×106 9000 7 1.1×107 9500
4 7.6×106 7000 8 2.1×107 9500
5 8.9×106 6500 9 7.8×106 8500
6 8.3×106 8000 10 1．1×107 8000
表2
4运行成本
其中：紫外系统功率=98.6KW
能源消耗费： 0.0053元／m3其中：（综合電价：0.50元／kWh ）
灯管更换费用：0.0051元／m3
运行费用合计：0.0106元／m3，
5结论
（1）紫外光用于城市污水处理出水的消毒可以达到GB18918-2002一级B类水质标准要求。
（2）该技术具有无二次污染的特点，应用前景广阔。
（3）能耗低、运行费用低；自动化程度高；维护简便。
（4）在设备选用方面，低压高强度紫外灯的综合技术经济指标优于中压高强度紫外灯。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
前言
襄樊市鱼梁洲污水处理厂采用的是A2O工艺，处理后，达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定的一级标准的B标准后排入汉江。考虑到污水处理分期实施的可行性，一期工程规模拟定为旱季污水量20万m3/d。
为了有效防止传染性病原菌对人们的危害，降低水体中的总大肠菌群数，对鱼梁州污水处理厂出水进行消毒处理。目前常用的消毒方法主要有液氯、二氧化氯、紫外线消毒。本工程拟对常用的三种消毒进行技术经济比较，着重就紫外消毒设备的选用进行说明。
1 液氯、二氧化氯、紫外消毒原理介绍
1.1 液氯消毒
在水溶液中，卤素（包括氯、溴及碘）是非常高效的消毒剂，其中，氯在污水消毒中应用得最为广泛。在标准状况下，氯是一种淡淡的黄绿色的气体，在-34.5℃，100KPa的情况下，氯以透明的琥珀色的液态形式存在。液氯通常装在钢制的氯瓶中贮存、运输。氯溶于水时，会生成次氯酸，次氯酸可以快速进入细胞膜，破坏细胞组织，从而起到杀菌消毒的作用。
CL2+H2O=HOCL+HCL
HOCL=H++OCL-
当PH值大于8.5时，次氯酸基本上全部离解成氢离子H+和次氯酸根离子OCl-，在PH值小于6.0时，则基本上以次氯酸HOC1形式存在，由于次氯酸根离子OCl-带有电荷，不易扩散进入细胞膜，因而相对于次氯酸HOCl来说，杀菌能力较弱，仅为HOCl的1/8左右。
1.2 二氧化氯消毒
二氧化氯在水处理中的应用始于1944年，当时美国的Niagara Falls水厂为控制水中藻类繁殖所产生的气味，率先使用二氧化氯获得成功。目前在欧美国家，二氯化氯在水厂中的使用已日趋普遍。二氧化氯（ClO2，分子量67.47）是一种黄绿色气体，具有与氯相同的刺激性气味，其沸点为11℃，凝固点为-59℃。目前普遍选用盐酸和亚氯酸钠反应的纯化学法生成二氧化氯，选用此种方法，是因为这种方法二氧化氯转化率最高。反应式为：
4HCl+5NaClO2=4ClO2+5NaCl+2H2O
二氧化氯的气体极不稳定，在空气中浓度为10%时就有可能发生爆炸，在45-50℃时会剧烈分解。二氧化氯的水溶液在较高温度与光照下会生成ClO2与ClO3，因此应在避光低温处存放。二氧化氯溶液浓度在10g/L以下时，基本没有爆炸的危险。因此不能象氯气那样装瓶运输，只能在使用现场临时制备。
1.3紫外线消毒
紫外线分为四个不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外线（200～100nm）。其中就杀菌速度而言，UVC处于微生物吸收峰范围之内（见图1），可在1s之内通过破坏微生物的DNA结构杀死病毒和细菌，而UVA和UVB由于处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度很慢，往往需要数小时才能起到杀菌作用，在实际工程的数秒钟水力停留（照射）时间内，该部分实际上属于无效紫外部分。因此，给排水工程中所说的紫外光消毒实际上就是指UVC消毒。
目前能够输出足够的UVC强度用于工程消毒的只有人工汞（合金）灯光源。汞灯根据点亮后的灯管内汞蒸气压的不同和UV输出强度的不同，分为三种：低压低强度汞灯、中压高强度汞灯和低压高强度汞灯。三种光源的波谱图见图2～图4。
杀菌效果是由微生物所接受的照射剂量决定的。
照射剂量（J／m2）＝照射时间（s）×UVC强度（W／m2）
照射剂量越大，消毒效率越高。由于设备尺寸要求，一般照射时间只有几秒，因此，灯管的UVC输出强度就成了衡量紫外光消毒设备性能最主要的参数。在城市污水消毒中，一般平均照射剂量在300 J／m2以上。低于此值，有可能出现光复活现象，即病菌不能被彻底杀死，当从渠道中流出接受可见光照射后，重新复活，降低了杀菌效果。杀菌效率要求越高，所需的照射剂量越大。影响微生物接受到足够紫外光照射剂量的主要因素是透光率（254 nm处），当UVC输出强度和照射时间一定时，透光率的变化将造成微生物实际接受剂量的变化。确定消毒器能力的核心问题是如何决定辐照剂量。表1列出了不同微生物达到不同杀灭率需要的辐照剂量值，试验水样染菌1×105cfu/L,水深2cm。
微生物 杀灭率
90% 99% 99.99% 100%
大肠杆菌
伤寒杆菌
枯草杆菌芽胞
金黄色葡萄球菌
白喉杆菌
结核杆菌
黑曲霉孢子
流感病毒
破伤风病毒
溶血性链球菌
大肠杆菌菌体
表1
从表1中可以看出，杀灭不同微生物需要不同的辐照剂量，而存在于水中的微生物是多种多样的,选定的辐照剂量过高会浪费不必要的能量，过低又达不到水消毒的目的。一般认为在紫外线消毒的实际应用中，考虑到消毒器的构造结构、水流分布、灯管使用过程中强度的变化、进水水质、电源特性、环境条件，以及必要的安全系数，消毒器同最初的紫外线辐照剂量应留有余量。紫外线消毒器所能提供的辐照剂量最低不小于9000uW/(cm2.s),产品出厂时应大于12000u W/(cm2)。
1.4 消毒方法特点分析
1.4.1 氯作为一种强氧化性消毒剂，由于其杀菌能力强，价格低廉，使用简单，是目前污水消毒中应用最广泛的消毒剂，已经积累了大量的实践经验。氯气消毒自1908年问世以来，随着水质分析技术的不断发展和完善，科学家们对液氯消毒在水处理上的应用重新进行了评估和研究，发现氯气消毒具有以下缺点：①氯会与水中腐殖酸类物质反应形成致癌的卤代烃（THMs）；②氯会与酚类反应形成有怪味的氯酚；③氯与水中的氨反应形成消毒效力低的氯胺，而且排入水体后对鱼类有危害；④氯在PH值较高时消毒效力大幅度下降；⑥氯长期使用会引起某些微生物的抗曲线性。
1.4.2 二氧化氯对大肠杆菌、脊椎灰质炎病毒、甲肝病毒、兰泊氏贾第虫胞囊、尖刺贾第虫胞囊等均有很好的殺灭作用，效果优于自由氯。与氯不同，二氧化氯的一个重要特点是在碱性条件下仍具有很好的杀菌能力。由于二氧化氯不会与氨反应，因此在高pH 值的含氨的系统中可发挥极好的杀菌作用，而且二氧化氯对藻类也具有很好的杀灭作用。
但应用二氧化氯消毒也存在一些问题，加入到水中的二氧化氯有50%～70%转变为ClO2、ClO3 。很多试验表明ClO2、ClO3，对红血细胞有损害，对碘的吸收代谢有干扰，还会使血液胆固醇升高：使用二氧化氯消毒，水有特殊的气味，据调查，这是由于从水中溢出的二氧化氯与空气中的有机物反应所致：使用二氧化氯消毒会使污水处理成本升高。
1.4.3 紫外消毒具有消毒效果好，无二次污染的特点，但由于紫外线的穿透能力较低，所以对水的色度、浊度、含铁量等有一定要求。一般，色度应小于15度，浊度应小于5度，总铁含量应小于0.3mg/L。灯管周围介质温度也会影响紫外线灯的辐射强度。紫外灯管与被照射点之间的距离对紫外线强度也有影响，强度系数随距离的增加而减小。通过以上分析可知，紫外线应用于污水消毒会受到出水色度、浊度、温度、距离、使用时间等的影响而降低杀菌效果。
1.5 消毒方法选择
考虑紫外线消毒具有不需投加任何化学药剂，不改变水的成分和结构，消毒时间短，杀菌范围宽，效果好，危险性小，无二次污染，不需建造较大的接触池，占地面积和土建费用大大减少。因此本工程最终选用紫外消毒方法。
2 紫外消毒系统设备选择
由于目前国内大型污水处理厂中已经运行的的紫外消毒装置不多，许多用户和设计人员缺乏设备比选的经验。我们通过襄樊富春污水处理厂紫外消毒装置的选择以及随后的应用研究，积累了一定的经验，认为应该重点注意以下4个方面。
灯管的选择
分两个方面。一是单支灯管的UVC输出强度越高，所需要的灯管数量越少，投资和运行维护费用越低。从图2～图4可以看出，高强度汞灯的输出强度高，优于低强度汞灯。二是UVC电光转换效率（253.7 nm），这又分两个层次。一是灯管消耗的电能转换为光能的效率，二是光能中253.7 nm波长（即UVC）部分所占的比例。从图2～图4可以看出，低压汞灯的紫外输出主要集中在253.7 nm，而中压汞灯的紫外输出主要集中在366 nm，且中压汞灯发热量很大，进一步造成能量浪费，因此，低压高强度汞灯的电光转换效率高于中压高强汞灯。襄樊鱼梁州UVC消毒系统的电光转化效率高达42％。
2.2传感器及实时调节系统的选择
污水处理厂水量、水质波动较大，因此进行UVC输出强度的实时调节对节约电耗和延长灯管寿命意义重大。这主要通过灯管的可变输出和传感器的真实反馈来实现。就传感器进行真实反馈而言，其位置和波长的选择性极为重要。有些产品的传感器放在紫外灯管和石英套管之间，反馈的信号没有包含被消毒水的透光率变化情况。此外，一些传感器的波长选择性不强，测出的紫外光强度还包含了除253.7nm之外的其他波长的紫外光。能真实反应微生物实际接受的UVC照射强度的传感器应是放置在水中（与微生物处于同一位置），并且只监测253.7nm波长强度。襄樊鱼梁州污水处理厂即采用的这种传感器，其低压高强度汞灯在50～100％的范围内可以实现电耗与UVC输出的线性自动调整。
2.3自动清洗系统的选择
污水处理厂紫外光消毒系统的清洗系统有人工清洗、自动机械清洗和自动化学清洗三种。由于人工清洗要中断消毒、工作量大、操作时易损伤灯管，且间隔时间长（自动清洗一般1～2次／小时），无法保证石英套管所必需的最低综合透光率，因此，除极个别特殊情况外，极少使用。自动清洗系统的选择与所使用的灯管有关。对于中压高强度灯管，温度在600～900℃之间，结垢严重，必须采用机械化学清洗。对于低压高强度灯管，温度低于110℃，结垢量和速度都远远低于中压高强灯管，在1～2次／h的清洗频率内，不会形成结垢。襄樊鱼梁州连续10个月的实际运行结果也证明了这一点。
3 监测结果
襄樊鱼梁州污水处理厂出水设计粪大肠菌值为≤10,000个/L，实测粪大肠杆菌值均小于≤10,000个/L（见表2）。
月份 平均进口浓度
（ 个/L） 平均出口浓度
（个/L） 月份 平均进口浓度
（个/L） 平均出口浓度
（个/L）
3 9.3×106 9000 7 1.1×107 9500
4 7.6×106 7000 8 2.1×107 9500
5 8.9×106 6500 9 7.8×106 8500
6 8.3×106 8000 10 1．1×107 8000
表2
4运行成本
其中：紫外系统功率=98.6KW
能源消耗费： 0.0053元／m3其中：（综合電价：0.50元／kWh ）
灯管更换费用：0.0051元／m3
运行费用合计：0.0106元／m3，
5结论
（1）紫外光用于城市污水处理出水的消毒可以达到GB18918-2002一级B类水质标准要求。
（2）该技术具有无二次污染的特点，应用前景广阔。
（3）能耗低、运行费用低；自动化程度高；维护简便。
（4）在设备选用方面，低压高强度紫外灯的综合技术经济指标优于中压高强度紫外灯。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。