污水处理厂紫外线消毒技术的应用

摘要

紫外线污水消毒技术在国外特别是欧洲和北美地区经过近30多年的发展已经成为成熟、可靠、投资效益高的绿色环保技术，在世界各地各类城市污水的消毒处理中得到日益广泛的应用，成为污水处理领域中取代传统加氯消毒的主流技术和工艺。在国内污水处理厂尾水消毒中也得到了广泛的应用，为了进一步的引导引导紫外线消毒技术的规范应用，国家标准化委员会在2005年专门颁布了《城市给排水紫外线消毒设备》（GB/T19837-2005）国家标准，规范了紫外线消毒技术的运用，本文结合笔者的一些实际经验和研究，对紫外线消毒技术在污水处理厂中尾水消毒工艺中的应用做阐述说明。

关键词 紫外线 消毒 标准 1、城市污水消毒的必要性

为了保护人类的健康、生命以及水环境和水资源，世界许多国家和地区（北美、欧盟、日本、韩国、台湾等）都要求对城市污水在排放前进行消毒处理。污水消毒也是保护饮用水源的第一道防线。2002年11月，我国和许多国家及地区爆发了非典型性肺炎，这一疫情的元凶冠状病毒广泛的传播和性顽强存活能力使人们意识到消毒的重要性，尤其是对接纳病人排泄物的污水处理厂的尾水消毒成为防止疫情扩散的重要防线。我国国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2002年12月24日颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中首次将微生物指标列为基本控制指标，要求城市污水必须进行消毒处理，从而使污水处理的病理指标与国际接轨。

许多国家和地区在对城市污水要求消毒的同时,也制定了相应的消毒指标，相应的排放标准（部分国家和地区尾水消毒指标见表1），我国的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）将粪大肠菌列为基本污染物控制指标。该标准规定执行二级标准和一级B类标准的污水处理厂排放要求是粪大肠菌群不超过10000个/L，执行一级A类标准的污水处理厂排放要求为不超过1000个/L。

表1 部分国家和地区尾水消毒指标

国家或地区 美国国家环保局（EPA） 美国加州 加利福尼亚第22号条例 欧盟 日本指针 中国 GB18918-2002 粪大肠菌群数 200个/100ml 总大肠菌群数2.2个/100ml 2000个/100ml 大肠杆菌数3000个/ml 10000个/l 1000个/l 标准 二级生化处理后的出水 非限制性使用的回用水 浴场水指导准则(Bathing Water Directives) 二级标准 一级标准A类 国家或地区 粪大肠菌群数 10000个/l 5000个/l 1000个/l 中国 GB8978-1996 500个/l 1000个/l 500个/l 100个/l 上海市地方标准DB31/199-1997 中国再生水用作冷却水的水质控制标准 中国城镇杂用水 水质控制标准 3000个/l 10000个/l 2000个/l 总大肠菌群数3个 10000个/l 标准 一级标准B类 医院、兽医院及医疗机构含病原体污水 三级标准 医院、兽医院及医疗机构含病原体污水 二级标准 医院、兽医院及医疗机构含病原体污水 一级标准 传染病、结合病医院 三级标准 传染病、结合病医院 二级标准 传染病、结合病医院 一级标准 黄浦江上游水源保护区 黄浦江上游准水源保护区 GB50335-2002 GB50335-2002 观赏性景观环境用水 河道、湖泊类 观赏性景观环境用水 水景类 娱乐性景观环境用水 河道、湖泊类 娱乐性景观环境用水 水景类 中国景观环境用水的 再生水水质控制标准 GB50335-2002 2000个/l 500个/l 不得检出 2、城市污水处理厂尾水不同消毒方法的比较

给排水消毒方法可分为两大类，即化学消毒方法，如：加氯消毒和臭氧消毒；和物理消毒方法，如：紫外线消毒。目前，国内污水处理厂尾水消毒主要有四种消毒方法，分别是氯气、二氧化氯、臭氧、紫外线，他们各有优缺点，各自有着不同的应用领域。整理见表2

表2不同消毒工艺的比较

方法 氯气 （Cl2） 优点 传统技术，比较成熟 纯设备投资成本相对低 具有余氯持续消毒作用 二氧化氯 （Cl02） 投放简单、方便 缺点 对贾第虫、隐孢子虫无效 应用领域 自来水和污水中传统会产生消毒副产物（THMs） 的消毒方式 具致癌，致畸毒害作用 氯气危险，不宜储运 运行成本高不适合大水厂应用 对小规模项目具有一定的针对性，如医院 副产物较少，不受pH影响 现场制备，存在安全隐患 臭氧 （O3） 紫外线 （UV） 不产生任何消毒副产物，对贾第虫、 隐孢子虫效果好，具广谱性杀菌能力;操作安全简易/运行成本低 3 紫外线污水消毒技术的研究

3．1紫外线消毒的原理

污水处理 有强氧化能力 除臭、脱色、除铁、锰等 消毒投资较大，运行成本 高，产生臭化副产物 一些自来水厂深度处理和一些工业用水 对水体的悬浮物、色度等 影响UVT的因素比较敏感 无后续杀菌作用 大型市政给排水项目和工业用水（如半导体、食品行业等） 紫外线一般被分为三个不同波段：紫外C(200～280 nm)、紫外B(280～315 nm)和紫外A(315～400 nm)，其中紫外C(UVC)的杀菌效果最好。

紫外线杀菌与化学消毒剂杀菌不同，它不是通过得失电子的氧化还原反应进行，而是通过由紫外光子辐射导致的光化学反应来进行。紫外灯在260 nm附近杀菌效率最高，目前生产的紫外灯的最大紫外输出功率在波长为253.7 nm处，该波长在世界顶级紫外灯中已占紫外能量的90% 、总能量的30%以上，由于高强度、高效率的紫外C的存在，紫外技术克服了以往杀菌效率低、消毒水量小、成本高的缺点，已在水消毒领域具有相当的竞争力。

紫外线消毒是一种物理消毒方法，紫外线消毒并不是杀死微生物，而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒的原理主要是用紫外光摧毁微生物的遗传物质——核酸(DNA或RNA)，使其不能分裂复制。除此之外，紫外线还可引起微生物其他结构的破坏。微生物在人体内不能复制繁殖，就会自然死亡或被人体免疫功能消灭，从而不会对人体造成危害。

紫外线是波长在200 – 400nm 的电磁波，它又分为4个波段(见图1)，其中具有杀菌消毒功能的紫外波段为200 – 300nm，即紫外C和紫外B中的部分。通常人们较关注微生物对紫外线的吸收频谱，认为253.7nm是紫外消毒的最佳波段并把紫外消毒技术称为紫外C消毒，确切来说是不全面的，因为忽视了微生物对紫外线的反应频谱。 宇宙光

伽马线

X射线

紫外线

可见光

红外线

微波

无线电波

真空紫外UVC UVB UVA

图1. 紫外消毒波段 100nm 200nm 280nm 315nm 400nm 消毒波段*

200nm 253.7nm 300nm

RELATIVE UNITS1008060absorption核酸吸收 Nucleic acid40

相对单位 20E coli大肠菌灭活 killing108642240260 (nm) 波长280300WAVELENGTH (nm)图2.核酸的紫外吸收频谱与大肠菌消毒频谱

隐孢子虫 MS2

湿疣病毒

相对于254nm反应 波长(nm)

图3. 核酸和微生物对紫外的反应频谱

紫外线对核酸/微生物的破坏取决于核酸/微生物对紫外线的吸收和反应，如果只有吸收，没有反应，那么该波长的紫外线也不会具有灭活作用。吸收+反应决定了核酸或某种微生物对某一波段紫外光的响应或敏感性、即紫外光对其产生灭活的能力。

图2和图3分别为核酸及一些微生物对紫外线的吸收频谱和反应频谱，可以看到微生物对紫外照射的响应和核酸对紫外的响应有很强的相关性。由图可以看出核酸对紫外线的吸收大致在260 – 265nm 左右存在一个峰值，而对紫外线的反应则是在260 – 269nm左右有一个峰值。而某些微生物如：MS2噬菌体、湿疣病毒、mosaic 烟草病毒和reo病毒等的最大紫外反应波长则在230nm以下

[9][10][11][12]

。

因此若认为能发出253.7nm波长单频谱输出的低压紫外汞灯消毒效果优于多频谱输出的中压紫外灯，是不符合实际的。对很多微生物并不存在唯一的最佳紫外消毒波长。大量的研究和实际运行结果表明单频谱输出的低压紫外灯和多频谱输出的中压紫外灯在照射到微生物上的紫外剂量相同的条件下，其消毒效果是相同的灭活程度的唯一因素。

3．2．紫外剂量及剂量响应曲线

微生物所接收到的紫外照射剂量决定了其灭活的程度,不同的微生物种类对相同紫外剂量的响应是不同的。微生物在消毒器中通过时接收到的紫外剂量定义为:

T[1][13][14][15][16]

。对某一特定微生物来说，接受到的紫外剂量是决定其

DoseI•dt

0 (1)

式中Dose为剂量（常用单位：mWs/cm2）；I为微生物在其运动轨迹上某一点接收到的紫外照射光强（常用单位：mW/cm2）；T为曝光时间或滞留时间。在实际的紫外消毒器或系统中由于光强在空间的不均匀分布、流体动力学的限制且微生物在消毒器中滞留时间很短（一般1到10秒左右），每个微生物个体接收到的紫外剂量是不同的，即消毒器是非理想的。如果假设消毒器为理想消毒器，即所有微生物都接收到相同的紫外照射剂量，则方程（1）可表示为

DoseI•T

（2）

其中I和T分别为消毒器内平均光强和平均曝光时间。方程（2）类似于加氯消毒中的CT的计算。

在微生物实验室中，一般用紫外平行光束仪来测量某种微生物对紫外照射的响应特性，即其对紫外线消毒的敏感性。在特定光强下，通过控制曝光时间得到不同的紫外剂量，再测出相应的存活的微生物含量，即可得到该微生物的紫外剂量响应曲线，如图4所示。由此方法所得剂量叫做平行光剂量，一般认为此方法可完全排除流体动力学影响，根据此方法得到的曲线完全反映了紫外线对微生物的纯生化作用，故该紫外剂量也叫生化紫外剂量。此曲线是设计紫外消毒工艺的基本依据，一个紫外消毒系统在考虑其它各种因素及必要的安全系数后所能实现的有效紫外剂量不能小于由该曲线得出的对微生物达到某一程度消毒时所需要的生化剂量。

指标微生物含量N, (个/100ml)

0 紫外剂量(mWs/cm2)

图4. 微生物紫外剂量响曲线

由图4还可以看出，响应曲线在剂量增加到一定范围后逐渐持平、即存在极限，也就是说再加大消毒剂量也不能改善消毒效果。这主要和水质条件尤其使总悬浮固体数TSS及固体颗粒尺寸有关。

3．3．微生物受到紫外照射后的修复

如果微生物没有接受到足够的紫外照射剂量，有些微生物可以修复其受到的损伤。大量的研究表明：病毒本身没有修复能力，有些细菌具有修复能力，但受到的紫外照射剂量越高，其修复能力越低，只要剂量设计适当，可完全去除或有效地抑制这些微生物的修复能力

[1][17][18]

。

微生物的修复可分为光修复和黑暗修复，光修复需要可见光的存在，而且微生物在受到紫外线照射后到见到可见光之间的间隔时间越长，微生物见到可见光后光修复的能力越低，如果时间间隔超过2小时以上，一些微生物会完全丧失光修复能力

[6][7] [19]

，污水厂在设计时可利用这一特点通

过增加消毒后污水不见光的时间来进一步抑制微生物的修复。研究证明只要设计合理，微生物的修复在实际污水处理和回用水处理系统中并不重要

[2][ 3][ 4]

，另外污水本身的特性也被认为不利于微生

物受伤后的修复。有些研究还显示中压紫外灯发射的某些紫外波长可能可以抑制或破坏微生物的修复能力。世界上使用紫外消毒工艺的3000多家污水处理厂的实际运行表明微生物的修复并不是实际问题，现在这一问题在国外已不再是紫外污水消毒处理应用中人们担心的问题。 3．4．影响紫外消毒系统消毒性能的各种因素

3.4.1紫外穿透率 (UVT)

超纯水 测试水样

紫外穿透率UVT = I1/I2

I0 I1 I0 I2

图 5. 水体紫外穿透率的测量

图5显示了紫外穿透率的测量方法，以超纯水或去离子水为参照水样，其紫外穿透率为100%；一般测试时的水样光程长度为1厘米。测量结果可直接显示为紫外穿透率或水体在253.4nm的吸光度a，紫外穿透率与吸光度的关系如下表示：

UVT1010d10a

（3）

其中：10为吸收系数；d为光程长度；a 为吸光度。 3.4.2 TSS和颗粒尺寸分布影响

当悬浮物含量较高时，所需达到某一特定消毒指标的紫外剂量也要提高；而对于一特定的悬浮物含量，存在一个相应的消毒极限（图4），当趋于消毒极限时，即使紫外剂量大幅度增加也很难再进一步降低水体中微生物的含量。 3.4.3 污水成分

污水的成分很复杂，含有大量的有机物、无机物和微生物。其中很多成分，特别是来自一些工业废水中的成分（如：印染、纺织、屠宰等），会吸收紫外线从而降低水体的紫外穿透率。另外，上述很多杂质会在灯管的石英套管表面结成靠纯机械挂擦难以有效去除的污垢，降低灯管发射到水体中的紫外能量，从而影响系统的消毒性能。这些因素必须在紫外消毒系统设计时予以考虑。 3.4.4 紫外消毒系统上游的处理工艺

紫外消毒系统上游的处理工艺也会影响系统的消毒效果，例如：采用的处理程度，一级处理还是一级加强，采用絮凝、混凝剂的成分、二级生化处理选用的工艺等。这些影响一般很难得出理论公式计算，基本是靠大量经验的积累。

3.4.5 消毒系统的关键技术

除了水质参数外，紫外消毒系统自身也有很多因素会影响或决定其消毒性能，系统本身的影响因素主要如下：

1）消毒器的结构设计和剂量计算

消毒器的结构设计是紫外消毒系统设计的关键、即如何通过消毒器的流体动力学设计以及灯管的优化布局等来提高消毒器利用紫外灯管发射出的杀菌紫外能量的效率，从而使其更接近于理想消毒器；同时尽可能减少水头损失。通常用消毒器效率reactor来判断一个紫外消毒系统的优劣，消毒器的效率表达如下：

reactorDoseeffDosetheo （4）

式中Doseeff为消毒器的有效紫外剂量，为灯管发射出的紫外能量中被消毒器实际利用照射到微生物并被吸收的部分，一般通过在污水中用指标微生物流过紫外消毒器做实际检测得到，故而也称之为消毒器的生物实验验定剂量，Doseeff可由方程（1）表示；Dosetheo为消毒器的理论剂量，即如果消毒器为理想消毒器时的剂量，它实际是灯管发射出的紫外能量，Dosetheo可由方程（2）和点源累加法计算得到。Dosetheo的计算已被编为商业软件 – UVDis，故而消毒器的理论

[8]

剂量又叫做UVDis剂量。

如果消毒器效率reactor< 1，表明消毒系统非理想消毒系统，消毒效果将无法保证。不同制造厂家的紫外消毒系统的效率有较大差别，低的小于50%，高的可达70%以上。因此紫外消毒系统中所用灯管数量不能取决于单根灯管的紫外输出能量。 2）紫外灯管性能

紫外灯管是紫外消毒系统的重要组件。其性能不仅仅是新灯管的杀菌紫外能的能量输出、光电转换效率还包括灯管的老化特性。新灯管的紫外输出(单位：W) 指的是一根新灯管在经过100小时运行磨合期时的紫外能输出功率。灯管在使用过程中会逐渐老化，紫外能输出会随时间而衰减。灯管老化系数定义为灯管在寿命周期终点时的紫外输出与新灯管紫外能输出之比。

在剂量计算时必须计入灯管老化系数，而不能单考虑厂家对紫外灯管的保证寿命，目前市场上大多数紫外灯管的老化系数在50%左右，个别厂家灯管的老化系数可达80%左右。NWRI紫外系统协议 规定紫外消毒系统灯管老化系数为0.5。 3）灯管表面结垢

城市污水中的复杂成分会使灯管的石英表面结垢，影响系统的消毒性能。为了保证系统消毒性能不受结垢的影响， 必须在系统剂量计算中计入灯管的结垢系数。结垢系数一般与灯管的清洗方式有关。 NWRI紫外系统协议规定紫外消毒系统与清洗方式相关的结垢系数为0.8。

[5]

[5]

4 紫外线污水消毒技术的经济性研究

2003年~2008年间，国内陆续有近300家污水厂采用紫外线作为污水厂尾水消毒工艺，如深圳市滨河污水处理厂（35.0万m/d）、重庆北碚城市污水处理厂（5万m/d）、成都第一污水处理厂(30万m/d),广东潮州第一污水厂（10万m/d），上海白龙港污水处理厂（160万m/d）等等近300家污水厂的紫外线消毒设备正在运行，本文结合这些污水厂尾水消毒工程实例就紫外线消毒技术和液氯消毒应用的技术经济分析如下：

近期3万吨/天的污水项目 前期固定投资 1消毒设备（按近期考虑） 2配套土建（按远期考虑） 2.1地上部分（设备间） 2.2地下部分（消毒池） 3安装费用 合计 吨水经营成本（不计折旧） 1系统运行成本 1.1吨水电耗（紫外线） 吨水氯气消耗（加氯） 1.2吨水药耗 1.3管理人员工资及福利 2系统维护成本 2.1灯管更换费用（紫外线）整套系统重置费用（加氯） 2.2大修理基金提存 2.3检修维护费 合计 年经营总成本 紫外线消毒系统（进口设备） 加氯消毒系统（进口设备） 78万元 1.1万元 无 1.1万元 1.0 80.2万元 0.0058元/ 吨 0.0044元/ 吨 0.00002元/ 吨 0.0014元/ 吨 0.0052元/ 吨 0.0044元/吨 0.00054元/吨 0.00027元/吨 0.0110元/ 吨 10.04万元 33万元 110.00万元 45.00万元 65.00万元 3.3 146.3万元 0.0207元/ 吨 0.018元/ 吨 — 0.0027元/ 吨 0.0077元/ 吨 0.0072元/吨 0.00034元/吨 0.00017元/吨 0.0284元/ 吨 25.915万元 3

3

3

3

3

对消毒系统进行投资经济分析，主要从以下两个方面考虑：一、投资成本，二、经营成本，而投资成本又包括土建投资和设备投资。通过对紫外消毒系统与加氯消毒系统的计算与比较，对二者进行简单经济分析。

投资成本分析

由于加氯消毒较长接触时间（约30分钟—1.5小时）需要较大的接触池，另外考虑加氯间、氯库等附属构筑物，因此土建投资巨大，大约占到总投资的70%以上，而且还未计入土地成本。而紫外消毒由于杀菌时间很短（约1—15秒），并且紫外线消毒设备全天候室外安装运行，不需专门构筑物，因此所需土建很少，土建投资在整个投资中的比重大约只有几十分之一；设备方面，紫外消毒系统由于设备的科学性、精密性和对材质的高要求，设备投资要高于加氯设备。但从土建和设备的总投资来分析，紫外消毒系统要低于加氯消毒系统，因此单纯从投资成本来讲，紫外消毒系统具有一定的优势。

经营成本（不计折旧）分析

加氯消毒系统的经营成本主要是氯气消耗费用（约占70%），其它还包括设备重置费用、管理人员工资及福利、大修和日常维护费用，另外考虑到氯气的化学毒性，运行费用中还应包含安全费用及其它隐形费用，而紫外消毒系统的经营费用主要是电费（约占40%）和灯管更换费用（约占40%），其它还有药耗、管理人员工资及福利（如配全自动清洗系统则不需要管理人员）、大修和日常维护费用，根据对分别运行紫外和加氯消毒设施的污水厂情况了解，紫外消毒系统的单位经营成本大约在1.2分/吨，加氯消毒系统的单位经营成本则约2~3分/吨，紫外消毒系统远低于加氯消毒系统，优势明显，长期运行经济效益十分显著。 5 结束语

紫外消毒技术为物理消毒方式，具广谱性杀菌能力，无二次污染。经过20多年的发展已经成为比较成熟可靠的高效环保型消毒技术，在国内污水厂得到广泛的运用。，随着《城市给排水紫外线消毒设备》（GB/T19837-2005）国家标准的出台，紫外线消毒技术必将得到广泛的推广，紫外线消毒是通过紫外线的能量去掉微生物的繁殖能力而进行灭活，因此，在设计一套紫外线消毒装置时，必须了解污水成分、穿透率、TSS浓度，掌握关键技术，确定合理的紫外剂量和光照时间，减少投资，节约运行成本，取得良好的消毒效果。同时研究大型紫外线消毒设备及工程系统并应用于中水回用、污水排放以及自来水等领域，将对提高我国的用水安全性具有重大意义。

http://www.hblzhb.com 参考文献：

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