紫外線消毒技術在水和污水處理中的應用

吳彥君,李國玲,王麗艷

(1.際華三五零二職業裝有限公司,河北井陘050308;2.中國檢驗認證集團新疆有限公司,新疆烏魯木齊830011)

1 引言

水中存在的傷寒桿菌、痢疾桿菌、霍亂弧菌、寄生蟲、賈第孢子蟲與隱孢子蟲以及病毒等病原微生物對人體健康帶來重大的威脅。污水中的細菌及致病微生物更多,其排放或回用時對環境以及人們的健康帶來的影響更大。因此,水的消毒是水和污水凈化處理中重要的一個單元環節。

常用的水的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒和紫外線消毒等。氯消毒成本低廉、應用方便廣泛,但是存在液氯的儲存和運輸、投配等風險,更主要的是氯消毒過程中余氯會與水中有機物反應并生成有致癌、致畸、致突變的 THMs等有害消毒副產物,從而影響飲用水水質安全性[1]。同時人們對二氧化氯、臭氧消毒技術的安全性也還存在爭論。紫外線消毒技術則由于使用簡便且不產生有害消毒副產物等優點。表1對常用的幾種消毒方法進行了對比[2]。

紫外線是波長在200～400nm的電磁波,它又分為4個波段,真空紫外;UV-C,100-280nm;UV-B,280-315nm;和UV-A,315-400nm,見圖1[3]。其中能殺菌消毒的紫外波段為 200～300nm,即紫外C和紫外B中的部分,其經常被用于水和空氣消毒[4]。

2 紫外線消毒的原理及在水處理中的應用概況

2.1 紫外線消毒的原理

紫外線消毒水處理技術是一種基于現代光學、防疫學、生物學和物理化學的消毒技術,利用特殊設計的紫外發生裝置產生 UV-C照射流水,當水中的各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其它病原體受到一定劑量的UV-C輻射后,其細胞中的脫氧核糖核酸或核糖核酸結構受到破壞,使其喪失復制和繁殖能力,因細菌、病毒的生命周期一般較短,不能繁殖的細菌、病毒就會迅速死亡,從而在不使用任何化學藥物的情況下達到消毒和凈化的目的。

圖1 紫外線消毒波段

2.2 紫外線消毒水處理的優點

除了表1所述之外,紫外線消毒水處理技術的優點還有以下幾點[7],紫外線屬廣譜殺菌射線,在足夠的照射劑量下,能殺死一切微生物,包括細菌、結核菌、病毒、芽抱和真菌,并且殺菌速度快,大多數都是在1s之內。另外,紫外線消毒技術對近些年發現的致病性病原微生物賈第鞭毛蟲和隱抱子蟲也具有良好的滅活效果。使用低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱抱子蟲,38mJ/cm2的輻射劑量就能達到99.99%的殺滅率。

2.3 紫外線消毒在水處理中的應用概況

1910年Cernovedeow和Henvi第一次將紫外線消毒技術用于飲用水消毒[5]。此后,紫外線消毒水處理技術得到了長足的發展和廣泛應用。在歐美許多國家的水處理廠中,紫外線消毒被廣泛采用。如在芬蘭的赫爾辛基,處理能力達310萬m3/d的紫外線消毒裝置已在一家企業投入使用。美國已將紫外消毒工藝作為自來水消毒的最佳消毒方式寫入供水法規中[6]。美國EPA2006年又制定《紫外線消毒準則手冊》(UltravioletDisinfectionGuidance Manual)。在污水消毒方面,以我國為例,國家環境保護總局和國家質量監督檢驗檢疫總局于2002年12月24日頒布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)》中首次將微生物指標列為基本控制指標,要求城市污水必須進行消毒處理,該標準的頒布為紫外消毒技術的推廣應用提供了契機。建設部于2005年11月通過了《城鎮給排水紫外線消毒設備(GB/T19857-2005)》標準,規定城鎮生活飲用水的技術標準為40mJ/cm2,中水回用的技術標準為80mJ/cm2,城鎮污水的技術標準為15mJ/cm2(一級B標準),城鎮污水的技術標準為20mJ/cm2(一級 A標準)[7]。《室外排水設計規范(GB50014-2006)》規定,污水宜采用紫外線或二氧化氯消毒,也可用液氯消毒;污水的紫外線劑量為二級處理的出水為15～22mJ/cm2,再生水為 24～30mJ/cm2;此外,對紫外線照射渠的設計也做出了詳細的規定。上述規范標準規范了紫外消毒設備的應用和技術要求,同時也為紫外消毒技術在生活飲用水、飲用凈水、城鎮污水處理廠出水、城市污水再生利用水、工業廢水處理等領域的應用奠定了基礎。目前,紫外消毒已成為水廠和污水處理廠出水消毒的規范化手段之一。

3 紫外線消毒水處理技術的不足及其克服

紫外線消毒雖然具有很多化學消毒無法比擬的優點,但也存在著一些制約其發展的因素,其中最突出的是紫外線無持續殺菌能力,另外紫外線消毒對水體要求高,技術本身存在的一些限制使紫外線技術在應用中面臨著諸多問題,如何有效地解決這些問題,是紫外線技術在水處理領域的推廣應用所面臨的巨大挑戰。

3.1 病原微生物的光復活及紫外線無持續殺菌能力

微生物自身具有修復機制,這使得已經被紫外線殺滅的細菌在光照條件下發生復活現象,影響出水水質。此外,當處理水離開紫外線消毒反應器之后,消毒過程既已經結束。對于遠距離傳輸的飲用水或再生水,在管網傳輸過程中一些被紫外線殺傷的微生物有可能會修復損傷的分子,使細菌再生,也可能在沿途滋生新的細菌和病毒,從而對水質安全有構成威脅。一般通過提高UV劑量和采用UV-氯或UV-PAA(過氧乙酸)組合工藝來解決光復活問題及維持持續的消毒效果[8]。紫外線與其它消毒技術聯用,如UV-氯胺組合消毒工藝,即可以利用紫外線的廣譜殺菌能力和高效殺滅賈第鞭毛蟲和隱抱子蟲的能力,又可以利用氯胺消毒持久性最長和消毒副產物鏈很小的優勢,不失為一種值得推廣的多屏障消毒工藝。

3.2 紫外線穿透力低

紫外線的穿透力低,這就使得其消毒效果受水質的影響比較大,水的色度、濁度、有機物和氨氮等都會吸收紫外線而降低其透過強度,影響紫外線的消毒效果。另外水體中的生物群、懸浮物、礦物質等容易積聚在燈套管的表面,形成結垢影響紫外光的透出,從而影響紫外線的消毒效果[1]。因此,采用紫外線消毒時需要對原水進行預處理,盡量降低水的濁度、有機物等對紫外線消毒的影響。在設計紫外線消毒工藝時,應盡可能把此工藝放在處理末端,并通過改變流速、優化燈管布置等來提高水與紫外線的接觸時間,以保證出水水質。要定期對燈套管進行清洗,以減少燈套管表面的結垢對紫外線的吸收。

4 紫外線消毒水處理技術的研究與應用展望

4.1 紫外線消毒后的細菌復活

微生物對由紫外線造成的DNA損壞有很強的修復能力,因此復活后的微生物可以繼續分裂和繁殖。DNA修復可以在無光(黑暗修復)的條件中進行,但在有陽光直射(光復活作用)的開放系統中,這種修復的速度會大大地加快。盡管對于紫外線消毒后的細菌復活現象,一方面可以通過優化工藝如增加水與紫外線的接觸時間、加大紫外線劑量、改變紫外線燈的類型(如電壓和波長等)等來解決;另一方面可考慮紫外線消毒與其他工藝聯用以達到較好的處理效果。研究發現紫外線的劑量和燈管的類型對復活反應的發生有極大的影響,甚至可以起決定性的作用,例如,低壓(單波長)紫外線燈比中壓(中波長)燈更容易受光復活作用的影響[9]。但是,我們仍然需要對光復活機理和發生條件進行更廣泛和更深入的研究。目前,細菌和病菌的復活再生成為紫外線消毒技術研究的熱點之一[10]。

4.2 流體力學模擬軟件(CFD)的應用

流體力學模擬軟件(CFD)可以應用于紫外線反應器的設計。CFD用來預測和分析流場現象、水頭損失、流速、壓力、粒度分布和紫外劑量等參數,再根據項目的不同(如流量、流體動力性質等等)進行模擬,最終確保實際的紫外線系統可以按照設計要求完成最終的消毒任務,這樣就有效的提高了紫外線系統的消毒效率[11,12]。目前,CFD已經成為很多優秀紫外線設備廠商設計的日常校準工具。

4.3 紫外線消毒高效光源

紫外線消毒常用中低壓汞燈。然而自2006年鑒于汞的危害性,歐盟(EU)不建議采用汞燈。20世紀80年代,紫外燈管的功率只有幾十瓦,對于大規模的水廠或污水處理廠,需要安裝的紫外模塊太多,而且紫外燈壽命很短,只有1 000h,燈管更換頻繁。因此,大規模的水廠如果采用紫外消毒技術投資和維護費用相對較高。現在155W和320W的紫外光燈已經開始普遍應用,800W的高強紫外燈正在研制。2萬t/d的污水處理廠可以僅用50支紫外光燈,20萬t/d的污水處理廠(一級B出水)只需300支燈管即可,而且紫外光燈的壽命也可以達到12 000～20 000h,使得消毒系統的可靠性大大提高,運行和維護費用也大為下降。

發光二極管(LED)用作紫外消毒的光源被成為未來技術。LED的優點在于它們能將所有的電能集中到 260～262nm之間這樣一個狹窄的波長范圍,并且具有很高的功效和很長的使用壽命(據報道超過100 000h),因為自身的點光源,所以它們不會受到傳統圓柱形設計的局限。這項頗具前景的技術也存在著在燈管功率驅動上的缺陷,因此這項技術還停留于概念階段[13,14]。對于紫外線-發光二極管(UV-LED),有研究采用光伏技術即利用太陽能產生驅動LED進行滅菌(PV-UV-LED)。但是目前 UV-LEDs波長范圍為 370～400nm,即UV-A光。UV-A光直接作用于DNA,核酸和細胞的酶、改變分子結構而導致細胞死亡。此外UV-A與水中DO和水反應生成高活性的O自由基和過氧化物,破壞細胞結構和滅活[15,16]。

5 結語

紫外線消毒由于不投加化學藥劑,不產生有害物質,安全可靠。紫外線消毒具有廣譜性,能快速高效地殺死包括細菌、結核菌、病毒、芽抱和真菌等在內的所有微生物,尤其是對水中賈第鞭毛蟲和隱抱子蟲具有良好的滅活效果。因此,紫外線消毒技術在水和污水處理領域得到了廣泛應用。但是,在實際應用中需要考慮抑制消除微生物的復活再生和持續殺菌以及克服紫外線穿透力低的問題。

紫外線消毒技術的研發與應用的主要方向包括紫外線消毒后的細菌復活研究、流體力學模擬軟件的應用、和紫外線消毒高效低能耗光源的開發等。這些方面的研究與開發為未來技術的革新提供了極大的空間。在不久的將來,紫外線消毒技術在水和污水處理領域的應用將更加普及。

[1]譚鳳訓,周 峰,武道吉.紫外線技術在水處理中的應用與發展[J].山東建筑大學學報,2009,24(2)：175～179.

[2]劉艷萍,邵林廣.城市污水消毒技術的研究進展[J].節能與環保,2005(8)：1～ 2.

[3]張 辰,張 欣,呂東明,等.紫外線消毒的理論研究[J].給水排水.2004,30(1)：21～ 24.

[4]Chang J C H,Ossoff S F,Lobe D C,et al.UV inactivation of pathogenic and indicatorm icroo rgan-ism s[J].Environ M icrobiol,1985(49)：1 361～ 1 365.

[5]Henry V,H elb ronner A,Recklinghausen M.Nouvelles recherches sur la sterilization degrandes quan tited d＇eaupar les rayons ultraviolets[J].Com p Rend Acad Sci,1910(151)：677～ 680.

[6]Frederickw P.Regu lations in 2000 and beyond[J].Jaww a,2000,92(3)：40～53.

[7]馬學明.紫外線消毒技術在水處理領域的應用[J].寧夏機械,2007,(4)：32～ 34.

[8]劉 佳,黃翔峰,陸麗君,等.紫外消毒出水的微生物光復活及其控制技術[J].中國給水排水,2006,22(15)：1～4.

[9]Hu JY,Chu SN,Quek PH,et al.Repair and regrow th of Escherichia coliafter low-and medium-pressure ultraviolet disinfection[J].W ater Science and Technology：Water Supply,2005,5(5)：101～ 108.

[10]Jacqueline Sǜ?,Sabrina Volz,U rsulaObst.Ap plication of am olecu lar biology concept for the detection of DNA damage and repair during UV disinfection[J].Water Research,2009,43(15)：3 705～ 3 716.

[11]Janex P Savoye,Z Do-Quang E,et al.Impact ofw ater quality and reactor hydrodynam icson w astew ater disinfection by UV,use of CFD m odeling for performan ce optim ization[J].W ater Science and Technology,1998,38(6)：71～ 78.

[12]Ferdinando C rapu lli,Domenico Santoro,Charles N.H aas,et al.Modeling virus transport and inactivation in a fluoropolymer tube UV photoreactor using Com putational Fluid Dynam ics[J].Chem ical Engineering Jou rnal,2010,161(1-2)：9～ 18.

[13]徐 瑩.紫外線(UV)消毒技術在水處理方面的發展新趨勢[J].水工業市場,2008(12)：36～ 37.

[14]W A M,H ijnen,E F Beerendonk,G JMedema.Inactivation credit of UV radiation for viruses,bacteria and protozoan(oo)cystsin w ater：A review[J].Water Research,2006,40(1)：3～ 22.

[15]Department of Water and Sanitation in Developing Countries(Sandec).Solar water disinfection(SODIS)manual[R].London：Intermediate Technology Development G roup Pub lishing(ITDG),2002.

[16]Josie Close,Jasper Ip,K H Lam.W ater recycling w ith PV-powered UV-LED disinfection[J].Renewab le Energy,2006(31)：1 657～ 1 664.