紫外線消毒技術在河南省某市污水處理廠中的應用

王太豪 李國偉

摘要：紫外線污水消毒技術在國外經過20多年的發展，已經成為成熟可靠、投資效益較高的綠色環保技術，在世界各地各類城市污水的消毒處理中得到日益廣泛的應用，成為替代傳統加氯消毒的主流工藝技術。在國內，自2005年為解決非典型性肺炎疫情期間的消毒問題，國家環境保護總局發布的緊急通知中將紫外線消毒作為除加氯和臭氧消毒外的另一種有效的消毒滅菌技術方法以來，紫外線消毒在也成為了國內主流的市政污水消毒技術。下面結合紫外線消毒在河南省某市污水處理廠的應用實例，介紹紫外線消毒在市政污水處理廠中的應用技術。

關鍵詞： 紫外線 消毒 標準 清洗 應用 運行成本

一、紫外線消毒消毒技術概述

從1878年人們發現了自然界中太陽光中的紫外線具有殺菌消毒作用，直到在1901年和1906年先后發明了水銀光弧這種人造紫外光源。后來在發現了石英材質燈管傳遞紫外光性良好后，法國馬賽的一家自來水廠很快在1901年首次將紫外線消毒工藝使用在水的消毒上面。然而，真正引起水處理業內對紫外線消毒技術的濃厚興趣則始于上世紀60年代中期，到了20世紀70年代至80年代初對紫外線消毒在城市水處理中的應用進行了大量的早期技術儲備，這主要是由于當時人們已認識到被廣泛使用的加氯消毒工藝中余氯的毒副作用，可導致對其受納水體中大量魚類等生物死亡，發現并確認了氯消毒等化學消毒方法會產生致癌、致畸、致基因突變的“三致”消毒副產物。這些促使人類尋求一種更安全的消毒方法——紫外線消毒法。到20世紀80時年代末，加拿大、美國首先應用，尤其是當科學家們證實了紫外線消毒技術是殺滅“兩蟲”最有效的手段后，紫外線消毒技術在90年代迅速發展并逐漸成熟。紫外線消毒技術成為安全可靠、經濟高效、健康環保的水處理方式。

二、某市污水處理廠的紫外線消毒系統設計

河南省某市污水處理廠設計建設規模為5.0萬噸/日，近期建設規模2.5萬噸/日。考慮到廠區占地面積和自動化控制等因素，最終消毒系統采用了紫外線消毒技術。消毒系統土建設計一次建成，設備分期安裝。通過競標，最終采購了加拿大某品牌的紫外線消毒設備。在已知前期工藝處理可達到國家二級出水標準的前提下，根據最高流量為3.625萬噸/日的處理規模，現場測定紫外線穿透率達到65%。依據3000PLuS的生物劑量實驗的曲線（該曲線為TROJAN工程師依據多年的實驗經驗所得），曲線的橫坐標是每燈的水流量，縱坐標為某滅活率的紫外線劑量。這樣紫外線消毒的產品就象水泵的工作曲線一樣，選型簡單可靠。以下是設計的基本參數表：

設備選型 UV3000 PLUS TM 備注

燈管型號 低壓高強紫外燈管 含石英套管

燈管數量 40根

運行成本 ≤1分/噸 含電費和燈管更換費用

燈管壽命 保證12000小時以上 可達18000小時以上

清洗方式 在線機械加化學清洗 保證持續消毒

總裝機容量 12.7kVA 平均運行功率6.1 kW

水渠結構 2條水渠，1個模塊組

每條水渠尺寸 長≥6000mm

寬=609.6mm

深= 1574.8mm 總占地面積約：20m2

該廠考慮到二期擴建，預留一條渠道，除土建渠道外，無需其他附屬構筑物。電子鎮流器由于本身發熱量小，安裝在模塊上方，采取對流傳熱的方式保護電子鎮流器。用作市政污水的紫外燈管主要有三種，并按照單根燈管紫外能輸出分為低壓燈（30–50 W）、低壓高強燈（100 W以上）和中壓燈（ 420 W以上）。由于中壓燈光電轉化效率為15%左右，低壓燈輸出功率較低，權衡考慮成本和維護等方面的因素，選擇UV3000PLUS低壓高強紫外線燈管。

三、紫外線消毒技術的清洗系統選型

該廠紫外線消毒設備設計采用全自動在線機械加化學清洗，使得設備維護簡單方便。全自動機械加化學清洗方式是該加拿大紫外線消毒產品的專利技術，由于污水中不可避免的會有導致燈管在運行過程中表面結垢的有機物和Ca2+，Mg2+等。所以持續有效的清洗方式是保證紫外線消毒持續達標的保證，從下圖中我們可以看到完全不清洗、在線純機械清洗、在線自動機械加化學清洗方式對紫外線消毒燈管的影響——而這是決定消毒達標的關鍵因素。

(A) 清洗部分 (B) 無自動清洗 (C) 純機械自動清洗(D) 機械加化學自動清洗

機械加化學式自動清洗系統主要由液壓系統中心和的清洗頭組成。其工作原理是：安裝在水中的紫外線強度監視儀將上述信息傳遞給系統控制中心，系統控制中心會發出清洗指令，開啟液壓中心的液壓泵，通過液壓驅動套管上清洗頭，在機械刮擦套管表面的同時，清洗頭內的清洗液釋放到套管上，有效去掉難以通過刮擦有效去除的污垢。當污垢被逐漸清洗，水體中的紫外能量逐漸提高，紫外線強度監視儀將恢復后的紫外線強度反饋給系統控制中心，系統控制中心發出指令停止清洗，液壓泵停止工作，清洗完畢。此清洗方式免除了將燈管拿出消毒統或渠道外人工清洗的需要，套管清洗時燈管在消毒系統中正常運行，使紫外系統運行操作更為簡捷，大大減少人工維護操作需要及時間和強度。由于釋放到處理水體中的清洗液含量小于10-7ml/L，這一數值在接受水體中被進一步稀釋，因此不會造成二次污染。帶有機械加化學自動清洗裝置的紫外消毒系統已被廣泛使用在排放標準很高的北美和歐洲的廢水再生、中水回用處理應用中。

四、紫外線消毒劑量調節

另外在紫外線消毒中，由于污水處理廠現場水質波動變化，讓燈管輸出紫外線的劑量按照水質同步調節對節省電耗和減弱燈管的損耗從而增加燈管的使用壽命就顯得格外重要。紫外線消毒設備實現這一關鍵過程的是依賴高效節能的電子鎮流器。從下圖中我們可以清楚了解到系統控制中心如何充分利用電子鎮流器、流量計、紫外線光強探頭、UVT(污水紫外穿透率)來采集和反饋信息從而讓燈管始終按照最經濟有效的方式運行，以達到環保節能。系統控制中心實時監控所有燈管和電子鎮流器的運行情況，并對設備運行全過程記錄保留，以及時處理報警信息等。

系統控制原理圖如下：

有了上述保障，紫外線消毒燈管就能夠依照水質同步調節以經濟的達到消毒標準。同時，采取自動水位控制器，由于對水位足夠敏感，水位控制器可以維持水位在1cm以內變化。由于水流從水位控制器底部流出，所以不存在底部水質的消毒死角。

四、結論

河南省某污水處理廠自2006從運行至今，紫外線消毒系統運行情況良好，出水水質及消毒指標達到了國家二級標準排放標準。紫外線消毒以其高效的殺菌廣譜性和比傳統液氯等消毒方式更經濟的土建投資和運行成本，無二次污染等優勢在國內已經有1000多萬噸/日的污水處理規模。在我國，紫外線消毒已經得到了廣泛的應用，甚至在自來水行業，紫外線消毒也漸漸占據部分市場（國外紐約正在建設一個830萬噸/天的超大型紫外線消毒設備），有理由相信紫外線消毒技術必將得到越來越廣泛的應用。

作者簡介：王太豪（1977-），男，河南寶豐縣人，工程師，主要從事市政環境工程設計。

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注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。