紫外線消毒技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用研究

劉杰

摘 要：利用紫外線消毒技術(shù)對飲用水進行凈化處理，是目前飲用水凈化處理的新技術(shù)方向。文章首先對紫外線消毒技術(shù)原理及相關(guān)研究情況進行較少，分析紫外線消毒技術(shù)相比于現(xiàn)有飲用水處理技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合青陽縣城南水廠給水建設(shè)工程案例，探討紫外線消毒技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用及實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：紫外線;消毒技術(shù);飲用水處理

飲用水安全是人們普遍關(guān)心的話題，在各大水廠的飲用水凈化處理過程中，通過積極研發(fā)新型消毒技術(shù)，不僅能夠改善飲用水凈化效果，還有利于降低系統(tǒng)運行維護成本。紫外線消毒技術(shù)是目前飲用水處理的重點研究方向，具有無毒害副產(chǎn)物、投入成本低、滅菌能力強等應(yīng)用優(yōu)勢，應(yīng)推廣其研究與應(yīng)用。

一、紫外線消毒技術(shù)原理及特點

紫外光波長在100nm～400nm之間，其中具有殺菌作用的波長分布在200nm～300nm范圍內(nèi)。紫外線殺菌技術(shù)主要是利用其光化學(xué)原理，破壞細菌的遺傳物質(zhì)核酸。在細菌核算吸收紫外線輻射時，其臨近核苷會形成新結(jié)合物，導(dǎo)致核酸中出現(xiàn)二倍結(jié)構(gòu)或二聚物，其中胸腺嘧啶二聚物最為常見。如果細菌和病毒中的DNA產(chǎn)生大量胸腺嘧啶二聚物，可有效阻止其DNA復(fù)制，導(dǎo)致細胞無法分裂。破壞細胞數(shù)量主要取決于微生物吸收紫外線劑量及其自身抗輻射能力，對于多數(shù)細菌和病毒而言，只需要少量滅活劑量即可達到殺菌效果[1]。

根據(jù)這一原理，目前紫外線消毒技術(shù)在市政飲用水、食品工業(yè)、制藥工業(yè)、市政污水等的水處理過程中都得到了應(yīng)用。關(guān)于紫外線消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用可追溯到1877年關(guān)于太陽輻射滅菌的報道。紫外線消毒技術(shù)在水處理中的首次應(yīng)用是在1910年，當時法國馬賽市在一地下水源水廠中構(gòu)建了一套完整的紫外線消毒系統(tǒng)。經(jīng)過一百多年的研究，目前紫外線消毒技術(shù)的理論體系已經(jīng)較為完善，具體的工藝實現(xiàn)方案也有多種形式。相比于液氯消毒、臭氧消毒等傳統(tǒng)技術(shù)手段，紫外線不僅具有更好的細菌滅火效果，而且無有害副產(chǎn)物，系統(tǒng)構(gòu)建和運行較為簡單，經(jīng)濟成本低，具有較高的綜合應(yīng)用效益[2]。

二、紫外線消毒對國內(nèi)飲用水問題的適用性

（一）適用于水廠微生物的廣譜控制及耐氯微生物控制

紫外在40mJ/cm2的標準劑量下，可對水體中已知的所用微生物如病毒，細菌，原生動物有效滅活，對耐氯微生物的控制效果更為突出。文獻與研究證明：原水中存在大量治病耐氯微生物，如賈第鞭毛，隱孢子蟲，鞘胺醇單胞菌，枯草芽孢菌，軍團菌，鳥型枝桿菌等。

歷史上的多次飲用水安全惡性事件已經(jīng)證實了對耐氯微生物控制的重要性，加拿大的Walkertion市由于水廠單一消毒單元失效，造成2300人住院，7人死亡，美國Milwaukee市水廠由于隱孢子蟲的存在，氯消毒無法有效控制，造成5萬多人染病住院108人死亡，在中國內(nèi)蒙古赤峰，由于水廠單一消毒單元失效導(dǎo)致4322人住院。有些水廠不但大腸菌超標，而且THMS也超標，而且THMS也超標，傳統(tǒng)的單一消毒單元和氯消毒不能解決新認識下的供水安全。

多屏障消毒中，紫外可以作為水廠的消毒主工藝，對出廠水中的微生物進行廣譜控制，少量的氯或氯胺起到維護管網(wǎng)余氯的作用即可。

（二）適用于水廠消毒副產(chǎn)物超標控制

從1974年Book等人發(fā)現(xiàn)飲用水加氯消毒可產(chǎn)生三鹵甲烷（THMS）后，短短幾十年間，人類對消毒副產(chǎn)物的認知與了解有了突飛猛進的發(fā)展，據(jù)國際衛(wèi)生組織報道，自來水中含已知消毒副產(chǎn)物達1000多種，其中20種已確認為致癌物，24種為可疑致癌物，18 種確認為促癌物，47種確認為突變物。這1000多種副產(chǎn)物里還有很多未被研究過，一半以上身份不明。

消毒副產(chǎn)物生成量取決于氯等消毒藥劑的投放量與原水本體中消毒副產(chǎn)物前驅(qū)體含量。近年受水體污染影響，國內(nèi)水廠水源消毒副產(chǎn)物前軀體呈逐年增長趨勢，消毒副產(chǎn)物超標也成為水廠亟待解決的重要課題。

紫外作為多屏障消毒中的一環(huán)，在物理消毒中不產(chǎn)生任何消毒副產(chǎn)物。紫外的使用也可以降低消毒藥劑的投加與副產(chǎn)物的生成。

（三）適用于水廠氨氮偏高

國內(nèi)原水氨氮偏高呈普遍現(xiàn)象，氯與水中氨氮結(jié)合為氯胺，單純的氯胺消毒效果差，無法起到微生物廣譜控制的效果，而折點加氯易形成消毒副產(chǎn)物超標。

多屏障消毒方式的使用，可使紫外作為水廠的消毒主工藝，對水廠微生物進行有效全面控制，而氯可以與水中氨氮形成氯胺，維護管網(wǎng)的生物穩(wěn)定性，這將在確保水廠消毒效果的情況下減少消毒藥劑的消耗與消毒副產(chǎn)物的生成。

三、紫外線消毒技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用及實現(xiàn)

筆者通過自身設(shè)計的工程案例進行敘述和分析。

（一）工程概況

青陽縣城南水廠給水建設(shè)工程近期建設(shè)規(guī)模4.0萬m3/d，工程總投資5499.08萬元。主要建設(shè)內(nèi)容為凈水廠廠區(qū)，目前已完成取水和輸水工程建設(shè)任務(wù)。其供水水源為牛橋水庫，進水水質(zhì)的濁度為15NTU，出水水質(zhì)目標濁度值為0.5NTU，個別情況也要小于3NTU。青陽縣城已經(jīng)完成的城市取水和輸水工程，主要包括調(diào)節(jié)壩和輸水管線等建設(shè)內(nèi)容，供水調(diào)節(jié)壩建立在牛橋水電站的下游330m處，為自控溢流翻版壩，庫容9.31萬m3。輸水工程按總規(guī)模7.0萬m3/d設(shè)計，輸水管線長9.0km，分兩期建設(shè)，目前一期工程已經(jīng)投入使用。在凈水廠工程建設(shè)中，可直接利用取水和輸水工程的現(xiàn)有設(shè)施。

（二）總體工藝流程

該水廠凈水處理工藝總體流程為牛橋水庫取水→管式靜態(tài)混合器混合→折板反應(yīng)平流沉淀池沉淀→V型濾池過濾→清水池→送水泵房→城市管網(wǎng)。其中，在牛橋水庫水至管式靜態(tài)混合器環(huán)節(jié)進行加藥，在V型濾池至清水池處理環(huán)節(jié)進行加氯和紫外線殺毒。因此，總體工藝流程實際上是在常規(guī)凈水工藝的基礎(chǔ)上，增加紫外線消毒環(huán)節(jié)，提高飲用水處理質(zhì)量。

（三）詳細工藝設(shè)計

1、混合及沉淀處理工藝

根據(jù)總體工藝流程設(shè)計，原水首先進入管式靜態(tài)混合器中進行混合處理，投藥后可形成連續(xù)均布紊動，使混凝劑可以均勻擴散及混合。需要使用2臺混合器，直徑為DN600，單臺混合器的流量為0.254m3/s，流速為0.90m/s。然后進入折板絮凝平流沉淀池進行沉淀處理，共設(shè)計2組折板絮凝池，單日處理量為20000m3/池，每組面積59.50m2，每組分為8段，包括3段相對折板段、3段平行折板段和2段直板段，采用穿孔管進行排泥。折板絮凝池有效水深4.5m，絮凝時間為17.5min，各板段的豎向設(shè)計流速如表1所示。此外還設(shè)計有2組平流沉淀池，單日處理規(guī)模為20000m3/池，沉淀時間為2.0h，有效水深為3.3m，設(shè)計流速為12mm/s，在每個平流沉淀池中設(shè)置一臺泵吸式刮吸泥機。

2、V型濾池處理工藝

V型濾池包含紫外消毒裝置，設(shè)計流量為1833.33m3/h，濾速為6.8m/h，共設(shè)計8個V型濾池，總過濾面積為270m2。V型濾池采取氣、水反沖洗方式，氣沖為15.3L/s.m，沖洗時間3min。水沖為5.6L/s.m，時間為5min。氣水反沖的氣沖為15.3L/s.m2，水沖為3.13L/s.m2，時間均為4min。其中需要使用的設(shè)備主要包括反沖洗水泵和反沖洗鼓風(fēng)機等。在V型濾池運行過程中，進水管和出水管以及反沖洗進出水管均設(shè)計有電動蝶閥，出水管設(shè)計有電動了解發(fā)，反沖洗排水管設(shè)計有電動雙調(diào)節(jié)閥。整體在PLC控制下運行，可根據(jù)濾池水位變化調(diào)節(jié)閥門開關(guān)。紫外消毒裝置設(shè)計在濾池出水管處，采用DN600管道連接管式紫外消毒設(shè)備，功率為30kW。濾池出水經(jīng)過紫外線消毒后，進入清水池。

3、清水池及泵房處理工藝

清水池溶劑按照日供水量14%進行設(shè)計，共有2組，單個平面尺寸為30.0×28.40m2，有效水深3.3m，總?cè)莘e為5600m3。在每個清水池進出水管道上都設(shè)計有閥門，運行控制和檢修較為方便。送水泵房的采用半地下式設(shè)計形式，吸水井設(shè)計規(guī)格為23×3.4×3.5m3，水泵采用3臺單行布置方式，整體按5臺泵位置進行設(shè)計，近期安裝3臺，2用1備。變電所和泵房合建，變電所的面積為530m2。

4、加藥間和加氯間處理工藝

該工程的加藥間主要投加固體聚合氯化鋁作為絮凝劑，采用濕式投加方法，最大投加量為20mg/l，單日最大需要量為880kg，藥劑投加濃度小于10%。在加藥間需要布置的設(shè)備主要為2套全自動藥液制備系統(tǒng)，1備1用，且每套系統(tǒng)中包含2個攪拌器。此外需要設(shè)置3臺隔膜計量泵，2用1備，單泵流量為4901/h，揚程為50m。在該工程中，濾池出水管道安裝的紫外消毒裝置，是水廠主要消毒措施，后段則設(shè)計液氯全真空自動消毒系統(tǒng)，分3處加氯。其中1處在管式靜態(tài)混合器入口處加氯，防止構(gòu)筑物池體中滋生藻類生物。另外2處在2組清水池清水端加氯，補充管網(wǎng)余氯。加氯間具體有加氯機房、氯瓶間、控制室等部分組成，需要設(shè)置全真空加氯機和漏氯吸收中和裝置。同樣采取PLC控制技術(shù)，對復(fù)合環(huán)進行自動控制，根據(jù)濾池出水流量和余氯檢測信號對加氯機運行進行自動調(diào)節(jié)，以保持最佳的投氯量。

四、結(jié)語

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的液氯、臭氧消毒技術(shù)，紫外線消毒技術(shù)具有多方面的應(yīng)用優(yōu)勢。通過對其工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備進行研究，可以為水廠引進紫外線消毒技術(shù)提供參考。而且這種飲用水處理技術(shù)具有較強的殺毒滅菌能力，運行維護成本低，適合大范圍推廣，促進水廠飲用水處理技術(shù)水平的進一步提升。

參考文獻：

[1]姚振興，王明泉，孫韶華.紫外線消毒技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用[J].城鎮(zhèn)供水，2013（02）：14-17.

[2]張軼群.紫外線消毒技術(shù)在飲用水中應(yīng)用的影響因素[J].城鎮(zhèn)供水，2011（04）：35-36+9.