紫外线消毒工艺与应用概况

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1、紫外线消毒工艺与应用概况摘要：阐述了紫外线(UV)消毒灭菌的基本原理、消毒器的结构形式以及国内外应用概况，探讨了污水采用UV消毒存在的主要问题及改进方向。指出UV消毒法有可能取代传统的氯化消毒法，尤其在污水再利用工艺中具有广阔的应用前景。关键词：消毒紫外线UV消毒器20世纪70年代以后，人们发现传统的氯消毒会产生致畸、致癌、致突变的卤代烷等副产物［1］，而UV消毒法则具有不投加化学药剂、不增加水的嗅和味、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点，近20年来逐渐得到广泛应用。1　消毒原理根据生物效应的不同，将紫

2、外线按照波长划分为四个部分：A波段(UV—A)，又称为黑斑效应紫外线(400～320nm)；B波段(UV—B)，又称为红斑效应紫外线(320～275nm)；C波段(UV—C)，又称为灭菌紫外线(275～200nm)；D波段(UV—D)，又称为真空紫外线(200～10nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外线。研究表明，紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体)的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等［2］，从而改变了DNA的生物活性，使微生物自身不能复制，这种紫外线损伤

3、也是致死性损伤。2　UV消毒器的结构形式UV消毒器按水流边界的不同分为敞开式和封闭式。2.1　敞开式系统在敞开式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流经UV消毒器并灭活水中的微生物。敞开式系统又可分为浸没式和水面式两种。浸没式又称为水中照射法，其典型构造如图1所示［3］。将外加同心圆石英套管的紫外灯置入水中，水从石英套管的周围流过，当灯管(组)需要更换时，使用提升设备将其抬高至工作面进行操作。该方式构造比较复杂，但紫外辐射能的利用率高、灭菌效果好且易于维修。　　系统运行的关键在于维持恒定的水位，若水位太高则灯管顶部的部分进水得不到足够的辐射，可能造成出水中

4、的微生物指标过高；若水位太低则上排灯管暴露于大气之中，会引起灯管过热并在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外线的辐射。图1中采用自动水位控制器(滑动闸门)来控制水位。在自动化程度要求不高的系统中，也可以采用固定的溢流堰来控制水位［4］。水面式又称为水面照射法［5］，即将紫外灯置于水面之上，由平行电子管产生的平行紫外光对水体进行消毒。该方式较浸没式简单，但能量浪费较大、灭菌效果差，实际生产中很少应用。2.2　封闭式系统封闭式UV消毒器属承压型，用金属筒体和带石英套管的紫外线灯把被消毒的水封闭起来，结构形式如图2所示。　　筒体常用不锈钢或铝合金制造，内壁多作抛光处理

5、以提高对紫外线的反射能力和增强辐射强度，还可根据处理水量的大小调整紫外灯的数量。有的消毒器在筒体内壁加装了螺旋形叶片以改变水流的运动状态而避免出现死水和管道堵塞［6］，所产生的紊流以及叶片锋利的边缘会打碎悬浮固体，使附着的微生物完全暴露于紫外线的辐射中，提高了消毒效率。封闭式也划分为敞开式和浸没式。敞开式消毒器适用于中、大水量处理，多用于污水处理厂。封闭式消毒器一般适用于中、小水量处理或有必要施加压力且消毒器不能在明渠中使用的情况。各种系统中外罩密封石英套管的紫外线灯管都可以与水流方向垂直或平行布置［7］。平行系统水力损失小、水流形式均匀，而垂直系统则可

6、以使水流紊动，提高消毒效率。3　应用概况UV消毒法最早应用于美国(1970年美国环保局完成了第一个污水紫外线消毒的示范工程)，现已在美国和加拿大普遍应用。据报道，1985年美国的污水厂中仅有50座采用了UV消毒，并且其中大部分处理水量相当低(＜3.785×103m3/d)；到1990年已超过500座，而且处理能力有相当大的提高(＞3.785×104m3/d)；1995年已有1500座污水处理厂采用了UV消毒。目前加拿大的魁北克省拥有最大的污水UV消毒设施，处理能力达到7.42×105m3/d［8、9］。近年来，一些污水厂将原有的氯消毒系统改造成为紫外线

7、消毒系统，譬如美国新罕布什尔州、得克萨斯州、俄亥俄州等地的污水厂。因为UV消毒接触时间短、占用的空间小，故完全可以利用已有的氯接触池改造成紫外线消毒系统。图3为具有代表性的污水厂氯消毒改造成UV消毒的俯视图。大多数紫外线装置利用传统的低压紫外灯技术，也有一些大型水厂采用高强度低压紫外灯系统和中压紫外灯系统［10］，由于产生高强度的紫外线可使灯管数量减少90%以上［11］，从而缩小了占地面积，节约了安装和维修费用，且使UV消毒法对水质较差的出水也适用。国内研究、生产和应用污水UV消毒器者为数尚少。天津大学的顾平等人［12］以天津纪庄子污水处理厂的深度处理

8、出水为研究对象，进行了静态和动态试验，确定了紫外线剂量与细菌存活率