重慶污水處理廠紫外線消毒器系統選型及應用

    重慶某污水處理廠設計日處理污水量5萬m3/d，于2000年12月建成投入試運行，采用的是改良型氧化溝工藝。起初沒有消毒工藝，后因重慶市水價上漲，為降低城市綠化用水成本和保護嘉陵江水質，污水處理廠增建了污水紫外線消毒器裝置，于2002年3月安裝調試完成，投入正運行。

　　紫外光消毒技術是基于現代防疫學、醫學和光動力學的基礎上，利用特殊設計的率、高強度和長壽命的C波段紫外光照射流水，將水中各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死，達到消毒的目的。目前，世界上已經安裝運行的大型污水處理廠污水紫外線消毒器消毒裝置有4000多套，其中，zui大的是新西蘭曼努高污水處理紫外光消毒裝置，日處理能力為121萬噸（2001年7月）。

　　紫外線消毒器消毒原理

　　紫外線分為四個不同的波段：UVA（400～315mm）、UVB（315～315mm）、UVC（280～200nm）和真空紫外線（200～100nm）。其中能透過臭氧保護層和云層到達地球表面的只有UVA和UVB部分。就殺菌速度而言，UVC處于微生物吸收峰范圍之內，可在1s之內通過破壞微生物的DNA結構殺死病毒和細菌，而UVA和UVB由于處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要數小時才能起到殺菌作用，在實際工程的數秒鐘水力停留（照射）時間內，該部分實際上屬于無效紫外部分。真空紫外光空透能力極弱，燈管和套管需要采用*透光率的石英，一般用半導體行業降解水中的TOC，不用于殺菌消毒。因此，給排水工程中所說的紫外光消毒實際上就是指UVC消毒。

目前能夠輸出足夠的UVC強度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。汞燈根據點亮后的燈管內汞蒸氣壓的不同和UV輸出強度的不同，分為三種：低壓低強度汞燈、中壓高強度汞燈和低壓高強度汞燈，相對應的紫外線消毒器分別是低壓紫外線消毒器和中壓紫外線消毒器。

紫外線消毒器價格優勢及其他優勢：

1、低能耗，紫外線消毒器處理污水能耗為30-60瓦小時/立方米；處理地表水為15-50瓦小時/立方米；處理地下水為2-10瓦小時/立方米，也就是說僅是臭氧系統的總能耗的1/4 –1/8；從某種程度上可以說紫外線消毒器價格低；

2、在緊湊性方面紫外線消毒器比氯化系統及臭氧系統更強；也就是說紫外線消毒器整體成本緊湊，紫外線消毒器價格低；

3、對電器安全要求更低，紫外線消毒器一般采用110、220和380伏供電，而臭氧系統則用8-30千伏，前者對電器要求更低；安全性高，紫外線消毒器價格也低；

4、相對于氯化作用和臭氧作用，使用紫外線消毒不會改變水的氧化特性，可以提高管道和附屬設備的壽命；整體就顯示出紫外線消毒器價格優勢了；

5、污水處理過程中使用紫外線消毒器不會產生危險的氣體（或液體）工藝組分（氯、臭氧），可以保證系統具有大的安全系數和大的可靠性系數；

6、相對于氧化工藝污水處理，在照射劑量過大的情況下采用紫外線消毒技術不會產生任何副作用；

7、成本更低，當將紫外線消毒工藝運用于已存在的天然水和污水凈化系統中時不要求對系統的子模塊進行專門的搬動，不要求建立另外的通風系統和專門的保護設備，無高壓工作下的專門要求（這些在具有開放式水面的房間中是特別困難的）。與臭氧作用相比，這里沒有必要向工藝系統中引入另外的元件（如泵站、接觸容器等）；所以紫外線消毒器價格相對就會降低；

8、在污水處理中紫外線消毒系統可靠性更高，且運行簡單。比采用氧化工藝（氯或臭氧）簡單許多，可靠許多，便宜許多。

　　紫外線消毒器的殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的。

　　照射劑量（J/平方米)=照射時間（s）×UVC強度（W/平方米）

　　照射劑量越大，消毒效率越高。由于污水紫外線殺菌器設備尺寸要求，一般照射時間只有幾秒，因此燈管的UVC輸出強度就成了衡量紫外光消毒設備性能zui主要的參數。在城市污水消毒中，一般平均照射劑量在300J/平方米以上。低于此值，有可能出現光復活現象，即病菌不能被*殺死，當從污水紫外線殺菌器渠道中流出接受可見光照射后，重新復活，降低了殺菌效果。殺菌效率要求越高，所需的照射劑量越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射量的主要因素是透光率（254nm處），當UVC輸出強度和照射時間一定時，透光率的變化將造成微生物實際接受劑量的變化。

　　污水處理廠使用的污水紫外線消毒器消毒系統主要包括：（1）紫外燈及鎮流器構成的消毒系統，（2）傳感器與PLC構成的實時調節系統，（3）自動清洗系統，（4）供配電系統。

　　紫外線消毒器設備選擇

　　由于目前國內安裝的污水紫外線殺菌器污水處理消毒裝置較少，許多用戶和設計人員缺乏設備比選的經驗。我們通過某污水處理廠UVC消毒裝置的選擇以及隨后的應用研究，積累了一定的經驗，認為應該重點注重以下4個方面。

　　紫外線消毒器殺菌燈管的選擇

　　分兩個方面。一是單支燈管的UVC輸出強度越高，所需要的燈管數量越少，投資和運行維護費用越低。高強度汞燈的輸出強度高，優于低強度汞燈。二是UVC電光磚換效率((253.7nm)，這又分兩個層次。一是燈管消耗的電能轉換為光能的效率，二是光能為253.7nm波長(即U鄄VC)部分所占的比例，低壓汞燈的紫外輸出主要集中在253.7nm，而中壓汞燈的紫外輸出主要集中在366nm，且中壓汞燈發熱量很大，進一步造成能量浪費，因此，低壓高強度汞燈的電光轉換效率高于中壓高強汞燈。污水紫外線殺菌器消毒系統的電光轉化效率高達42％。此外，應選擇質保壽命較長的燈管。

　　紫外線消毒器傳感器及實時調節系統的選擇

　　污水處理廠水量、水質波動較大，因此進行UVC輸出強度的實時調節對節約電耗和延長燈管壽命意義重大。這主要通過燈管的可變輸出和傳感器的真實反饋來實現。就傳感器進行真實反饋而言，其位置和波長的選擇性極為重要。有些產品的傳感器放在紫外燈管和石英套管之間，反饋的信號沒有包含被消毒水的透光率變化情況。此外，一些傳感器的波長選擇性不強，測出的紫外光強度還包含了除253.7nm之外的其他波長的紫外光。能真實反應微生物實際接受的UVC照射強度的傳感器應是放置在水中（與微生物處于同一位置），并且只監測253.7nm波長強度。某污水處理廠即采用的這種傳感器，其低壓高強度汞燈在50～100％的范圍內可以實現電耗與UVC輸出的線性自動調整。

　　紫外線消毒器自動清洗系統的選擇

　　污水處理廠污水紫外線消毒器消毒系統的清洗系統有人工清洗、自動機械清洗和自動化學清洗三種。由于人工清洗要中斷消毒、工作量大、操作時易損傷燈管，且間隔時間長（自動清洗一般1～2次/小時），無法保證石英套管所必需的zui低綜合透光率，因此，除極個別特殊情況外，極少使用。污水紫外線殺菌器自動清洗系統的選擇與所使用的燈管有關。對于中壓高強度燈管，溫度在600～900℃之間，結垢嚴重，必須采用機械化學清洗。對于低壓高強度燈管，溫度低于110℃，結垢量和速度都遠遠低于中壓高強燈管，在1～2次/h的清洗頻率內，不會形成結垢。某連續10個月的實際運行結果也證明了這一點。

　　二次污染及事故污染

　　正常運行時的二次污染來自化學清洗系統中的清洗劑。事故情況下的二次污染發生的燈管破損時汞進入水中，以及液壓驅動的自動清洗系統發生泄漏。某污水處理廠選用的汞燈使用的是固態汞合金，因定粘附在燈管兩端的突起點，燈管破損時不會象液態汞那樣流到水中，將粘附著汞合金的石英碎片打撈出來即可。而且研究表明該汞合金在污水中長期浸泡后水中汞的本底濃度未見升高。此外，該系統采用壓縮空氣為動力的自動機械清洗系統，不存在運行期間和事故泄漏造成二次污染的問題。

　　紫外線消毒器消毒的局限性

　　與飲用水UVC消毒（目前世界上zui大的UVC飲用水紫外線消毒器消毒系統安裝在芬蘭的赫爾辛基，18.8萬立方米/d)不同的是，污水中由于SS包裹細菌的影響，很難在投資允許的范圍內達到非常嚴格的消毒標準。目前，只有一家紫外光消毒設備商的產品得到了美國加州污水回用標準Title22 of the California Code of Regulations的認可，該標準要求總大腸菌值小于2.2TC/100mL。某污水處理廠進、出水設計糞大腸菌值分別為106～108FC/100mL和200FC/100mL，重慶環境監測站的實測平均值小于20FC/100mL。氧化溝二沉池出水透光率（254nm)＞70％，高于設計值。SS小于200mg/L，消毒滿足設計要求。

　　運行成本

　　重慶污水處理廠污水紫外線消毒器消毒系統總裝機容量為47.3KW。單方水實際能耗0.02KKWh/m3，該廠繳納的綜合電價為0.49元/KWh，即單方水電費為0.0098元/立方米。燈管、擦洗環等消耗品的更換費用合0.0086元/立方米，總運行費用合計0.918元/立方米。

　　結論

　　重慶污水處理廠污水紫外線消毒器消毒系統的應用表明，我國現行的主流二級城市污水處理工藝出水的指標滿足UVC消毒設備對進水水質的要求，消毒效果可以達到景觀用水標準要求。