污水處理廠二級(jí)出水紫外線消毒器消毒效能研究

紫外線消毒器消毒工藝，由于不投加化學(xué)藥劑、消毒時(shí)間短以及不產(chǎn)生有毒害副產(chǎn)物而日益受到關(guān)注，目前不僅新建污水處理廠大都采用污水紫外線消毒器消毒工藝，一些已建有加鑢消毒工藝的污水廠為了滿足出水生物毒性指標(biāo)也陸續(xù)改造為污水紫外線消毒器消毒工藝。紫外線消毒器廠家和紫外線消毒器研究人員針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外二級(jí)出水紫外消毒工藝存在的問(wèn)題，采用小試和中試試驗(yàn)重點(diǎn)考察了影響二級(jí)出水污水紫外線消毒器消毒效率的因素以及二級(jí)出水紫外消毒后水質(zhì)變化，研究了強(qiáng)化紫外消毒工藝抗水質(zhì)沖擊負(fù)荷的措施，并對(duì)二級(jí)出水紫外工藝消毒效率模型及紫外裝置水力流態(tài)進(jìn)行了分析。

從消毒副產(chǎn)物生成、二級(jí)出水生物毒性變化、二級(jí)出水中糞大腸菌群（Faecal Coliform, F.C.）光照增殖現(xiàn)象等方面對(duì)紫外消毒工藝對(duì)二級(jí)出水水質(zhì)的影響進(jìn)行了考察，并與目前普遍采用的加鑢消毒工藝進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：二級(jí)出水紫外線消毒器消毒工藝不生成三鹵甲烷（Trihalomethanes, THMs）和鹵乙酸（Haloacetic acid, HAAs），加鑢消毒工藝THMs、二鑢乙酸生成量隨加鑢劑量增大而增大，但均遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；而紫外消毒工藝會(huì)生成較低量的甲醛，當(dāng)紫外照射劑量在0~120mJ/cm2范圍內(nèi)時(shí)甲醛平均濃度為0.17mg/L。紫外消毒工藝幾乎不影響二級(jí)出水生物毒性，而加鑢工藝會(huì)導(dǎo)致水樣生物毒性增強(qiáng)。在光照情況下，紫外消毒、加鑢消毒后二級(jí)出水中均存在一定程度的F.C.數(shù)量增長(zhǎng)現(xiàn)象，本文在給水紫外消毒光復(fù)活公式的基礎(chǔ)上，針對(duì)二級(jí)出水紫外線消毒器消毒后仍殘余大量F.C.的特殊性，提出了二級(jí)出水紫外線消毒器消毒的細(xì)菌復(fù)活率概念，并建立了二級(jí)出水紫外線消毒器消毒的光增值現(xiàn)象的預(yù)測(cè)模型。

選取濱河污水廠A/O工藝二級(jí)出水作為試驗(yàn)用水，考察了顆粒數(shù)量、顆粒尺寸以及起始紫外強(qiáng)度對(duì)紫外消毒效率的影響，采用連續(xù)過(guò)濾法將水中不同粒徑顆粒分離后用無(wú)菌水稀釋，紫外平行光儀照射結(jié)果表明：較大尺寸顆粒（D≥10μm）內(nèi)F.C.的消毒效率低于較小顆粒（D：5~10μm和D：2~5μm），三者消毒效率分別為1.30、2.84、4.10Log（Log=Log(N0/Nt)，其中N0為滅菌前水樣中的F.C.數(shù)目，Nt為滅菌后水樣中的F.C.數(shù)目），雖然消毒前D≥10μm顆粒吸附F.C.數(shù)目為1.7×104MPN/L，僅為二級(jí)出水內(nèi)總F.C.數(shù)目的0.5%，但消毒后D≥10μm顆粒吸附F.C.數(shù)目約占消毒后殘余F.C.總數(shù)的65.4%。試驗(yàn)也考察了顆粒對(duì)加鑢消毒工藝效率的影響，加鑢后顆粒數(shù)量減少，體積較大顆粒比體積較小顆粒數(shù)目下降更為明顯。

考察了對(duì)二級(jí)出水中pH值、色度、氨氮、有機(jī)物、水溫、鐵錳等水質(zhì)參數(shù)對(duì)紫外線消毒器消毒工藝效率的影響，結(jié)果表明，與加鑢消毒工藝相比，紫外消毒工藝可以有效抵御pH值、氨氮、有機(jī)物、水溫等沖擊負(fù)荷；而水樣色度對(duì)紫外消毒工藝效率產(chǎn)生了較為明顯影響。二級(jí)出水中Fe2+、Mn2+含量對(duì)兩組消毒工藝效率影響的考察結(jié)果表明，通常的二級(jí)出水紫外線消毒器消毒工藝中，不必?fù)?dān)心Fe2+、Mn2+含量對(duì)吸光度和滅菌效率的影響。

從生物處理工藝的選擇、增設(shè)預(yù)過(guò)濾工藝以及采用預(yù)加鑢工藝三個(gè)方面探討了強(qiáng)化二級(jí)出水紫外消毒工藝抗顆粒沖擊負(fù)荷能力的措施，三種強(qiáng)化方法均取得了較好的抗顆粒沖擊負(fù)荷能力，但選擇穩(wěn)定、可靠的生物處理工藝是保證紫外消毒效率的基礎(chǔ)。

針對(duì)現(xiàn)有紫外消毒模型WERF存在的問(wèn)題進(jìn)行了修正，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了關(guān)于懸浮顆粒濃度（Suspended Solid, SS）的殘余F.C.數(shù)目和紫外劑量的模型1；對(duì)Scheible模型進(jìn)行修正，將二級(jí)出水中顆粒態(tài)和附著態(tài)F.C.分離，分別考察其消毒效果，建立了模型2。將模型1、2分別用于預(yù)測(cè)紫外消毒效果，結(jié)果表明，兩組模型均可較好地預(yù)測(cè)二級(jí)出水紫外消毒工藝的拖尾現(xiàn)象，但模型2在紫外劑量較小時(shí)，預(yù)測(cè)效果優(yōu)于模型1。將模型2的預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于加鑢消毒工藝，同樣較好地模擬了消毒效果。

建立了單根紫外燈管周圍任一點(diǎn)紫外照射強(qiáng)度I的計(jì)算公式及計(jì)算程序，結(jié)果表明紫外燈管周圍任一點(diǎn)I是該點(diǎn)與燈管軸線垂直距離R、該點(diǎn)在x軸方向的坐標(biāo)h、污水的吸光系數(shù)ξw的函數(shù)。h對(duì)紫外強(qiáng)度影響較小（除h<5和h>195cm外），而R對(duì)I影響很大，R由1cm增大至6cm時(shí)，h為5~195cm之間的I平均值即下降了94.88%。對(duì)距離燈管中心距離R的圓柱面的強(qiáng)度值IR與R的曲線擬和結(jié)果表明，IR與R較好地符合IR=65.182×R?1.8415的冪值分布。在假定紫外燈管間距為12cm的基礎(chǔ)上，采用4組紫外燈管，模擬了紫外渠道內(nèi)垂直于燈管截面上I，結(jié)果表明，垂直于紫外燈管截面上I分布極不均勻，渠道內(nèi)zui高I為52.19mw/cm2（石英套管表面處），渠道內(nèi)zui低I<1mw/cm2；I>10mw/cm2分布在距離燈管表面1.767cm之內(nèi)，僅占渠道總截面積的16.15%，渠道內(nèi)約有25%區(qū)域I為2~3mw/cm2之間，約14%區(qū)域I<2mw/cm2。根據(jù)紫外照射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了紫外中試裝置。

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)對(duì)紫外裝置內(nèi)水力流態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算得到渠道內(nèi)的平均流速為0.521m/s，zui大流速為0.788m/s，zui小流速為0.287m/s；裝置內(nèi)水流基本為層流狀態(tài)，靠近渠道下 - II -部和兩側(cè)的水流出現(xiàn)了明顯短流現(xiàn)象，流速較大，消毒效率難以保證。為此，采用在紫外渠道中心區(qū)設(shè)置不銹鋼填充柱，在渠道下部和兩側(cè)每間隔50cm設(shè)置不銹鋼擋板的方法改進(jìn)渠道結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到渠道內(nèi)的平均流速為0.398m/s，zui大流速為0.884m/s，zui小流速為0.004m/s。改進(jìn)后，渠道內(nèi)水流紊流強(qiáng)度增強(qiáng)，尤其是中心區(qū)和渠道兩側(cè)，且多數(shù)區(qū)域出現(xiàn)了流線交叉現(xiàn)象。采用CFD軟件對(duì)渠道出口處殘余F.C.數(shù)目進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)得到的平均值為425MPN/L，而實(shí)際檢測(cè)值為750MPN/L，較為接近。

二級(jí)出水紫外線消毒器與加鑢消毒工藝經(jīng)濟(jì)分析表明，在同等處理規(guī)模（5×104m3/d）情況下，紫外消毒工藝運(yùn)行成本為0.013元/m3，而加鑢消毒工藝運(yùn)行成本為0.020元/m3，紫外消毒工藝低于加鑢工藝。此外，紫外消毒工藝施工工程量小、占地面積小、操作管理要求低、對(duì)環(huán)境及水質(zhì)毒性指標(biāo)的影響小，因此比加鑢工藝更有優(yōu)勢(shì)。二級(jí)出水紫外線消毒器裝置消毒效率預(yù)測(cè)模型、流態(tài)分析方法的完善必將推動(dòng)二級(jí)出水紫外消毒技術(shù)的推廣。