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1、污水处理厂尾水紫外线消毒技术的应用摘要紫外线污水消毒技术在国外特别是欧洲和北美地区经过近 30 多年的发展已经成为成熟、可靠、投资效益高的绿色环保技术，在世界各地各类城市污水的消毒处理中得到日益广泛的应用，成为污水处理领域中取代传统加氯消毒的主流技术和工艺。在国内污水处理厂尾水消毒中也得到了广泛的应用，为了进一步的引导引导紫外线消毒技术的规范应用，国家标准化委员会在 2005 年专门颁布了城市给排水紫外线消毒设备（GB/T19837-2005）国家标准，规范了紫外线消毒技术的运用，本文结合笔者的一些实际经验和研究，对紫外线消毒技术在污水处理厂中尾水消毒工艺中的应用做阐述说明。关键词 紫外线 消
2、毒 标准 1、城市污水消毒的必要性为了保护人类的健康、生命以及水环境和水资源，世界许多国家和地区（北美、欧盟、日本、韩国、台湾等）都要求对城市污水在排放前进行消毒处理。污水消毒也是保护饮用水源的第一道防线。2002 年 11 月，我国和许多国家及地区爆发了非典型性肺炎，这一疫情的元凶冠状病毒广泛的传播和性顽强存活能力使人们意识到消毒的重要性，尤其是对接纳病人排泄物的污水处理厂的尾水消毒成为防止疫情扩散的重要防线。我国国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于 2002年 12 月 24 日颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002 中首次将微生物指标列为基本控制指标，要求城市
3、污水必须进行消毒处理，从而使污水处理的病理指标与国际接轨。许多国家和地区在对城市污水要求消毒的同时,也制定了相应的消毒指标，相应的排放标准（部分国家和地区尾水消毒指标见表 1），我国的城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）将粪大肠菌列为基本污染物控制指标。该标准规定执行二级标准和一级 B 类标准的污水处理厂排放要求是粪大肠菌群不超过 10000 个/L，执行一级 A 类标准的污水处理厂排放要求为不超过1000 个/L。表 1 部分国家和地区尾水消毒指标国家或地区 粪大肠菌群数 标准美国国家环保局（EPA） 200 个/100ml 二级生化处理后的出水美国加州加利福尼亚第 22
4、 号条例总大肠菌群数 2.2 个/100ml 非限制性使用的回用水欧盟 2000 个/100ml 浴场水指导准则(Bathing Water Directives)日本指针 大肠杆菌数 3000 个/ml10000 个/l 二级标准中国GB18918-2002 1000 个/l 一级标准 A 类国家或地区 粪大肠菌群数 标准10000 个/l 一级标准 B 类5000 个/l 医院、兽医院及医疗机构含病原体污水 三级标准1000 个/l 医院、兽医院及医疗机构含病原体污水 二级标准500 个/l 医院、兽医院及医疗机构含病原体污水 一级标准1000 个/l 传染病、结合病医院 三级标准500
5、个/l 传染病、结合病医院 二级标准中国GB8978-1996100 个/l 传染病、结合病医院 一级标准3000 个/l 黄浦江上游水源保护区上海市地方标准DB31/199-1997 10000 个/l 黄浦江上游准水源保护区中国再生水用作冷却水的水质控制标准 2000 个/l GB50335-2002中国城镇杂用水水质控制标准 总大肠菌群数 3 个 GB50335-200210000 个/l 观赏性景观环境用水 河道、湖泊类2000 个/l 观赏性景观环境用水 水景类500 个/l 娱乐性景观环境用水 河道、湖泊类中国景观环境用水的再生水水质控制标准GB50335-2002不得检出 娱乐性
6、景观环境用水 水景类2、城市污水处理厂尾水不同消毒方法的比较给排水消毒方法可分为两大类，即化学消毒方法，如：加氯消毒和臭氧消毒；和物理消毒方法，如：紫外线消毒。目前，国内污水处理厂尾水消毒主要有四种消毒方法，分别是氯气、二氧化氯、臭氧、紫外线，他们各有优缺点，各自有着不同的应用领域。整理见表 2表 2 不同消毒工艺的比较方法 优点 缺点 应用领域氯气（Cl2）传统技术，比较成熟纯设备投资成本相对低具有余氯持续消毒作用对贾第虫、隐孢子虫无效会产生消毒副产物（THMs） 具致癌，致畸毒害作用氯气危险，不宜储运自来水和污水中传统的消毒方式二氧化氯（Cl02）投放简单、方便副产物较少，不受 pH 影响
7、运行成本高不适合大水厂应用现场制备，存在安全隐患对小规模项目具有一定的针对性，如医院污水处理臭氧（O3）有强氧化能力除臭、脱色、除铁、锰等消毒投资较大，运行成本 高，产生臭化副产物一些自来水厂深度处理和一些工业用水紫外线（UV）不产生任何消毒副产物，对贾第虫、 隐孢子虫效果好，具广谱性杀菌能力;操作安全简易/运行成本低对水体的悬浮物、色度等影响 UVT 的因素比较敏感无后续杀菌作用大型市政给排水项目和工业用水（如半导体、食品行业等）3 紫外线污水消毒技术的研究31 紫外线消毒的原理紫外线一般被分为三个不同波段：紫外 C(200280 nm)、紫外 B(280315 nm)和紫外A(315400
8、 nm)，其中紫外 C(UVC)的杀菌效果最好。紫外线杀菌与化学消毒剂杀菌不同，它不是通过得失电子的氧化还原反应进行，而是通过由紫外光子辐射导致的光化学反应来进行。紫外灯在 260 nm 附近杀菌效率最高，目前生产的紫外灯的最大紫外输出功率在波长为 253.7 nm 处，该波长在世界顶级紫外灯中已占紫外能量的 90% 、总能量的 30%以上，由于高强度、高效率的紫外 C 的存在，紫外技术克服了以往杀菌效率低、消毒水量小、成本高的缺点，已在水消毒领域具有相当的竞争力。紫外线消毒是一种物理消毒方法，紫外线消毒并不是杀死微生物，而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒的原理主要是用紫外光摧毁微生物的遗
9、传物质核酸(DNA 或 RNA)，使其不能分裂复制。除此之外，紫外线还可引起微生物其他结构的破坏。微生物在人体内不能复制繁殖，就会自然死亡或被人体免疫功能消灭，从而不会对人体造成危害。紫外线是波长在 200 400nm 的电磁波，它又分为 4 个波段(见图 1)，其中具有杀菌消毒功能的紫外波段为 200 300nm，即紫外 C 和紫外 B 中的部分。通常人们较关注微生物对紫外线的吸收频谱，认为 253.7nm 是紫外消毒的最佳波段并把紫外消毒技术称为紫外 C 消毒，确切来说是不全面的，因为忽视了微生物对紫外线的反应频谱。图 1. 紫外消毒波段图 2.核酸的紫外吸收频谱与大肠菌消毒频谱100nm
10、 200nm 280nm 315nm 400nm消毒波段*200nm 253.7nm 300nm真空紫外线UVC UVB UVA宇宙光 伽马线 X 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波30280260240WAVELNGTH (nm)RELATIVE UNITS2468102040608010 Nucleic acidabsorptionE colikiling波长 (nm)相对单位大肠菌灭活核酸吸收图 3. 核酸和微生物对紫外的反应频谱紫外线对核酸/微生物的破坏取决于核酸/微生物对紫外线的吸收和反应，如果只有吸收，没有反应，那么该波长的紫外线也不会具有灭活作用。吸收+反应决定了核酸或
11、某种微生物对某一波段紫外光的响应或敏感性、即紫外光对其产生灭活的能力。图 2 和图 3 分别为核酸及一些微生物对紫外线的吸收频谱和反应频谱，可以看到微生物对紫外照射的响应和核酸对紫外的响应有很强的相关性。由图可以看出核酸对紫外线的吸收大致在 260 265nm 左右存在一个峰值，而对紫外线的反应则是在 260 269nm 左右有一个峰值。而某些微生物如：MS2 噬菌体、湿疣病毒、mosaic 烟草病毒和 reo 病毒等的最大紫外反应波长则在 230nm以下 9101112。因此若认为能发出 253.7nm 波长单频谱输出的低压紫外汞灯消毒效果优于多频谱输出的中压紫外灯，是不符合实际的。对很多微
12、生物并不存在唯一的最佳紫外消毒波长。大量的研究和实际运行结果表明单频谱输出的低压紫外灯和多频谱输出的中压紫外灯在照射到微生物上的紫外剂量相同的条件下，其消毒效果是相同的 113141516。对某一特定微生物来说，接受到的紫外剂量是决定其灭活程度的唯一因素。32紫外剂量及剂量响应曲线微生物所接收到的紫外照射剂量决定了其灭活的程度,不同的微生物种类对相同紫外剂量的响应是不同的。微生物在消毒器中通过时接收到的紫外剂量定义为:波长(nm)相对于254nm反应隐孢子虫MS2湿疣病毒(1)TdtIDose0式中 Dose 为剂量（常用单位：mWs/cm2）；I 为微生物在其运动轨迹上某一点接收到的紫外照射
13、光强（常用单位：mW/cm2）； T 为曝光时间或滞留时间。在实际的紫外消毒器或系统中由于光强在空间的不均匀分布、流体动力学的限制且微生物在消毒器中滞留时间很短（一般 1 到 10 秒左右），每个微生物个体接收到的紫外剂量是不同的，即消毒器是非理想的。如果假设消毒器为理想消毒器，即所有微生物都接收到相同的紫外照射剂量，则方程（1）可表示为（2）TIDose其中 和 分别为消毒器内平均光强和平均曝光时间。方程（2）类似于加氯消毒中的 CT 的计算。在微生物实验室中，一般用紫外平行光束仪来测量某种微生物对紫外照射的响应特性，即其对紫外线消毒的敏感性。在特定光强下，通过控制曝光时间得到不同的紫外剂量
14、，再测出相应的存活的微生物含量，即可得到该微生物的紫外剂量响应曲线，如图 4 所示。由此方法所得剂量叫做平行光剂量，一般认为此方法可完全排除流体动力学影响，根据此方法得到的曲线完全反映了紫外线对微生物的纯生化作用，故该紫外剂量也叫生化紫外剂量。此曲线是设计紫外消毒工艺的基本依据，一个紫外消毒系统在考虑其它各种因素及必要的安全系数后所能实现的有效紫外剂量不能小于由该曲线得出的对微生物达到某一程度消毒时所需要的生化剂量。图 4. 微生物紫外剂量响曲线紫外剂量(mWs/cm 2)指标微生物含量N,(个/100ml)0由图 4 还可以看出，响应曲线在剂量增加到一定范围后逐渐持平、即存在极限，也就是说再
15、加大消毒剂量也不能改善消毒效果。这主要和水质条件尤其使总悬浮固体数 TSS 及固体颗粒尺寸有关。33微生物受到紫外照射后的修复如果微生物没有接受到足够的紫外照射剂量，有些微生物可以修复其受到的损伤。大量的研究表明：病毒本身没有修复能力，有些细菌具有修复能力，但受到的紫外照射剂量越高，其修复能力越低，只要剂量设计适当，可完全去除或有效地抑制这些微生物的修复能力 11718。微生物的修复可分为光修复和黑暗修复，光修复需要可见光的存在，而且微生物在受到紫外线照射后到见到可见光之间的间隔时间越长，微生物见到可见光后光修复的能力越低，如果时间间隔超过 2 小时以上，一些微生物会完全丧失光修复能力 67
16、19，污水厂在设计时可利用这一特点通过增加消毒后污水不见光的时间来进一步抑制微生物的修复。研究证明只要设计合理，微生物的修复在实际污水处理和回用水处理系统中并不重要 2 3 4，另外污水本身的特性也被认为不利于微生物受伤后的修复。有些研究还显示中压紫外灯发射的某些紫外波长可能可以抑制或破坏微生物的修复能力。世界上使用紫外消毒工艺的 3000 多家污水处理厂的实际运行表明微生物的修复并不是实际问题，现在这一问题在国外已不再是紫外污水消毒处理应用中人们担心的问题。34影响紫外消毒系统消毒性能的各种因素3.4.1 紫外穿透率 (UVT)图 5. 水体紫外穿透率的测量I0 I1 I0 I2超纯水 测试水样紫外穿透率 UVT = I1/I2nt
