1 前言

廢水紫外線消毒正逐漸成為替代氯消毒的一種可行方案，而且紫外線消毒技術在西方國家已成為污水處理領域的主要消毒技術。到目前為止，西方發達國家已在污水處理廠安裝了近4000套大型紫外線消毒系統，占污水處理廠總數的10%，我國在該項目上落后國外近20年。因此研究紫外線消毒設備及工程系統并應用于廢水處理領域，將對提高我國的用水安全性具有重要意義。
目前，國內外用于污水紫外線消毒的裝置大多為敞開式水中照射系統。該系統紫外線的有效利用率高，但是系統的結構比較復雜，而且當污水流經反應器時，其中的有機和無機雜質便會沉積、粘附在套管的外壁上造成燈管表面結垢，從而影響紫外光的透出和消毒效果，尤其當污水中有機物含量較高時更容易結垢，因
此(ci)燈(deng)管必須定(ding)期清洗。而(er)水(shui)面(mian)照(zhao)射式紫(zi)外線消(xiao)毒(du)系(xi)統結構簡單，并且(qie)不需要進行(xing)燈(deng)管的(de)清洗，從而(er)減少了大量的(de)人力和物力。更重要的(de)是該系(xi)統能夠確(que)(que)保反應(ying)器內水(shui)流狀態為(wei)單向(xiang)活塞式湍流，這一紫(zi)外線消(xiao)毒(du)反應(ying)器最必要的(de)條(tiao)件(jian)。為(wei)此(ci)，本(ben)文以殺(sha)滅(mie)廢水(shui)中細菌為(wei)消(xiao)毒(du)效(xiao)果(guo)指標，利用水(shui)面(mian)照(zhao)射式消(xiao)毒(du)裝(zhuang)置對廢水(shui)紫(zi)外線消(xiao)毒(du)的(de)動力學進行(xing)研究，確(que)(que)定(ding)其動力學參數(shu)，為(wei)此(ci)類(lei)消(xiao)毒(du)裝(zhuang)置的(de)設計和運行(xing)管理(li)提供參考依(yi)據。

2 試驗材料與方法
2.1 試驗用水
   本試驗用取自成都府南河望江路段的河水模擬二級出水。該水質參數為：濁度40～600，高錳酸鹽指數（O2，mg/l）＞5，水溫20℃左右，細菌總數為2.0×104～3.0×105cfu /ml，大腸菌群數1.0×105～3.0×106cfu /100ml。
2.2 試驗方法
為去除水中的懸浮物質，加入3％硫酸鋁進行絮凝處理，取上清液測定濁度。同時將上清液引入自制的紫外線消毒反應器中，紫外線殺菌燈（WZW20W 無臭氧型）置于反應器上方（燈管距水面4cm），固定水層厚度和照射功率，每隔0.2 ~ 0.5 min取樣測定水中剩余細菌數。每次取樣時均重復做2次，以其平均值作為本次檢測結果。
2.3 檢測方法
細菌總數(shu)測(ce)定采用平(ping)板(ban)菌落計數(shu)法 (cfu /ml ) ，濁度測(ce)定為分光光度法（度），水(shui)溫(wen)采用水(shui)銀溫(wen)度計測(ce)定（℃），COD值采用酸性高(gao)錳酸鹽法（mg/l）。

3. 結果與討論
3．1廢水紫外線消毒結果
本研究在原有工(gong)作(zuo)基(ji)礎上(shang)(shang)，選擇(ze)溫度(du)為(wei)(wei)18.5～23℃（室溫）、濁(zhuo)度(du)為(wei)(wei)11.7～20.10、水(shui)層厚度(du)為(wei)(wei)8cm、照(zhao)射(she)(she)功率(lv)為(wei)(wei)20W的(de)(de)條件下進(jin)行(xing)紫(zi)外線消(xiao)毒(du)動力(li)學試(shi)(shi)驗(yan)，其試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)見(jian)表(biao)1。由表(biao)1可(ke)以(yi)看(kan)出，當紫(zi)外線照(zhao)射(she)(she)時間(jian)為(wei)(wei)2min時，細(xi)菌殺(sha)滅率(lv)均在99％以(yi)上(shang)(shang) ，并且(qie)當濁(zhuo)度(du)≤12.80時，殺(sha)菌率(lv)可(ke)達99.9％。該試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)與(yu)上(shang)(shang)海閔行(xing)污水(shui)處理廠紫(zi)外線消(xiao)毒(du)系(xi)統的(de)(de)大腸桿(gan)菌數殺(sha)滅率(lv)基(ji)本相同（該系(xi)統由300只65W國外進(jin)口紫(zi)外線燈(deng)管構成，接觸時間(jian)6s，紫(zi)外燈(deng)照(zhao)射(she)(she)方式為(wei)(wei)水(shui)中照(zhao)射(she)(she)式）。但是，不(bu)(bu)同的(de)(de)微生(sheng)物對(dui)紫(zi)外線的(de)(de)敏感程(cheng)度(du)不(bu)(bu)同。有資料表(biao)明，大腸桿(gan)菌對(dui)紫(zi)外線輻射(she)(she)的(de)(de)抵(di)抗能力(li)較(jiao)低(di)，其殺(sha)滅率(lv)為(wei)(wei)99.99％時，所需要的(de)(de)紫(zi)外線照(zhao)射(she)(she)劑量為(wei)(wei)

表1   廢水紫外線消毒試驗結果
Table 1 Result of Wastewater UV Disinfection

12 000μW•s /cm2，若使枯草芽孢桿菌達到相同殺滅率時，則照射劑量為40 000μW•s /cm2（水深為2cm）。廢水中微生物種類較多，有繁殖體、芽孢、孢子和病毒，因此，以殺滅廢水中細菌為紫外線殺菌效果指標時，要達到相同的殺菌率，所需照射劑量更大。由此說明，當處理水的濁度控制在13 0以下時，水面照射式紫外線消毒系統可以達到與水中照射式相同的殺菌效果。
3．2 廢水紫外線消毒的動力學分析
    紫外線消毒是通過紫外光子輻射導致的光生化學反應來進行的，因此其殺菌
                                       -dN /d t = kIN n                    （1）                                                          
    兩邊取對數，變形后得：
                                      lg [-(dN/dt)] = lg [（Nt-Nt+1）/△t] = nlgNt + lg kI          （2）
式中  Nt — 照射時間t時刻的剩余菌體數，cfu /ml
                                     Nt+1— 照射時間t + 1時刻的剩余菌體數，cfu /ml
k — 殺菌速率常數, cm2 /(μW•min)
I — 紫外線平均照射強度，μW/cm2
n — 反應級數
t — 照射時間，min-1
根據(ju)式（2）將表1中的數據(ju)進(jin)行(xing)線性回歸(gui)(gui)，其回歸(gui)(gui)結果見(jian)表2。由(you)回歸(gui)(gui)方程可以看出，反應級(ji)數為1.1～1.3。另外(wai)，由(you)表2可以看到，隨(sui)著濁度的增加，反應級(ji)數略(lve)有增加（當初始菌體濃度在同(tong)一(yi)數量級(ji)范圍內時），從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步說明

表2   廢水紫外線消毒回歸方程
Table 2 Regression Equation of Wastewater UV Disinfection

濁度對紫外線消毒有較大的影響。另外，水體中菌體初始濃度對紫外線消毒反應也有較大的影響，隨著水體中初始菌體濃度的增加，反應級數略有增加。這表明菌體濃度的增加，菌體間的遮蔽效應增加，紫外線的穿透率減弱，從而導致紫外線消毒反應速率下降。由此可見，當水體的濁度＜200，進水菌體濃度＜1.0×105cfu /ml時，廢水紫外線消毒過程可以近似地看成為一級光生化反應。
    根據一級化學反應動力學模型：
                                    Nt¬ = N0e – k t                      （3）
兩邊取對數，得：
                                   lnNt = -k t + lnN0                          （4）
式中  N0¬ — 菌體初始濃度，cfu /ml
k — 一級殺菌速率常數, min-1 ，其它符號意義同前。
由式（4）以(yi)lnNt對(dui)t進(jin)行線(xian)性(xing)回(hui)歸(gui)，其回(hui)歸(gui)結(jie)果(guo)見表(biao)3。由表(biao)3可以(yi)看出(chu)，

  表3   廢水紫外線消毒速率方程
 Table 2 Velocity  Equation of Wastewater UV Disinfection 

在本試驗條件下，紫外線消毒殺菌常數k為0.89～1.52min-1，而且表現出隨著濁度的增加，速率常數降低的趨勢。另外，本試驗所求得的速率常數較用大腸桿菌（Eschaorichia coli）ATCC25922菌株配制水的紫外線消毒速率常數(k＝4.253min-1)小許多。配制水濁度較低（小于20），而廢水的濁度較高，其中的固體懸浮物可干擾和吸收紫外線，使其穿透率降低，照射到水中的紫外線強度也減弱，并通過遮蔽紫外線隱藏細菌，使之具有保護細菌的作用。另外，配制水中菌種單一，而廢水中微生物種類較多，且野生菌株的生活環境及習性明顯不同于實驗室菌株。自然狀態下，野生菌株往往聚集在一起，以菌膠團的形式存在或附著于固體顆粒表面，因此其致死劑量遠大于實驗室菌株。由此可見，微生物種類、菌體濃度和水的濁度均對紫外線消毒反應速率有較大影響。因此，在進行廢水紫外線消毒時，在考慮增大照射劑量的同時，應盡量降低進水濁度和菌體濃度，建議紫外線消毒系統的進水濁度應≤130，進水菌體濃度＜1.0×105cfu/ml。
如前所述，紫外線消毒是通過光生化學反應進行，其殺菌速率除與微生物種類、進水菌體濃度和濁度等有關外，還與溫度、光強度和照射時間有關。但在????～??℃溫度范圍內速率常數k受溫度影響較小。本試驗中紫外線照射強度不變（按303μW/cm2計），故殺菌速率常數k = 0.049～0.083 cm2 /(mW•s)。該結果符合美國EPA設計手冊中的k = 0.067~0.38 cm2/（mW•s）的推薦值。因此，本試驗所得的動力學參數可以作為紫外線消毒反應器的設計和運行管理的參考依據。
4. 結論
   采用水面照(zhao)(zhao)射(she)式(shi)紫(zi)外線消毒裝置，在廢(fei)水的溫度(du)為18.5～23℃，濁度(du)為11.7～20.10，水層(ceng)厚度(du)為8cm條(tiao)件(jian)下，照(zhao)(zhao)射(she)2min時(shi)，細菌(jun)殺滅(mie)率＞99％；當濁度(du)≤12.80時(shi)，其殺滅(mie)率可(ke)達99.9％。當廢(fei)水的濁度(du)＜200，菌(jun)體濃度(du)＜1.0×105個/ml時(shi)，廢(fei)水紫(zi)外線消毒過程可(ke)以視作一級光生(sheng)化反應，其殺菌(jun)速(su)率常數k為0.89～1.52min-1。該試驗結果可(ke)以作為紫(zi)外線消毒反應器(qi)設計和運行管理(li)的參考(kao)依據。

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