明渠水下照射式紫外線消毒系統的設計
摘 要: 針對常用的明渠水下照射式污水紫外線消毒系統的設計，探討了明渠水下照射式污水紫外線消毒系統的紫外燈型式的選擇、紫外劑量的確定方法以及設計流量的確定，介紹了消毒明渠及其水位控制器的設計方法。
隨著對氯消毒缺陷的認識，人們在尋求氯消毒的替代技術。紫外線消毒由于具有殺菌快速高效、安全、易操作及占地小等優點，在美國和加拿大已廣泛應用，目前大部分的紫外線污水消毒系統都采用明渠水下照射式。在我國，紫外線消毒在污水處理中的應用剛剛起步，對明渠水下照射式的污水紫外線消毒技術的研究及其系統設計的報道不多。
1 系統組成
明(ming)渠水(shui)下照(zhao)射(she)式紫外線消毒系統的組成(cheng)如圖1所(suo)示。
紫外(wai)(wai)燈平行放置于支架上并(bing)浸沒在水(shui)中(zhong)。各模塊之(zhi)間彼此獨(du)立。每個模塊可配置2、4、6、8或(huo)16支紫外(wai)(wai)燈管[ 1 ] 。紫外(wai)(wai)線消(xiao)毒系統若(ruo)采用(yong)自(zi)動清洗(xi)則還要(yao)安裝有(you)清洗(xi)設施。污水(shui)重力流經紫外(wai)(wai)燈，渠(qu)道下游設水(shui)位控制器。
圖1 明渠水下照射式紫外線消毒系統
Fig. 1 Submerged radiation type ultraviolet disinfection system in open channel
2 系統設計
2. 1 紫外燈型式的選擇
紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)消(xiao)毒(du)(du)(du)燈(deng)(deng)有(you)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)、低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)3種(zhong)。低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)和(he)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)均發(fa)(fa)出(chu)(chu)單色(se)光(guang)，輸(shu)(shu)出(chu)(chu)波長(chang)為(wei)253. 7 nm，燈(deng)(deng)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)壽命為(wei)8 000 ～12 000 h，而(er)中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)發(fa)(fa)出(chu)(chu)復(fu)色(se)光(guang)，波長(chang)為(wei)230～300 nm，燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)壽命為(wei)5 000 h。低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)單根燈(deng)(deng)管(guan)(guan)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)能輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(90～100 W)要比(bi)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)(30～60W)高(gao)(gao)，但比(bi)中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)(420～25 000 W)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)。在(zai)照射到微生物上的(de)(de)(de)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)量相同(tong)的(de)(de)(de)條件(jian)下，三種(zhong)類型紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)消(xiao)毒(du)(du)(du)效果(guo)是相同(tong)的(de)(de)(de)[ 2 ] 。但低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)強(qiang)(qiang)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)光(guang)強(qiang)(qiang)相對(dui)較(jiao)弱(ruo)，穿透力(li)不高(gao)(gao)，對(dui)總懸浮固體>30 mg/L的(de)(de)(de)二級(ji)處(chu)(chu)理(li)(li)出(chu)(chu)水(shui)消(xiao)毒(du)(du)(du)效果(guo)不好(hao)[ 3 ] 。而(er)中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)光(guang)強(qiang)(qiang)最強(qiang)(qiang)、穿透力(li)高(gao)(gao)，比(bi)較(jiao)適(shi)合(he)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)濃度(du)污(wu)水(shui)的(de)(de)(de)處(chu)(chu)理(li)(li)。處(chu)(chu)理(li)(li)相同(tong)的(de)(de)(de)水(shui)量時，若采用中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)系(xi)統則需(xu)要的(de)(de)(de)燈(deng)(deng)管(guan)(guan)數最少(shao)，低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)次之(zhi)。燈(deng)(deng)管(guan)(guan)數量少(shao)，相應地設備占地也省，基建費用和(he)燈(deng)(deng)管(guan)(guan)維護(hu)費用少(shao)。但中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)光(guang)電轉(zhuan)換率低(di)(di)(di)(di)(di)(di)(只有(you)15%左右) 、能耗大、電費高(gao)(gao);而(er)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)和(he)低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)光(guang)電轉(zhuan)換率為(wei)30% ～40%。目前，污(wu)水(shui)處(chu)(chu)理(li)(li)廠(chang)多(duo)采用低(di)(di)(di)(di)(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)和(he)中(zhong)(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)燈(deng)(deng)系(xi)統，設計(ji)時需(xu)根據實際(ji)情況進行技術(shu)經濟比(bi)較(jiao)。
2. 2 紫外劑量的確定
紫外燈數量取決于滅活微生物所需的紫外劑量。微生物的滅活與紫外照射劑量的關系可以用數學模型表達。若大腸桿菌數量在通常的消毒范圍內，則滅活速率與紫外劑量的關系表達如下：
dN/dt= - kN2 I (1)
經積分，得到:
1 /N - 1 /N0 = k It (2)
式中 N ———某時刻t的大腸桿菌含量，最大可能數量/100 mL
N0 ———初始大腸桿菌含量，最大可能數量/100 mL
k ———速率常數，大腸桿菌數/ s
I ———消毒反應器中紫外平均強度，mW / cm2
t ———消毒時間， s
大腸桿菌初始含量常常比消毒后大得多，以致1 /N0 項可(ke)以(yi)忽略不計，故(gu)式(2)可(ke)以(yi)簡化為：
1 /N = kIt 或 N = ( kIt) - 1 = ( kD ) - 1 (3)
式中 D———紫外(wai)劑量，為(wei)紫外(wai)平均(jun)強度與(yu)消毒(du)時間的乘積， (mW•s) / cm2
式(3)可以用于計算在已知速率常數下不同紫外強度與消毒時間時的大腸桿菌數。另外， Scheible等的研究表明，紫外劑量和糞大腸菌群含量之間的關系符合如下經驗公式[ 4 ] ：
消毒后糞大腸菌群含(han)量= ( 1. 26 ×1013 ) (紫外劑量) ; (4)
此外，Loge等研究得到可以用來計算糞大腸菌群在紫外光照下數量變化的經驗公式[ 5 ] ：
N =A ( SS) a (N0 ) b (UFT) c ( I) n ( t) n ; (5)
式中 N ———在紫外輻射后的糞大腸菌群含量，最大可能數量/mL
I ———紫外平均強度，mW / cm2
t ———消毒時間， s
SS———水中懸浮固體濃度，mg/L
N0 ———糞大腸菌群的初始含量，最大可能數量/100 mL
UFT———在253. 7 nm處的紫外透射率， %
A、a、b、c、n———經驗系數，分別是102. 919、1. 947、0. 323 3、0、- 2. 484式(3) ～ (5)表達了紫外劑量與消毒后污水中的大腸桿菌或糞大腸菌群濃度的關系。其中式( 5)考慮了懸浮固體、透射率等因素對紫外線消毒的影響，能較合理地預測達到一定的糞大腸菌群殺滅指標時所需的紫外劑量。例如，美國國家污染物排放系統(NPDES)的消毒標準要求糞大腸菌< 200 個/100 mL，對于總懸浮固體TSS < 20 mg/L、65%透射率的二級處理出水，在通常的消毒范圍內，用式(5)計算得到的紫外劑量與報道的20～30 (mW • s) /cm2 基(ji)本(ben)一致。我(wo)國(guo)的《城鎮污水處理廠污染物排(pai)放標(biao)準(zhun)》(GB 18918—2002)將糞(fen)大腸菌群(qun)列為基(ji)本(ben)控制(zhi)項目，可(ke)以根據(ju)該標(biao)準(zhun)對糞(fen)大腸菌群(qun)的最高允許排(pai)放濃度以及污水廠的具體水質(zhi)來計算紫外(wai)線劑(ji)量。
確(que)定(ding)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)(ji)(ji)量(liang)的(de)(de)另一種(zhong)方法是(shi)根據微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)對(dui)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)(ji)(ji)量(liang)的(de)(de)響(xiang)應所(suo)得到的(de)(de)響(xiang)應曲(qu)線來確(que)定(ding)[ 6 ] 。不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)種(zhong)類的(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)對(dui)于相同(tong)(tong)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)(ji)(ji)量(liang)的(de)(de)響(xiang)應是(shi)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)，因為它(ta)們對(dui)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線的(de)(de)敏(min)感程度不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)。由紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)平行光(guang)束儀測定(ding)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)(ji)(ji)量(liang)下某(mou)種(zhong)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)存活含量(liang)，從而得到紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)(ji)(ji)量(liang)與存活微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)含量(liang)的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線，即響(xiang)應曲(qu)線。該法排除了消毒反應器中流體動力學(xue)對(dui)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)接(jie)受紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)劑(ji)(ji)(ji)量(liang)不(bu)(bu)(bu)均勻的(de)(de)影(ying)響(xiang)。
確定(ding)紫外(wai)(wai)劑(ji)量時(shi)，應考慮紫外(wai)(wai)燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)老(lao)(lao)化(hua)和(he)燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)的(de)(de)石英套管(guan)(guan)表面(mian)結(jie)垢問(wen)題。使(shi)用(yong)壽命(ming)周(zhou)(zhou)期(qi)終(zhong)點時(shi)的(de)(de)紫外(wai)(wai)輸(shu)(shu)出與(yu)新燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)紫外(wai)(wai)輸(shu)(shu)出之(zhi)比為燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)的(de)(de)老(lao)(lao)化(hua)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)。大(da)多數(shu)(shu)燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)的(de)(de)老(lao)(lao)化(hua)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)在0. 5左右(you)。另外(wai)(wai)，污水中的(de)(de)某些成(cheng)分(fen)會(hui)使(shi)燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)的(de)(de)石英套管(guan)(guan)表面(mian)結(jie)垢而影響紫外(wai)(wai)透射(she)率。結(jie)垢系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)的(de)(de)清洗(xi)方(fang)式有關:人工清洗(xi)為0. 7，純(chun)機(ji)械清洗(xi)為0. 8，機(ji)械加化(hua)學清洗(xi)為1. 0。因此，在確定(ding)紫外(wai)(wai)劑(ji)量時(shi)通(tong)過上(shang)述方(fang)法(fa)求得的(de)(de)紫外(wai)(wai)劑(ji)量還(huan)應計入燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)老(lao)(lao)化(hua)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)以及結(jie)垢系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，才能得到在燈(deng)(deng)(deng)管(guan)(guan)壽命(ming)周(zhou)(zhou)期(qi)內(nei)達到微(wei)生物消毒標準所需(xu)要的(de)(de)紫外(wai)(wai)劑(ji)量。
2. 3 設計流量及光照時間
紫(zi)外消毒(du)系統(tong)必須在(zai)紫(zi)外燈的(de)壽(shou)命期內按(an)最大流量設計(ji)，否則，當流量增(zeng)大時將不能保證消毒(du)要求。同時，也必須滿足最小流量時的(de)消毒(du)要求。許多(duo)較小的(de)污(wu)水處理廠在(zai)晚上流量接(jie)近于零，這(zhe)期間在(zai)石(shi)英(ying)套(tao)管(guan)(guan)(guan)(guan)周(zhou)圍的(de)污(wu)水會升溫而(er)在(zai)套(tao)管(guan)(guan)(guan)(guan)上產生沉(chen)(chen)積(ji)，也有(you)可能使石(shi)英(ying)套(tao)管(guan)(guan)(guan)(guan)露出水面而(er)暴露在(zai)空(kong)氣中(zhong)，留在(zai)套(tao)管(guan)(guan)(guan)(guan)上的(de)物(wu)質會被烤干，從而(er)形成沉(chen)(chen)積(ji)物(wu)。因(yin)而(er)，設計(ji)時必須確(que)定最大與最小流量。
光照時間也是個重要的設計參數。在相同的紫外強度下滅活不同種類的微生物需要的光照時間不同。目前的設計是采用高強度的紫外能而取較短的光照時間，例如光照時間為6～10 s[ 1 ] 。
2. 4 消毒明渠的設計
消毒明渠可根據紫外消毒系統的大小用混凝土或不銹鋼建成。國外的經驗是， 16 根或更少燈管的紫外消毒系統應采用不銹鋼渠道，但也可以采用混凝土渠道。當渠道中有多個紫外燈組時，紫外燈組的最佳距離是1. 22 m[ 1 ] 。如果渠(qu)(qu)道流(liu)量(liang)變化(hua)大，則渠(qu)(qu)道最好不少于1 道，這樣可根(gen)據流(liu)量(liang)變化(hua)開(kai)通或關閉某些渠(qu)(qu)道，以節省電耗和(he)延長燈的壽命(ming)。
渠道需用水位控制器來控制水位，以防燈管以上的水層厚度太大而影響消毒效果，或避免低于設定的流量范圍時紫外燈暴露于空氣中。在任何流量時位置最高的紫外燈石英套管頂以上的水層厚度需維持在1. 9～2. 54 cm[ 1 ] ，污水不應超出這一厚度，否則紫外強度太小而不能使所有的病原體滅活。兩種基本的水位控制器是銳頂堰和水力自動控制翻板閘門( flap gate) [ 1 ] 。銳頂堰既可保持高峰流量時間的最高水位，也可保證在零流量時紫外燈浸沒在水中，其缺點是在堰的上游底沉積固體，這可通過安裝沖洗閥來解決。水力自動控制翻板閘門是通過重力和污水流過渠道的沖力進行工作的，以翻板閘門上放置的重錘來限制閘門的開啟度，合理設計的翻板閘門將使水位保持在一個較寬的流量變化范圍內。其缺點是在零流量或接近零流量時會發生滲漏以致紫外燈露出水面，影響消毒效果。翻板閘門與紫外燈組的最小距離為2 m。在兩種水位控制器中，采用使紫外燈在零流量時仍能保持完全浸沒的堰可能更好。一般地，堰用于小于20根紫外燈的小型消毒系統，而翻板閘門則用于大型的紫外消毒系統[ 1 ] 。
3 結語
明渠水下照射式污水紫外線消毒系統的合理設計是紫外線消毒技術在污水處理中應用的關鍵，選擇合適的紫外燈型式有利于節省投資和運行費用，正確確定紫外劑量、最大和最小流量以及合理設計水位控制器是保證消毒效果的重要方面。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
