1　紫外線消毒型式的發展

        20世紀80年代初,紫外線污水消毒技術在美國環保局(EPA)的創新和取代技術資金項目支持下,在美國的城市污水處理中開始得到應用。但早期的紫外線消毒系統全為封閉管道式(見圖1),污水容易污染設備,維護麻煩,燈管清洗更換時需要停機,故需要備用設備,還需要泵、管道、閥門等配套設備,成本很高,不適合大規模應用,使得紫外線消毒技術在城市污水處理中難以有效推廣。
  

  
        1982年加拿大特潔安(Trojan)技術公司開發了世界上第一套明渠式安裝的紫外線消毒系統UV2000,并引進了模塊化紫外線消毒系統概念,即系統可由若干獨立的紫外燈模塊組成(見圖2),且水流靠重力流動,不需要泵、管道以及閥門等配套設備。系統維護可對單個模塊進行,紫外燈模塊可輕易地從明渠中直接取出進行維護,維護時系統無需停機,因而無需備用設備,從而使得系統維護簡單方便,大大降低了紫外污水消毒的成本。同時,當污水處理廠在擴建或改造時,只需適當增加紫外燈模塊的數量,而無需添購整套系統。
目前在世界各地已經有3 000多家城市污水處理廠安裝使用了紫外線污水消毒系統,在北美地區經過20多年的發展,已成為成熟、可靠、實用的污水消毒技術。
 

2　紫外線消毒裝置的發展

        (1)紫外線燈管。早期是適用于小規模污水消毒處理的常規低壓紫外燈;20世紀90年代中期出現了所有燈管類型中紫外線發射能量最強的中壓紫外燈,使大規模污水處理應用紫外設備成為可能;90年代末又出現了低壓高強紫外燈,可作為常規低壓紫外燈和中壓燈消毒技術應用的過渡或備選,為污水處理廠提供適合各種情況的最佳消毒方案。低壓燈管使用壽命也從早期的1 000~3 000 h提高到8 000~12 000 h左右。

        (2)清洗方式。接觸式消毒裝置無法避免燈管的結垢,需頻繁的清洗。最早采用人工清洗液化學,工人勞動強度非常大;隨后發明了機械清洗方式,減輕了清洗工作量,90年代中期發明的高效機械化學式燈管自動清洗裝置,完全取代了人工清洗液化學清洗方式,大大降低了消毒系統的維護需求和勞動強度。

3　明渠式紫外線消毒系統的型式

        目前全球安裝使用的紫外線污水消毒系統95%以上采用20世紀80年代發明的明渠式紫外線消毒系統,該系統將若干獨立的紫外燈模塊安裝在開放的明渠中,水流靠重力流經消毒裝置,在明渠可直接插入或取出紫外燈模塊進行維護檢修。

3.1　燈管排布形式

        紫外消毒器中燈管的排布可分為順流式和橫流式。順流式指的是燈管彼此平行且與水流方向平行,而橫流式排布燈管彼此平行但與水流方向垂直。90%的城市污水紫外線消毒系統采用順流式,這主要是由于橫流式不利于流體形成理想的均勻流動,紫外能量浪費較大,在燈管和渠壁或水面間容易形成消毒短流區,使通過的微生物得不到足夠的紫外照射劑量而影響消毒效果。簡單來說,如果短流區的容積占總消毒容積的1%,那么該消毒系統所能達到的最好消毒效果為99%,二級生化處理的出水中大腸菌群含量一般在106~107個/L,要達到104
個/L的國家標準就會有困難。

3.2　紫外燈管的類型

        目前污水紫外線消毒系統中常用的紫外燈管有:低壓燈(LP)、低壓高輸出燈(LPHO,又稱作低壓高強燈)和中壓燈(MP)。這些燈管的主要性能參數及適用范圍見表1。
 

　　
        中壓燈是所有紫外燈中單根燈管紫外能輸出最高的,因此可以用很少的燈管數量達到消毒效果,占地最少,可以大大減少設備與征地、土建等投資,具有規模效益,比較適合于大型城市污水處理廠的消毒處理,特別是用地緊張的污水處理廠。另外由于中壓燈光強最強,穿透力高,所以比較適合低質污水的消毒處理。當然,中壓燈的光電轉換效率較低,電耗較高,但由于燈管數目很少,燈管更換費用較低。一個設計優良的紫外線消毒系統的運行維護費用主要是電費和燈管更換費用。燈管數量減少,可減少與燈管數量相關部件的更換數量和費用。

        表1中各類燈管的適用范圍只具有參考意義,污水處理廠應結合實際和特殊情況對不同燈管類型的紫外線消毒系統進行全面詳細的可行性和技術經濟比較,選用適合的方案。在方案比較時,還應全面考慮占地、土建、輔助設備設施以及其他相關因素。

3.3　鎮流器

        早期的紫外線消毒系統使用電磁式鎮流器。20世紀90年代初電子鎮流器首先應用在低壓燈紫外消毒系統,90年代中葉又解決了用電子鎮流器控制中壓燈管的難題,現在各類污水紫外線消毒系統使用的鎮流器基本都是電子鎮流器。

        鎮流器的布置一般分為兩大類,一類是將鎮流器密封后和紫外燈模塊一體化,另一類是鎮流器與紫外燈模塊或燈組分離,放在明渠外,離燈管有一定的距離。后者需要空氣排風冷卻鎮流器等電控元件,從而會導致空氣中的灰塵、水汽和污染物侵蝕,降低鎮流器等敏感電控元件壽命,帶來額外的系統維護,增加與更換鎮流器有關的設備運行費用,而且需要單獨的房屋和空調來安放鎮流器等電控部件。鎮流器遠離紫外燈管會增加鎮流器到燈管間電壓降,因此降低燈管的輸入功率和燈管的紫外能輸出,從而降低紫外線消毒系統效率并影響消毒效果。

3.4　石英套管的清洗方式

        清洗方式可分為兩大類:人工清洗和自動清洗。人工清洗就是將燈管從明渠中取出,用清洗液噴淋到套管上,然后用棉布擦拭清潔;或將幾個紫外燈模塊放到移動式清洗罐中用清洗液同時攪拌清中帶有曝氣攪拌裝置;當燈管數量較多時,也可一次將整個燈組(由若干個模塊組成)從明渠中起吊出來放入固定的清洗池內用清洗液清洗,池中帶有曝氣攪拌裝置。從勞動強度和經濟性上分析,人工清洗比較適合小型或中型污水處理廠。

        自動清洗還可分為純機械式自動清洗和機械加化學式自動清洗,純機械式自動清洗系統實際上是用鐵氟龍環來回刮擦套管表面;而機械加化學式自動清洗系統則是在清洗頭內裝有清洗液,在清洗頭機械刮擦套管表面的同時通過清洗頭內的清洗液去掉難以通過刮擦有效去除的污垢。

        純機械式自動清洗系統需要頻繁(10~30 min一次)的來回刮擦以減緩套管表面污垢的積累,清洗頭磨損快,壽命短,一般半年到一年就需要更換,維護要求勞動強度和清洗成本較高;機械加化學式自動清洗一般一天清洗一次,清洗頭壽命在5年左右,清洗效果較好。

        機械加化學式自動清洗裝置發明于90年代中葉,并應用到污水紫外線消毒中,清洗效果好。常用磷酸作清洗液,會進入污水處理系統,但由于其用量極少,不會造成二次污染。機械加化學式自動清洗在排放標準嚴格的北美地區的污水再生利用消毒處理中廣泛使用,未產生不良影響。當然也可使用食品等級的清洗劑以適應更高的需求。
4　應用前景

        加氯消毒是城市污水消毒處理中使用最為普遍的方法,但隨著氯消毒的大規模使用,人們對該方法的認識和了解也不斷加深,對其使用中產生的問題也越來越關注。這主要是余氯對受納水體中的魚類有害,在處理過程中會產生三致副產物。在氯消毒已知的500多種消毒副產物中,只有為數很少的被研究并證實對人類健康有影響,尚有500多種消毒副產物有待查明身份,而且更令人擔心的是使用中缺乏對這些副產物的風險分析和管理計劃。正是由于對這些問題的擔心,世界各國和地區對氯消毒的使用制定了各種法律規定,限制或控制使用。例如:荷蘭、德國、加拿大魁北克等地已禁止使用氯消毒;歐美等地有脫氯要求;美國加利福尼亞、佛羅里達等州根據污水處理廠具體情況要求零余氯排放;除此之外,污水處理廠必須實施嚴格的安全生產條例和措施,有關部門對加氯消毒的通風和安全生產設施嚴格控制,必須有完善的氯泄漏收集措施;在國外還有風險管理計劃,包括污水處理廠附近居民的撤離計劃;而公民知情權法則要求污水處理廠應將氯消毒的使用及情況通報給附近居民等等。這些法律、規定和法規大大增加了氯消毒成本,也使得氯消毒越來越不受歡迎。另外氯作為危險化學藥品,有關部門對其運輸和儲存的安全問題和審批控制非常嚴格,我國的一些污水處理廠在建成加氯接觸池后常常因此而無法正常運行使用,現在越來越多的城市污水處理廠已開始考慮使用紫外線消毒技術替代氯消毒。

        紫外線消毒技術作為物理消毒方式,無二次污染;運行維護安全、簡便;消毒時間短(一般1~10s),無需接觸池,占地小,結構簡單,設備安裝快,在各種消毒方法中對微生物最具廣譜性,消毒效果不受水體pH和溫度影響。圖3為各種消毒方法在城市污水處理中的應用程度,可以看出紫外線消毒技術正得到越來越多的應用。
 

5　結語

         由于氯消毒技術的負面影響逐步顯現,選擇綠色的消毒技術越來越受到大眾的關注。紫外線消毒技術在國內的應用剛剛起步,在設計紫外線消毒系統時,必須結合當地的各種條件,選擇合適的紫外線消毒系統。不同類型的燈管、鎮流器和清洗方式直接影響工程投資、運行費用和處理效果。通過進行廣泛的技術經濟比較確定合適的工藝方案,是取得最佳消毒效果的必要條件。

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