紫外线消毒工艺在给水处理中的应用

　　摘要 结合紫外线消毒工艺在给水处理中应用的工程实例，通过调查研究，总结工程中存在的相关问题，提出合理化建议。

　　关键词 :紫外线消毒,余氯,多屏障组合式消毒

　　自20世纪初发现氯可以灭活水中的致病微生物后，氯消毒在给水处理中得到广泛应用，成为20世纪保护人类健康的重要技术进步之一。但是，随着社会的发展，传统的消毒方式面临新的严峻挑战。主要有几方面的问题，一是饮用水中存在抗氯性致病微生物，最典型的就是隐孢子虫和贾第鞭毛虫(俗称“两虫”)，二是消毒副产物的问题，主要指三卤甲烷(trihalomethanes，THMs)、卤乙酸(haloacetic acids，HAAs)、溴酸盐等，三是公共安全问题，主要指消毒用的液氯在生产、运输、储存和使用过程中都有泄漏的风险。

　　2007年我国开始实施的《生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)》对消毒相关的水质指标提出了十分严格的要求，包括细菌学指标、“两虫”、消毒副产物和消毒剂余量。紫外线作为一种非化学性消毒技术，由于其消毒较好的广谱性以及不产生消毒副产物，近十年来在欧洲，北美等发达国家得到快速应用。

　　我国在2009年完成了国内第一座与净水工艺同时设计和投入生产的饮用水紫外线消毒示范工程——天津开发区净水厂三期工程(15万m3/d)，目前国内还有上海临江水厂(60万m3/d)、天津开发区净水厂一二期工程(17.5万m3/d)、济南玉清自来水深度处理工程(21万m3/d)以及大庆自来水项目(5万m3/d)已经正式使用紫外线消毒工艺。国外应用紫外线消毒的水厂有加拿大维多利亚水厂(58万m3/d)、美国西雅图水厂(68万m3/d)、荷兰PWN Andijk 水厂(10万m3/d)、荷兰Berenplaat水厂(47万m3/d)、纽约Catskill/Delaware水库(830万m3/d)等均采用了紫外线消毒工艺。

　　国内饮用水源的不断污染、恶化以及新的饮用水卫生标准的实施，也让我们对当前饮用水的质量产生担忧，由于任何一种消毒工艺都有其自身的局限性,下面就对各种消毒工艺做出比较，列举部分已实施紫外线消毒工艺的工程实例，并提出相关存在问题和建议。

　　1目前常用的消毒方法

　　1.1氯消毒和氯胺消毒

　　氯消毒主要是通过次氯酸的氧化作用来杀灭细菌，对于水中的病毒、寄生虫卵的杀灭效果较差，其主要问题就是活性氯与水中的有机物反应生成消毒副产物，如三卤甲烷和卤乙酸等，另外采用氯消毒的口感比采用其他消毒剂差。

　　氯胺消毒机理一般认为与氯消毒相同，但其能够减少消毒过程中的THMs的产生，且在管网中的持续时间更长，在控制管网中细菌的再次繁殖和生物膜也比氯更为有效。

　　氯和氯胺消毒的共性是对水中的贾第鞭毛虫和隐孢子虫的去除效果非常差。

　　1.2二氧化氯消毒

　　二氧化氯是一种强氧化剂，对细菌的细胞壁有较好的吸附和穿透性能，可以有效地氧化细胞酶系统，快速控制细胞酶蛋白的合成，因此在同样的条件下，对大多数细菌表现出比氯更高的去除效率。

　　由于生产二氧化氯的工艺均会产生一定量的自由氯，故采用二氧化氯消毒仍然存在着产生含氯有机消毒副产物的可能，只是浓度比液氯低得多。二氧化氯消毒所产生的主要消毒副产物为亚氯酸盐和氯酸盐，它们对人体健康有潜在的危害。

　　1.3臭氧消毒

　　臭氧消毒工艺的优点比较明显，对致病菌尤其是耐氯的隐孢子虫和贾第鞭毛虫在低投加量的情况下就能够达到很好的杀灭效果，消毒后水的口感明显好于氯消毒水。臭氧消毒所要解决的主要问题是消毒副产物(甲醛和溴酸根离子)的控制问题，另外臭氧的生产设备庞大、造价高、流程复杂，需要较高的运行管理水平，同时臭氧易分解，单独采用臭氧消毒难以保证持续的杀菌效果，容易产生细菌的增值问题。

　　1.4膜消毒

　　膜消毒是将细菌从水中隔离出来，从而可以有效防止水中的死细菌再次成为热源。其优越性主要有：处理后的水质优良，不需要消耗化学药剂或仅需要少量的化学药剂，低能耗，低运行费用，消毒效果不受原水水质影响，出水水质稳定等等。膜消毒存在的主要问题是膜的堵塞问题，膜的完整性破坏后滤后水质变坏问题等。

　　1.5紫外线消毒

　　利用波长为250～270nm电磁波，改变两种重要的遗传物质DNA和RNA内含氮的杂环物质，在相邻的核苷之间产生新建，形成二聚物，这种作用导致微生物不能进行自我复制，从而达到消毒的目的。

　　紫外线消毒技术的优点比较明显，在很低的消毒剂量和很短的停留时间的条件下，就能够有效杀灭致病菌，消毒后的水中不会产生消毒副产物。

　　紫外线消毒所面临的主要问题就是消毒后的水中无余氯作用，在管网内细菌容易重新繁殖，从而造成二次污染。

　　2采用紫外线消毒工艺的工程实例

　　2.1 加拿大维多利亚Japan Gulch水厂

　　维多利亚是加拿大省会城市，也是北美著名旅游胜地，位于风景秀丽、气候温和的温哥华岛上。Japan Gulch水厂处理规模约58万m3/d，是BC省第二大市政水厂，服务人口约为32万。该水厂原水水质很好(浊度小于1 NTU)，只有消毒工艺，水厂改造前采用氯胺消毒，消毒目标为病毒99.99%的去除率，运行中出厂水总余氯维持为1mg/L。1994年10月至1995年5月间，温哥华岛上报告了100多起因饮用水中的弓形虫引起的寄生虫传播急性病例，并大约有2900 – 7000居民受到感染。政府于1995年时开始考虑对Japan Gulch水厂实施更为严格的消毒标准以提高水安全性，要求水厂对病毒、贾第鞭毛虫、隐孢子虫的去除率分别达到99.99%、99.9%、99%，原有工艺不能满足新的消毒目标，因此提出三级多屏障组合式消毒工艺：第一级为紫外线，主要用于控制寄生虫，第二级为氯，主要用于控制细菌和病毒，第三级为氯胺，主要用于保证管网余氯，通过多屏障消毒策略来提高微生物消毒的广谱性，从而保证供水的安全性。

　　该水厂设计峰值流量为58万m3/d，水体最低紫外透光率为85%;紫外剂量>40mJ/cm2。

　　2.2美国西雅图Cedar水厂

　　Cedar水厂是西雅图市两座水厂之一，由西雅图公用事业局管理，处理规模为68万m3/d。1992年，西雅图市严重缺水，Cedar厂原水水质的11项指标中大肠菌群超标，为使 Cedar水厂实现隐孢子虫99.9%的去除率、贾第鞭毛虫99.99%的去除率和病毒99.999%的去除率，最终选择臭氧和紫外线多屏障组合式消毒工艺，其中臭氧分工用来去除99.99%的贾第鞭毛虫，99.999%的病毒，同时用来解决由于藻类引起的季节性嗅味问题;紫外分工用来去除99.9%的隐孢子虫，并对细菌和病毒控制，提供2级消毒屏障。臭氧与紫外的投加量或剂量根据这一分工原则制定，紫外消毒工艺剂量定为40mJ/cm2，水体紫外透光率为90%。

　　2.3荷兰PWN Andijk 水厂改造

　　位于荷兰北部的Andijk水厂是荷兰PWN水务旗下饮用水厂之一，处理规模约10万m3/d，服务人口近50万。该厂从由莱茵河灌注的Ijssel湖水取水，原有处理工艺为混凝→沉淀→砂滤→活性炭→液氯 ，执行欧盟的饮用水标准。由于工业和农业活动，Ijssel湖水中的杀虫剂和除草剂等指标超出了欧盟的标准，即单项指标不得超过0.1ppb, 综合指标不超过0.5ppb。 为此，2004年对该水厂进行改造，改造后的工艺为：混凝→沉淀→砂滤→紫外+双氧水→活性炭→二氧化氯。其中紫外+双氧水在去除化学污染物的同时也作为主消毒工艺，二氧化氯则用来保持管网生物稳定性。该水厂采用中压紫外灯设备，水体紫外透光率为80%，剂量500mJ/cm2(紫外深度氧化处理的所需能量一般要比常规消毒高一个数量级)，对杀虫剂和除草剂的去除率为80%。Andijk水厂通过对改造后水质的检测，农药的去除率达到了设计要求。

　　2.4 荷兰鹿特丹Berenplaat水厂

　　Berenplaat水厂于1966年投产使用，处理规模约为47万m3/d，是荷兰最大的饮用水厂。水厂改造前工艺主要是微孔过滤、次氯酸钠消毒、混凝及毯式过滤澄清、活性炭快速过滤然后补次氯酸钠。

　　由于荷兰政府法规规定从2006年1月起将禁止使用氯消毒作为主消毒手段，Berenplaat水厂决定采用紫外消毒作为氯消毒的取代方案。改造方案在以紫外线消毒取代次氯酸钠作为主消毒手段的同时，并进行了其它工艺改造以提高水厂整体工艺可靠性，并设定目标将水中的三卤甲烷由30 - 50μg/L降为25μg/L以下。紫外主消毒工艺设计参数为：峰值流量47万m3/d，水体紫外透光率90%，剂量为70mJ/cm2。

　　2.5天津开发区净水厂三期工程

　　天津开发区净水厂位于天津市滨海新区核心区西北侧，处理总规模为32.5万m3/d，分三期建设。其中一二期工程共17.5万m3/d，采用氯消毒工艺;三期15万m3/d，采用紫外线和氯多屏障组合式消毒工艺。三期工程紫外线设备总功率70.5KW，采用低压高强灯管6支，灯管寿命>9000h，光电转化效率>15%，剂量>40mJ/cm2。

　　2.6上海临江水厂

　　上海临江水厂位于上海浦东新区南部，原水取自黄浦江上游，设计总规模60万m3/d，采用常规处理工艺，2005年启动深度处理工程，增设了预臭氧、中间提升、后臭氧、活性炭吸附和紫外线消毒工艺设施。消毒工艺采用紫外线和氯胺多屏障组合式消毒工艺，紫外线选用低压高强紫外灯消毒系统，共4套，并联运行，近期每套5组灯组，每组12根，剂量27 mJ/cm2，控制总大肠杆菌和“两虫”，节省初期投资和运行费用;远期7组灯组，剂量40 mJ/cm2，去除几乎所有细菌，进一步提升水质。

　　3相关研究和存在问题

　　3.1紫外线剂量与余氯的关系

　　有关研究表明，采用紫外线联合氯消毒工艺时，当紫外线剂量低于40mJ/cm2时，紫外线照射对氯衰减的速度影响较小;而当紫外线剂量高于40 mJ/cm2时，氯衰减的速度加快。在实际应用紫外线消毒时，将紫外线剂量控制在40 mJ/cm2以下可以降低氯在水中的衰减速度，在维持管网相同氯浓度情况下，降低紫外线的剂量可有效降低氯投加量。由于现有水厂采用的紫外线剂量多为40 mJ/cm2，在此剂量下，不会影响氯的衰减速度，因而在采用紫外线联合氯消毒时，如降低投氯量，可能不能有效保证给水管网中的余氯量。

　　3.2紫外线强度与余氯衰减的影响

　　采用紫外线联合氯消毒工艺时，在相同紫外线剂量下，紫外线强度会影响紫外线的消毒效果，随着紫外线强度的增加，氯的衰减速度加快。不同紫外线强度的照射可能对水中有机物性质产生不同影响，高紫外线强度对有机物性质的改变较大，使其更容易与氯发生反应，而使耗氯量增大。因而在实际应用中，采用低紫外线照射强度有利于保持管网水中的余氯浓度。

　　3.3缺乏紫外线影响因素的综合研究

　　紫外线消毒效果的影响因素很多，国内外对紫外线杀菌效果的单一影响因素研究很多，而对多种因素综合影响的研究却很少，这将导致选择紫外线消毒时有不合理性，造成能量及资金的浪费或消毒效果不合格，因此，需要进一步可靠的研究，确定不同情况下适宜的紫外线辐射剂量，通过调整紫外线灯管的输出功率来精确控制紫外线剂量，不仅可以节省能耗和运行费用，同时也可以延长灯管的更换周期。

　　3.4缺乏对单一菌种灭活的研究

　　微生物种类是影响紫外线消毒效果的主要因素之一，不同种类的微生物对紫外线照射的敏感性各异。目前对单一菌种的灭活情况研究还不够，尤其是水中发现的特殊原生动物(如梨形鞭毛虫、隐孢子虫属等)，其灭活的最佳辐射剂量还有待于进一步研究。

　　3.5微生物光复活的条件研究不够

　　微生物被紫外线损失后，与光接触一段时间后会发生光复活现象。目前，对光复活的机理和条件研究得很少，需要更进一步的可靠研究，从而确定合理的紫外线辐射剂量以避免光复活现象的发生。

　　3.6灯管表面结垢和水中污染物均会影响消毒效果

　　紫外线灯管表面结垢会极大地影响紫外线的消毒效果。水中的各种悬浮物及溶解性有机物和无机物都会造成灯管表面结垢，如硬度会影响吸收紫外线的金属离子的溶解度，从而导致碳酸盐沉积于灯管上，腐殖酸类和铁离子会强烈吸收紫外线，pH值会影响金属离子和碳酸盐的溶解度，SS会吸收和阻挡紫外线并包裹细菌，从而使紫外消毒效果大大折扣，因此，应在前段处理工艺中尽可能降低水中悬浮物、有机物和无机物的含量。

　　3.7国产紫外线灯辐射强度少、寿命短，市场混乱

　　紫外线光源的选择是决定紫外线消毒器处理水效果的关键问题之一，目前国产的紫外线低压汞灯功率一般为30～40W，强度为0.9～1.0W/m2，有效寿命一般为1000～3000h。与国外相比，使用国产的低压汞灯的消毒器会增加运行及维修费用，同时由于国内制造紫外线消毒设备的技术水平也参差不齐，缺乏相关技术标准文件，导致在市政污水紫外线消毒中出现了市场混乱局面，这大大损害了紫外线消毒技术的推广应用，也制约了我国紫外线消毒技术的发展。

　　4结语

　　饮用水微生物学安全性是与人民健康密切相关的重要问题，是饮用水安全供水的首要任务，消毒是承担这一任务的主体处理单元。要充分认识到提高消毒效率的重要性，坚持水质安全优先的原则。安全消毒技术需要平衡提高消毒效率、减少毒副产物产生和保障消毒系统的安全性这三方面需求。单一的紫外线消毒工艺有其自身的缺点，不能满足给水处理的需要，而紫外线多屏障组合消毒工艺能够满足安全消毒技术各项要求，但是由于各种紫外线组合消毒工艺有着各自的应用范围和特点，国内外对此方面的研究却不多，因此，需要投入更多的研发力量，对紫外线多屏障组合消毒技术的特点和优缺点充分研究，特别需要认真研究工程应用中已经和可能碰到的问题。针对不同原水水质和处理标准，应采取最适合的紫外线组合消毒工艺，选取合适紫外线消毒剂量和强度，在达到最佳的消毒效果的同时，尽量减少运行费用和后期维护费用。此外，还应加强监管，制定相关技术规程，规范设备生产的各个环节，大力研发国产的紫外线消毒设备，避免不合格的紫外线消毒设备进入饮用水市场。

　　随着生活水平的提高，人们对饮用水的水质要求也越来越高，紫外线消毒工艺在国内外给水处理系统中的应用前景广阔。

　　参考文献

　　【1】王宝贞，王欣泽，李冰，张广群.优质饮用水消毒方法

　　【2】吕东明.紫外线技术在给水深度处理中的应用

　　【3】徐志通，王颖.饮用水的紫外线消毒

　　【4】紫外线消毒技术在给水处理中的发展历史及应用现状

《紫外线消毒工艺在给水处理中的应用》

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