紫外线杀菌技术在石化工业水处理中的应用

2018年06月19日

1、工业水中微生物的产生和危害

石油化工中的工业水系统一般是指饮用水、工艺水、循环水、脱盐水、锅炉水、蒸汽冷凝液、污水处理及回用等系统。为保证以上工业水能满足生产装置和生活的需要一般都要进行不同的工艺处理使工业水的结垢倾向、腐蚀程度、微生物和污染物数量达到合理的水平,特别是饮用水、循环水、污水回用系统对微生物的控制尤为重要。

微生物是指各类非常小的单细胞生物一般肉眼看不见需要用显微镜才能看见。它们利用自然界中各种养料繁殖迅速极快。微生物的种类极其繁多在自然界分为细菌、真菌、藻类及原生动物四大门类这些门类的微生物在以上所述的饮用水、循环水、污水系统都能存在。

饮用水由于容易受到地上、地下污染物的污染导致细菌和大肠杆菌超标。因此饮用水的杀菌消毒是水处理过程中最重要的环节是控制致病微生物传播的最主要的手段其目的是阻止病原微生物进入人体。

在循环水系统中有效控制微生物滋生、防止设备结垢和腐蚀成为循环水的三大难题。循环水系统的环境极有利于细菌、真菌、藻类及原生动物等微生物生长繁殖因为它不仅具备阳光、空气、水三个基本要素而且温度、pH值也都极适合微生物生存特别是循环水中含有有机和无机营养物再加上循环水浓缩之后营养物浓度也相应浓缩了。此外某些工艺物料的泄漏和加入的药剂也可能是营养物。例如工艺泄漏的氨氮加入的磷系药剂含的磷都是菌藻的重要营养物。在循环水系统中由于水的循环使出水又返回系统即使有部分排污水微生物也难以排出。因此即使微生物不生长繁殖随着浓缩倍数的升高微生物的数量也会成倍增加。如果补充水是很清洁的水细菌总数一般每毫升约为102-103将其加入循环水系统中如不严格杀菌即使浓缩到2-3倍细菌总数也完全可能增长到每毫升104-105如果是在夏季循环水补水使用中水的情况下微生物在短时间内将成几数量级爆发。

在循环水中的微生物群体及其分泌物可以形成胶粘状物的粘泥粘泥为污垢的一部分是由微生物形成的软垢。粘泥的危害①粘泥附着影响传热使换热器污垢热阻增加换热效率大大降低②附着的粘泥还使化学处理药剂与设备隔绝使缓蚀阻垢剂发挥不了作用③粘泥附着形成垢下缺氧而产生电化学腐蚀既垢下腐蚀。因此微生物的危害在循环水系统中是很严重的与水垢、电化学腐蚀比起来其危害更胜一筹。事实上每个循环水用户每年要花费大量的精力和财力添加大量的化学杀菌剂来控制微生物达到一定的水平。

由于石油化工生产的特点化工装置排放的污水和循环水一样有利于细菌、真菌、藻类及原生动物等微生物生长繁殖特别是石油化工污水中含有丰富的有机和无机营养物因此污水中微生物非常丰富尤其在夏季更加明显据化验分析细菌总数一般在每毫升数百个至数万个。为了节水减排很多石油化工装置的达标污水经过适度处理后回用于循环水系统或经过除盐装置处理后作为更优质的水使用。在污水回用装置中如不严格杀菌如此高数量级微生物的污水将会对循环水系统和除盐装置中的超滤、反渗透、电渗析等系统产生严重污堵影响污水回用装置的正常运行。一般来说每天处理10kt规模的污水回用装置每年杀菌剂费用可达百万元。对于采用双膜法的污水回用装置由于氧化性杀菌剂的投加还要在反渗透膜前投加还原剂消除水中的余氯以保护反渗透膜的安全同时投加的杀菌剂还会对反渗透膜造成压力。

2工业水杀菌的方式

如上所述微生物对工业水系统正常运行带来极大的危害。完全消灭水中的微生物技术上不可能经济上也极不合理。因此只需将其控制在合理的水平之内。工业水杀菌消毒的主要方法可分为两大类即化学消毒法和物理消毒法。

2.1化学消毒法

化学消毒法是向饮用水、循环水、污水回用系统中投加有机或无机的化学药剂—杀菌剂杀死或抑制微生物的繁殖从而达到控制微生物的目的。各种杀菌剂以各种方式杀伤微生物有的能穿透其细胞壁破坏细胞体内的蛋白质使微生物死亡有的能破坏微生物中的酶使微生物的新陈代谢失调从而使微生物窒息死亡或抑制繁殖有的阳离子表面活性剂能减少细胞壁的可透性影响微生物吸收营养物及体内的废物的排泄使微生物死亡。目前国内一般采用的化学消毒方法有加氯消毒二氧化氯消毒臭氧消毒等。化学消毒法操作得当其杀生率可达90%以上。化学消毒的缺点::

(1)产生副产物且有局限性。氯消毒是用得最多的常规消毒方式研究表明氯是致癌、致畸、致突变的“三致”物质用于饮用水消毒对人体健康和生态安全的影响极大同时氯消毒对部分致病微生物如隐孢子虫、贾第虫不能杀灭其消毒效果也有局限性。臭氧消

毒最新研究也有产生次生污染的问题且不能持久维持杀菌能力并且臭氧制备的设备投资及能耗比较高。

(2) 有安全隐患。二氧化氯消毒虽然可避免产生次生污染物但二氧化氯与空气接触易爆炸不易运输所以需现场制备为此现场制备设备应采用成套设备要求管理和操作有严格安全措施。

(3) 成本高对水质影响大。杀菌剂一般为间歇和连续投加方式容易造成杀菌剂投加量不均匀使水中微生物控制不平稳水质变坏另外由于微生物的抗药性投加的杀菌剂量要逐渐增加特别是工业中水用于夏季循环水补水情况下异养菌数量会增长很快需要临时投加大量杀菌剂控制微生物同时还要使用大量的水进行置换来降低循环水的浊度。大量投加杀菌剂不仅费用高而且余氯升高会造成设备腐蚀特别是对铜材制设备容易造成脱锌同时会限制浓缩倍数的提高。据统计在循环量10kt/h左右、使用工业中水50%的循环水系统中循环水杀菌剂年费用近百万元如此高的费用有可能造成中水回用很不经济。

(4) 对污水处理系统有副作用。对于循环水排污到污水生物处理的场合大量的杀菌剂必将导致污水生化系统效率下降增加环保压力。

2.2物理消毒法

紫外线消毒是唯一不会产生消毒副产物、不会造成二次污染、杀生率高的物理消毒法

紫外线是波长介于200-380nm的电磁波其中200-280nm一般称UVC或紫外C为消毒波长范围。用于工业水消毒的紫外线是人工产生的它是在电弧激发下由金属蒸汽释放的波长为254nm左右的电磁波。其杀菌原理是紫外线穿透生物的细胞膜破坏微生物的基因构造抑制其繁殖从而导致其死亡。与传统的化学消毒相比紫外线消毒有下列优点

(1) 不产生副产物、无二次污染。紫外线杀菌不加入任何化学药剂不改变水中任何成分和化学特性因此它不会对水体和周围环境产生二次污染不产生对人体和生态有毒、有害的副产物。

(2) 广谱、高效。紫外线杀菌的广谱性是最高的它对几乎所有的细菌、病毒的灭杀率都能达到99%以上特别是对抗氯性的致病微生物隐孢子虫包囊和贾第虫卵囊有特效消毒作用。同时紫外线杀菌还避免了由于投加氯气、二氧化氯、次氯酸钠等氯系杀菌剂造成的循环水中氯离子的大幅提高有利于提高浓缩倍数。

(3) 安全、可靠、稳定。与传统化学消毒法相比紫外线消毒不存在安全隐患不增加AOC、BDOC等损害饮用水管网水质生物稳定性的副产物同时能降低嗅、味和分解微量有机污染物全面提高水质。另外紫外线消毒受水温、pH等因素影响小、效果稳定。

(4) 占地面积小、结构简单投资回报率较高。紫外线杀菌器投资较少用于消毒的电耗很低吨水电耗仅为0.012-0.015kWh用于循环水和工业中水回用系统中一般在两年半可收回投资。同时由于紫外线消毒器构造简单只需要很小的占地面积。

紫外消毒的缺点是离开紫外线消毒后水中不能保持杀菌能力。对于这个问题常常是采用在消毒后再向水中补充部分余氯但此时投量可明显减少。

由于紫外线具有以上优点90年代以来在发达国家得到极大推广应用。目前美国、加拿大、欧洲等发达国家十分重视紫外线消毒技术的研发和应用推广。紫外线及其组合工艺在发达国家正在被广泛应用于污水处理、饮用水处理、中水回用处理、远洋船舶压载水处

理、油田回注水消毒和游泳池水处理等系统的消毒技术单元同时也逐渐在纯水制备、室内

空气净化和其它水处理行业消毒中得到应用。在国内自2003年以来紫外线消毒技术的应用

尤其在水处理行业得到快速发展2004年仅污水处理行业国内紫外消毒市场就实现一个亿左右的销售额紫外线的市场需求正在以每20%-50%速度增长。据不完全统计目前国内紫外线杀菌成功的实例见表1。

1国内紫外线杀菌技术应用实例

应用地点

处理量/kt·d-1

深圳市龙岗大工业区污水处理厂

56

上海长桥污水处理厂

22

上海松江北区污水处理厂

80

无锡新区污水处理厂

30

苏州新区污水处理厂

40

上海龙华污水处理厂

105

天津石化中水装置在建

10

苏州市城市水厂

50

大庆东风自来水厂

50

天津泰达自来水厂

320

北京丰台水务局首钢建材厂自来水厂

30

上海临江自来水厂在建

40

3工业水紫外线杀菌的可行性

3.1紫外线杀菌的技术可行性

技术可行性是指被实施杀菌的工业水应具备一定的紫外线透光率。研究表明当工业水的浊度小于15NTU时紫外线透光率可达85%以上如果此时在20mj/cm2时紫外线剂量下经过1-2s即可达到生物灭杀率99%以上。石油化工的工业水系统基本均能满足紫外线杀菌的条件如饮用水、排放污水、污水回用中的中水浊度均小于3NTU循环水浊度一般小于15NTU并且循环水场设计的水循环一周时间小于1.5h可以实现反复、连续的杀菌效果。紫外线杀菌实验室试验也证明该技术的可行性。

2010年1月1日清华大学某实验室在天津分公司某循环水吸入池中取水样然后在实验室进行了紫外线杀菌试验结果如下

取样地点循环水泵入口

取样时间2010-01-01T0925

试验结果:水样浊度5.11NTU

紫外剂量/mj.cm-2

0(原水)

20

40

细菌总数/个.mL-1

105

26

3

实验表明在紫外剂量20mj/cm2紫外线杀菌去除率为99.9%以上。

2010年1月1日清华大学某实验室在天津分公司某污水回用装置超滤膜前取中水样(未加杀菌剂),然后在实验室进行了紫外线杀菌试验结果如下

取样地点超滤前水池

取样时间2010-01-01T0912

试验结果:水样浊度2.61NTU

紫外剂量/mj.cm-2

0(原水)

40

60

80

细菌总数/个.mL-1

360

1

0

0

实验表明在紫外剂量40mj/cm2下紫外线杀菌去除率为99.7%以上。

3.2紫外线杀菌的经济可行性

紫外线杀菌的经济效益和由此带来的综合效益是显著的以饮用水、循环水和污水紫外线杀菌为例:

对于饮用水采用紫外线杀菌经济效益是次要的主要是考虑“饮水安全”。

对于循环量10t/h左右的循环水系统采用投加二氧化氯杀菌剂每年约需要90t费用126

万元采用紫外线杀菌每年可以节约药剂费100万元扣除每年紫外线运行费36万元

年净节约64万元以上三年可收回投资。同时由于紫外线能实现反复、连续杀菌方式能使循环水中微生物稳定控制每毫升在50个左右水平使循环水由原来腐蚀、结垢、微生物控制的“三元一次方程式”变成了重点控制腐蚀、结垢的“二元一次方程式”。由此带来的设备长周期运行、节水减排、减少对污水场的冲击等综合效果是传统杀菌方式无法比拟的

对于每天处理10kt能力的双膜法中水装置每年用于杀菌的二氧化氯和还原剂费用超

80万元采用紫外线杀菌每年可节约药剂费60万元以上扣除每年紫外线运行费16万元两年可收回投资同时还可以起到延长超滤、反渗透膜的运行寿命和提高中水装置运行周期等效果。

3.3紫外线杀菌的注意事项

(1)为保证杀菌效果工业水介质要全部通过紫外线杀菌器。另外紫外线杀菌器内部的紫外线灯管长时间浸泡在水中容易产生粘泥降低透光率影响杀菌效果。因此紫外线灯管外部要安装自动清洗系统。

(2)紫外线用于饮用水杀菌时紫外线杀菌器的安装要尽量靠近用户端防止杀菌后的二次污染。

(3)紫外线杀菌用于循环水时紫外线杀菌器最好安装在循环水泵的出口或入口处这样可以减少杀菌后的二次污染。但是对于大循环量的场合由于循环水泵进出口管线直径很大加之空间狭小使紫外线杀菌器安装十分困难这种情况下可以安装在每间凉水塔的进水管线上。这种方式的弊端是杀菌后的循环水在凉水塔内和空气接触有被细菌污染的可能但是此方式的优点是不停车可以实施非常便于施工。

综上所述紫外线杀菌应用于饮用水、污水、循环水等石油化工工业水系统中技术可行、性价比高、综合效益显著具有极大的发展潜力特别是在循环水系统中紫外线杀菌具有反复、连续杀菌的功能更适合采用该技术。

来源:上海冬翼光电有限公司

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