紫外线在水处理中的应用及原理

2015年07月16日

    随着水污染的加剧,传统的净水工艺已经不能适应水质的恶化;另一方面,人们对水中的污染物及其对人类健康的影响的认识也越来越深,新的饮用水标准的出台就说明了这一点。由此可见,加快新的水处理技术和工艺的研发已经是迫在眉睫的事情。而在消毒方面,氯消毒由于其使用方便,价格便宜等优点而被广泛使用,但其一旦与水中的有机物结合,将产生大量的致癌有机卤化物(如三卤甲烷,THMS)。紫外线由于其高效、低成本,而且对环境无害,不会产生二次污染而被广泛关注。

    紫外线是在波谱中位于X射线与可见光之间的电磁波。紫外线杀菌是通过破坏微生物遗传物质DNA,干扰其复制和转录,使其失去繁殖能力进而对其灭活的。自1910年Cernovedeow和Henvi第一次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒,紫外线技术在水处理领域得到了快速发展。在欧美许多国家的水处理厂中,紫外线消毒被广泛采用。如在芬兰的赫尔辛基,处理能力达310万m3/d的紫外线消毒装置已在一家企业投入使用。美国已将紫外消毒工艺自来水消毒的最佳消毒方式写入供水法规中。

    1.1紫外线技术在给水处理中的应用

    在给水消毒技术中,氯消毒法因其使用方便、价格便宜等优点而被广泛应用,但其存在着严的二次污染问题,即水中的余氯和水中的有机物发生反应而产生具有致畸、致癌、致突变作用的卤代烷等副产物。同时在研究中发现二氧化氯,臭氧消毒技术的安全性也颇具争论,因此,给水中的消毒问题始终是一个难以解决的问题。与传统的技术相比,紫外线消毒法具有诸多优点。

    1.1.1紫外线消毒的优点

    (1)杀毒效率高

    紫外线杀菌消毒技术具有其他消毒技术无法比拟的杀菌效率,杀菌效率高达99%以上,而且杀菌时间非常短,例如对霉菌孢子、水藻等几类常见细菌病毒的杀菌时间在一秒之内,而传统的氯气、臭氧等化学消毒方法要达到紫外线的杀菌效果需要半小时到一个小时左右。紫外线消毒技术在杀菌上有明显的优势。

    (2)不产生二次污染

    从理论上讲,通过加入化学试剂来达到净水目的,或多或少都会对水质产生负面影响,例如采用氯、氯胺、二氧化氯和臭氧消毒都会对水质安全性产生影响。紫外线消毒不向水体中加入任何化学药剂,因此它不会对水体及其周围环境造成二产污染。

    (3)无生物免疫力

    紫外线杀菌技术与化学杀菌不同,它不会使生物体产生免疫力。它只是简单的破坏DNA链状结构的分子键,使细胞在有丝分裂的时候无法进行DNA的复制。传统的消毒技术如氯化物消毒或臭氧消毒,长期使用会使生物体产生免疫力,从而使消毒效果下降。

    (4)广谱性

    紫外线杀菌技术与其他消毒技术相比,有很好的杀菌广谱性。它几乎对所有的细菌,病毒都能高效率的杀灭,同时对一些对人类危害极大,而氯气以至臭氧无法或不能有效杀灭的寄生虫类(如隐性包囊虫cryptosporidium,贾第鞭毛虫giardia等)都能有效杀灭。

    (5)其他优点

    与传统的消毒方式相比,紫外线还具有运行安全性高、运行维护费用低、安装操作简便、占地小、可以连续大量消毒等优点。

    1.1.2紫外线消毒在给水中的发展

    基于紫外线以上优点及传统工艺的缺陷,紫外线消毒技术在给水领域得到了广泛的应用。在紫外线对自来水中微生物的灭活作用试验中,分别选取大肠杆菌和枯草芽孢杆菌代表自来水中易被灭活和不易被灭活的微生物,结果表明:紫外线对大肠杆菌有良好的灭活作用,当紫外剂量为10mJ/cm2时,其灭活效果可以达到4.66个对数级;紫外线对枯草芽孢杆菌灭活效果明显高于氯,紫外剂量为40mJ/cm2时,对枯草芽孢杆菌的灭活率可达3.3个对数级。

    紫外线降解藻毒素试验表明:紫外线可降解藻毒素,降解效果与光强、时间有关。紫外线消毒作为城市给水的预处理工艺是可行的,试验中出水的除藻率为88.7%,且经过紫外线预处理后的原水,其CODMn有所降低。

    新的饮用水标准较之前的标准增加了71项水质指标。其中微生物指标增加了对贾第鞭毛虫、隐孢子虫的检测和限值,标准规定每10L水中,贾第鞭毛虫、隐孢子虫的限值为<1。隐性包囊虫和贾第鞭毛虫是传统的氯气消毒以至臭氧消毒不能有效杀灭的寄生虫类,而紫外线能够有效杀灭隐性包囊虫和贾第鞭毛虫。

    为了能更加充分地利用紫外能量,李丽艳等人依据节能思想设计出一种饮用水紫外线消毒器,其与商用消毒器相比,节能效果明显,是商用消毒器的2倍。这为我们在紫外消毒节能方面的研究提供了方向。

    1.1.3紫外线消毒在给水中的具体应用

    在欧洲目前已有2000多座饮水处理厂采用紫外线进行消毒,在西欧的奥地利、荷兰、挪威和瑞士,紫外线辐射消毒是饮用水生产的唯一方法;在英国,饮用水紫外线消毒装置的使用尤其广泛,其中世界上最大的饮用水紫外线消毒装置(处理量达66000m3/d)就在英国的伦敦;在自来水中检测出隐孢子虫属后,美国和加拿大已UV消毒列为用水终端、用户进水端及小型给水系统的首选方法。

    近些年来我国也有一些水厂采用或计划采用紫外线进行自来水的消毒。紫外线消毒技术在小型供水系统中应用的较多,如北京“欧陆经典—万兴苑”小区饮用净水工程等一些高建筑中都采用紫外线消毒器处理水,从而防止高位水箱的二次污染。在一些集团(如办公楼,宾馆,饭店等)或家庭用的小型净水器中也常见紫外线消毒装置,此外一些随身可携带临时用紫外线杀毒装置在市场上也很常见。

    1.2紫外线技术在污水处理中的应用

    基于紫外线的杀菌原理,从理论上分析将其应用于城市污水处理中是可行的。在1965年和1969年,加拿大某省水资源委员会对于紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用及其对受纳水体的作用作了研究和评估。其他研究人员也对紫外线的消毒效果、影响因素、消毒副产物以及技术经济可行性进行了大量研究工作。研究结果表明,紫外线应用于污水消毒是可行的,其效果可达到氯消毒的效果,甚至更好,且无毒副作用,不产生消毒副产物。

    美国ViliageCreek污水处理厂采用了紫外线消毒技术,其每天可对136万m3 CSO污水进行消毒。该紫外线消毒系统是目前世界上最大污水消毒系统。

    1999年香港石湖墟污水处理厂投入运行,该厂规模24万m3/d,紫外消毒后粪大肠杆菌小于1000个/100mL。2001年8月13日,黄浦江上游的上海闵行水质净化厂引进了我国第一套大水量紫外线污水消毒处理设备,从而改变了过去单纯使用氯气对污水进行消毒易造成二次污染的状况。最近几年,深圳市龙岗大工业区污水处理厂(5.6万m3/d)、上海长桥污水处理厂(2.2万m3/d)、上海松江北区污水处理厂(8万m3/d)、无锡新区污水处理厂(3万m3/d)、苏州新区第二污水处理厂(4万m3/d)和上海龙华污水处理厂(10.5万m3/d)等都采用紫外线消毒系统。

来源:上海冬翼光电有限公司

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