王太豪 李國偉

摘要：紫外線污水消毒技術(shù)在國外經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為成熟可靠、投資效益較高的綠色環(huán)保技術(shù)，在世界各地各類城市污水的消毒處理中得到日益廣泛的應(yīng)用，成為替代傳統(tǒng)加氯消毒的主流工藝技術(shù)。在國內(nèi)，自2005年為解決非典型性肺炎疫情期間的消毒問題，國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的緊急通知中將紫外線消毒作為除加氯和臭氧消毒外的另一種有效的消毒滅菌技術(shù)方法以來，紫外線消毒在也成為了國內(nèi)主流的市政污水消毒技術(shù)。下面結(jié)合紫外線消毒在河南省某市污水處理廠的應(yīng)用實(shí)例，介紹紫外線消毒在市政污水處理廠中的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 紫外線 消毒 標(biāo)準(zhǔn) 清洗 應(yīng)用 運(yùn)行成本

一、紫外線消毒消毒技術(shù)概述

從1878年人們發(fā)現(xiàn)了自然界中太陽光中的紫外線具有殺菌消毒作用，直到在1901年和1906年先后發(fā)明了水銀光弧這種人造紫外光源。后來在發(fā)現(xiàn)了石英材質(zhì)燈管傳遞紫外光性良好后，法國馬賽的一家自來水廠很快在1901年首次將紫外線消毒工藝使用在水的消毒上面。然而，真正引起水處理業(yè)內(nèi)對紫外線消毒技術(shù)的濃厚興趣則始于上世紀(jì)60年代中期，到了20世紀(jì)70年代至80年代初對紫外線消毒在城市水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的早期技術(shù)儲備，這主要是由于當(dāng)時人們已認(rèn)識到被廣泛使用的加氯消毒工藝中余氯的毒副作用，可導(dǎo)致對其受納水體中大量魚類等生物死亡，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了氯消毒等化學(xué)消毒方法會產(chǎn)生致癌、致畸、致基因突變的“三致”消毒副產(chǎn)物。這些促使人類尋求一種更安全的消毒方法——紫外線消毒法。到20世紀(jì)80時年代末，加拿大、美國首先應(yīng)用，尤其是當(dāng)科學(xué)家們證實(shí)了紫外線消毒技術(shù)是殺滅“兩蟲”最有效的手段后，紫外線消毒技術(shù)在90年代迅速發(fā)展并逐漸成熟。紫外線消毒技術(shù)成為安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、健康環(huán)保的水處理方式。

二、某市污水處理廠的紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南省某市污水處理廠設(shè)計(jì)建設(shè)規(guī)模為5.0萬噸/日，近期建設(shè)規(guī)模2.5萬噸/日?？紤]到廠區(qū)占地面積和自動化控制等因素，最終消毒系統(tǒng)采用了紫外線消毒技術(shù)。消毒系統(tǒng)土建設(shè)計(jì)一次建成，設(shè)備分期安裝。通過競標(biāo)，最終采購了加拿大某品牌的紫外線消毒設(shè)備。在已知前期工藝處理可達(dá)到國家二級出水標(biāo)準(zhǔn)的前提下，根據(jù)最高流量為3.625萬噸/日的處理規(guī)模，現(xiàn)場測定紫外線穿透率達(dá)到65%。依據(jù)3000PLuS的生物劑量實(shí)驗(yàn)的曲線（該曲線為TROJAN工程師依據(jù)多年的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)所得），曲線的橫坐標(biāo)是每燈的水流量，縱坐標(biāo)為某滅活率的紫外線劑量。這樣紫外線消毒的產(chǎn)品就象水泵的工作曲線一樣，選型簡單可靠。以下是設(shè)計(jì)的基本參數(shù)表：

設(shè)備選型 UV3000 PLUS TM 備注

燈管型號 低壓高強(qiáng)紫外燈管 含石英套管

燈管數(shù)量 40根

運(yùn)行成本 ≤1分/噸 含電費(fèi)和燈管更換費(fèi)用

燈管壽命 保證12000小時以上 可達(dá)18000小時以上

清洗方式 在線機(jī)械加化學(xué)清洗 保證持續(xù)消毒

總裝機(jī)容量 12.7kVA 平均運(yùn)行功率6.1 kW

水渠結(jié)構(gòu) 2條水渠，1個模塊組

每條水渠尺寸 長≥6000mm

寬=609.6mm

深= 1574.8mm 總占地面積約：20m2

該廠考慮到二期擴(kuò)建，預(yù)留一條渠道，除土建渠道外，無需其他附屬構(gòu)筑物。電子鎮(zhèn)流器由于本身發(fā)熱量小，安裝在模塊上方，采取對流傳熱的方式保護(hù)電子鎮(zhèn)流器。用作市政污水的紫外燈管主要有三種，并按照單根燈管紫外能輸出分為低壓燈（30–50 W）、低壓高強(qiáng)燈（100 W以上）和中壓燈（ 420 W以上）。由于中壓燈光電轉(zhuǎn)化效率為15%左右，低壓燈輸出功率較低，權(quán)衡考慮成本和維護(hù)等方面的因素，選擇UV3000PLUS低壓高強(qiáng)紫外線燈管。

三、紫外線消毒技術(shù)的清洗系統(tǒng)選型

該廠紫外線消毒設(shè)備設(shè)計(jì)采用全自動在線機(jī)械加化學(xué)清洗，使得設(shè)備維護(hù)簡單方便。全自動機(jī)械加化學(xué)清洗方式是該加拿大紫外線消毒產(chǎn)品的專利技術(shù)，由于污水中不可避免的會有導(dǎo)致燈管在運(yùn)行過程中表面結(jié)垢的有機(jī)物和Ca2+，Mg2+等。所以持續(xù)有效的清洗方式是保證紫外線消毒持續(xù)達(dá)標(biāo)的保證，從下圖中我們可以看到完全不清洗、在線純機(jī)械清洗、在線自動機(jī)械加化學(xué)清洗方式對紫外線消毒燈管的影響——而這是決定消毒達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素。

(A) 清洗部分 (B) 無自動清洗 (C) 純機(jī)械自動清洗(D) 機(jī)械加化學(xué)自動清洗

機(jī)械加化學(xué)式自動清洗系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)中心和的清洗頭組成。其工作原理是：安裝在水中的紫外線強(qiáng)度監(jiān)視儀將上述信息傳遞給系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心會發(fā)出清洗指令，開啟液壓中心的液壓泵，通過液壓驅(qū)動套管上清洗頭，在機(jī)械刮擦套管表面的同時，清洗頭內(nèi)的清洗液釋放到套管上，有效去掉難以通過刮擦有效去除的污垢。當(dāng)污垢被逐漸清洗，水體中的紫外能量逐漸提高，紫外線強(qiáng)度監(jiān)視儀將恢復(fù)后的紫外線強(qiáng)度反饋給系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心發(fā)出指令停止清洗，液壓泵停止工作，清洗完畢。此清洗方式免除了將燈管拿出消毒統(tǒng)或渠道外人工清洗的需要，套管清洗時燈管在消毒系統(tǒng)中正常運(yùn)行，使紫外系統(tǒng)運(yùn)行操作更為簡捷，大大減少人工維護(hù)操作需要及時間和強(qiáng)度。由于釋放到處理水體中的清洗液含量小于10-7ml/L，這一數(shù)值在接受水體中被進(jìn)一步稀釋，因此不會造成二次污染。帶有機(jī)械加化學(xué)自動清洗裝置的紫外消毒系統(tǒng)已被廣泛使用在排放標(biāo)準(zhǔn)很高的北美和歐洲的廢水再生、中水回用處理應(yīng)用中。

四、紫外線消毒劑量調(diào)節(jié)

另外在紫外線消毒中，由于污水處理廠現(xiàn)場水質(zhì)波動變化，讓燈管輸出紫外線的劑量按照水質(zhì)同步調(diào)節(jié)對節(jié)省電耗和減弱燈管的損耗從而增加燈管的使用壽命就顯得格外重要。紫外線消毒設(shè)備實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵過程的是依賴高效節(jié)能的電子鎮(zhèn)流器。從下圖中我們可以清楚了解到系統(tǒng)控制中心如何充分利用電子鎮(zhèn)流器、流量計(jì)、紫外線光強(qiáng)探頭、UVT(污水紫外穿透率)來采集和反饋信息從而讓燈管始終按照最經(jīng)濟(jì)有效的方式運(yùn)行，以達(dá)到環(huán)保節(jié)能。系統(tǒng)控制中心實(shí)時監(jiān)控所有燈管和電子鎮(zhèn)流器的運(yùn)行情況，并對設(shè)備運(yùn)行全過程記錄保留，以及時處理報(bào)警信息等。

系統(tǒng)控制原理圖如下：

有了上述保障，紫外線消毒燈管就能夠依照水質(zhì)同步調(diào)節(jié)以經(jīng)濟(jì)的達(dá)到消毒標(biāo)準(zhǔn)。同時，采取自動水位控制器，由于對水位足夠敏感，水位控制器可以維持水位在1cm以內(nèi)變化。由于水流從水位控制器底部流出，所以不存在底部水質(zhì)的消毒死角。

四、結(jié)論

河南省某污水處理廠自2006從運(yùn)行至今，紫外線消毒系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，出水水質(zhì)及消毒指標(biāo)達(dá)到了國家二級標(biāo)準(zhǔn)排放標(biāo)準(zhǔn)。紫外線消毒以其高效的殺菌廣譜性和比傳統(tǒng)液氯等消毒方式更經(jīng)濟(jì)的土建投資和運(yùn)行成本，無二次污染等優(yōu)勢在國內(nèi)已經(jīng)有1000多萬噸/日的污水處理規(guī)模。在我國，紫外線消毒已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，甚至在自來水行業(yè)，紫外線消毒也漸漸占據(jù)部分市場（國外紐約正在建設(shè)一個830萬噸/天的超大型紫外線消毒設(shè)備），有理由相信紫外線消毒技術(shù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

作者簡介：王太豪（1977-），男，河南寶豐縣人，工程師，主要從事市政環(huán)境工程設(shè)計(jì)。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。