紫外消毒技术

紫外线，英文名Ultraviolet ray或(Ultraviolet radiation，简称UV，是由德国科学家里特发现的，紫外线是电磁波谱中波长从100—400nm(纳米)辐射的总称。紫外线的波长愈短，对人类皮肤危害越大。短波紫外线可穿过真皮，中波则可进入真皮。紫外线是一种肉眼看不见的光波，波长范围为100-40nm(纳米)存在于光谱紫外线端的外侧，故称之为紫外线，依据不同的波长范围，被割分为A、B、C三种波段，其中的C波段紫外线波长在240－260nm之间，为最有效的杀菌波段，波段中之波长最强点是253.7nm。

早在1878年，人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒(UV Disinfection)作用。1901年和1906年先后发明了水银光弧这一人造紫外光源和传递紫外光性能较好的石英材质灯管，法国马赛一家自来水厂在1910年首次使用紫外线消毒工艺。紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用始于20世纪60年代中叶；20世纪70年代～80年代初，人们已经认识到加氯消毒工艺中的余氯对受纳水体中的鱼类等生物有毒，确认了氯消毒等化学消毒药剂法会产生如三卤甲烷(THMs)等致癌、致基因畸变的副产物，因此在这一阶段围绕紫外线消毒技术进行了大量的应用研究。目前在世界各地已经有3000多家城市污水处理厂安装使用了紫外线污水消毒系统，处理规模在几千m3/d到上百万m3/d，并且在运营中显示出了紫外线消毒安全环保、高效经济、无副产物的特点。在亚洲，1999年香港石湖墟污水处理厂投入运行，该厂规模24万m3/d，消毒后粪大肠杆菌小于1000个/100mL。

1.紫外消毒原理

水的紫外线消毒通过紫外线对水的照射来进行，如图1所示，細菌被UV照射后，UV光将穿透细胞壁，其能量被细胞组织吸收，使脱氧核糖核酸(DNA)的结构键发生断裂，或抑制DNA的形成，致使细胞无法进行繁殖再生，而达到消毒效果。应该指出，一般资料介绍 253.7nm为消毒的最佳波段具有片面性。公认的研究结果表明，DNA的紫外线吸收最佳波段在260～269nm，而DNA吸收紫外后发生生化消毒的最佳波段则在270nm左右。

紫外线消毒具有广谱性，对于一些微生物的如贾第虫、隐孢子虫有很好的杀灭作用，这些微生物在加氯消毒时，往往因受投氯剂量限制而较难控制。

紫外线消毒前（DNA--所有复制所需的分子链都是完整的）


紫外线消毒后（DNA-断裂分子链和胸腺嘧啶二聚体阻止细胞的复制，从而使生物体和人免受疾病的感染）

图1 紫外线杀菌原理

紫外线消毒技术是国际上90年代末兴起的最新一代消毒技术。它集光学、微生物学、电子、流体力学、空气动力学为一体，具有高效率、广谱性、低成本、长寿命、大水量和无二次污染的特点，是国际上公认的21世纪的主流消毒技术。

2. 紫外线杀菌灯工作原理

紫外线消毒的核心元件是水银弧光灯(也称紫外灯)，紫外线杀菌灯灯管是由石英玻璃制成，可以按照灯管内压、操作温度、采用光谱、耗电量、灯管清洗等分为低压低强度灯、低压高强度灯和中压高强度灯三种，这里所说的压力是指紫外灯内汞的饱和蒸汽压。具体如表1所示，若不考虑消毒器效率(紫外灯发射出紫外能的利用率)，一般处理同样流量达到相同指标情况下，低压低强度灯数量大约10倍于中压高强度灯，低压高强度灯数量大约3～4倍于中压高强度灯。

表1  紫外消毒灯管的类型列表

杀菌效果是由微生物所接受的照射剂量决定的，同时，也受到紫外线的输出能量，与灯的类型，光强和使用时间有关，随着灯的老化，它将丧失30%～50%的强度。紫外照射剂量是指达到一定的细菌灭活率时，需要特定波长紫外线的量：照射剂量（J／m2）＝照射时间（s）×UV强度（W／m2）照射剂量越大，消毒效率越高，由于设备尺寸要求，一般照射时间只有几秒，因此，灯管的UV输出强度就成了衡量紫外光消毒设备性能最主要的参数。在城市污水消毒中，一般平均照射剂量在300 J／m2以上。低于此值，有可能出现光复活现象，即病菌不能被彻底杀死，当从渠道中流出接受可见光照射后，重新复活，降低了杀菌效果。杀菌效率要求越高，所需的照射剂量越大。

3. 紫外线消毒系统的设计

1982年加拿大某公司发明了世界上第一套明渠式安装的紫外线消毒系统，并引进了模块化紫外线消毒系统的概念，从而大大推动了紫外线消毒技术在城市污水消毒处理中的应用。紫外消毒一般都设计成紫外消毒器(系统)，将其安装在水厂的管渠之中，对流过其中的水进行消毒。系统标准配置包括紫外消毒器、灯管清洗、镇流器、控制柜、机架、紫外强度检测器、报警器、流量控制器(选择)、水位控制器、在线监测仪(选择)等。紫外线消毒系统用剂量率(Does rate)来表示紫外线杀灭微生物作用的强度。剂量率综合包含了紫外线灯的发射波长、停留时间、从灯到水体任何位置的距离和灯的辐射强度等参数，实际应用中由紫外线灯辐射强度和照射接触时间这两个参数的乘积来决定。在没有化学剂吸收紫外线能量和颗粒状铁化合物的条件下，二级处理工艺的污水处理厂出流水采用紫外线消毒时所需的典型剂量率为25Mw·s/cm(波长253.7nm)。实践表明，中压紫外线消毒系统宜用于合流制系统处理厂的污水消毒。由于将来要控制暴雨时合流制排水系统中的贾第虫和隐孢子虫，中压紫外线消毒系统在污水消毒中的作用将日趋明显。

紫外线消毒系统可按水流边界的不同分为敞开式(Unclosed Vessel Ultraviolet Reactor)和密闭式(Closed Vessel Ultraviolet Reactor)。适于排水处理的消毒系统主要是敞开式，适于给水处理的消毒系统多数为密闭式。

1）敞开式紫外线消毒系统（ Unclosed Vessel Ultraviolet Reactor）
 在敞开式UV消毒器中，被消毒的水在重力作用下流经UV消毒器并灭活水中的微生物。敞开式系统又可根据紫外线消毒器按照紫外线灯是否接触水分为两种：浸没式（Contact Type）和水面式(Non-contact Type)，前者目前应用广泛。

浸没式又称为水中照射法，其典型构造如图2所示，将外加同心圆石英套管的紫外灯平行或垂直于水流方向置入水中，石英套管外径一般为Ф28mm。水从石英套管的周围流过，当灯管(组)需要更换时，使用提升设备将其抬高至工作面进行操作。该方式构造比较复杂，但紫外辐射能的利用率高、灭菌效果好且易于维修。

图2 一种敞开式紫外线消毒系统的构造示意图

图3是两种典型的紫外线消毒系统，系统运行的关键在于维持恒定的水位，若水位太高则灯管顶部的部分进水得不到足够的辐射，可能造成出水中的微生物指标过高；若水位太低则上排灯管暴露于大气之中，会引起灯管过热并在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外线的辐射。图3中采用自动水位控制器(滑动闸门)来控制水位。在自动化程度要求不高的系统中，也可以采用固定的溢流堰来控制水位。

水面式又称为水面照射法，即将紫外灯置于水面之上，由平行电子管产生的平行紫外光对水体进行消毒。该方式较浸没式简单，但能量浪费较大、灭菌效果差，实际生产中很少应用。

（a）参考Trojan公司产品图；（b）参照Infilco Degremont公司产品图

图3 典型紫外线消毒消毒系统的构造图

敞开式紫外消毒系统的主要部件有紫外灯组、供电装置(镇流器)、装有水位控制装置的消毒池等。通常一组灯管作为一个紫外模块，几个紫外模块成为一个紫外灯组。每个紫外模块的灯管数可布置为2、4、6、8、10、16等等。

紫外模块可以平行于水流的方向安装(顺流式)，有时也垂直于水流的方向安装。水位控制装置一般采用溢流堰、拍门、电动堰门等形式。

（2）封闭式紫外线消毒系统（ Closed Vessel Ultraviolet Reactor）
　　密闭式紫外消毒系统的主要部件包括紫外灯管、密闭消毒容器、供电控制装置、清洗装置，一般适用于中、小水量处理或有必要施加压力且消毒器不能在明渠中使用的情况，结构紧凑，安装方便，且不用考虑敞开式所必须的水位控制装置。如图4所示，封闭式UV消毒器属承压型，用不锈钢或铝合金制金属筒体和带石英套管的紫外线灯把待消毒水封闭起来，筒体内壁多作抛光处理，以提高对紫外线的反射能力和增强辐射强度，还可根据处理水量的大小调整紫外灯的数量。有的消毒器在筒体内壁加装了螺旋形叶片以改变水流的运动状态而避免出现死水和管道堵塞，所产生的紊流以及叶片锋利的边缘会打碎悬浮固体，使附着的微生物完全暴露于紫外线的辐射中，提高了消毒效率。

图4 封闭式紫外线消毒系统构造图

封闭式也划分为敞开式和浸没式。敞开式消毒器适用于中、大水量处理，多用于污水处理厂。封闭式消毒器一般适用于中、小水量处理或有必要施加压力且消毒器不能在明渠中使用的情况。

密闭式紫外消毒系统的灯管一般采用顺流布置，系统水力损失小、水流形式均匀。消毒器的腔体长度取决于紫外灯管的长度，进、出水孔分别布置在两端，并且垂直于消毒器的腔体。消毒器中的流速最好不小于0.3m/s，以减小套管的结垢；可采用并联或串联运行，以保证所需的接触时间和提高处理效果。处理流量较大的密闭消毒器，进、出水孔顺着水流方向位于腔体两端，紫外灯管则垂直于水流布置，这样可以使水流紊动，提高消毒效率，但消毒器体积也较大，不适应在较高的流体压力下工作。

（3）镇流器

镇流器是紫外消毒系统的重要部件，其寿命与运行温度有关，目前一般为10年。由于在比较高的温度下运行时，会增加老化速度和故障发生率，因此对镇流器进行有效冷却非常重要。有些反应器的镇流器装在紫外模块的灯架上，随灯管一同浸入水下，用水冷却，此时要求水下镇流器的防护等级为IP68。近年来，许多系统设计将镇流器从水中取出，专门放入地面控制柜中，采用空调或风机冷却，以减小防护等级(为IP65或更低)。但镇流器与紫外灯的距离不能过大(尽量不超过15m)，否则会使功率输出变小而电耗增大。控制柜应有一定的防护等级，抵抗风雨尘土并防晒，使得在夏天高温时镇流器能有效降温。

（4）灯管清洗

紫外灯的套管在水中会逐渐结垢，需定期清洗。清洗方式分为手动清洗、机械清洗。由于水的紫外消毒中的灯管数很多，人工清洗工作量很大，现在基本上都采用机械清洗。机械清洗按有无清洗剂分为纯机械清洗、机械加化学清洗，也可分为在线式自动清洗、取出清洗，在线自动清洗有液压式清洗头、气动式清洗头等方式。

EPA UV设计手册(EPA/625/1-86/021)中指出，手动清洗的结垢系数为0.6，机械清洗的结垢系数为0.7。结垢系数是系统运行6个月后的套管UVT与使用前的套管UVT的比值。如无测定数据，结垢系数的默认值是0.8。

4. 紫外消毒设备的选型

紫外线污水消毒工艺运行成功的关键是紫外线消毒设备的正确设计选型及采用生物剂量法的小试。消毒反应器设备的选型，主要根据消毒所需剂量、待消毒水的水质、消毒目的和要求、根据消毒设备运行维护以及消毒的场所的环境条件等等来进行。勿庸置疑，紫外消毒器能力的确定是紫外消毒设计中最重要的一环，需要提前掌握待消毒水的水质情况，尤其是水的透光能力。然后根据经验或借鉴相似水质条件下的工程来设计紫外的消毒能力，最后采用理论计算或生物验定试验来验定其处理能力，生物验定试验应保证在运行不利的条件下仍满足消毒要求。

美国环保局的资料表明，以建造处理量为37800 m3/d的污水处理厂为例，加氯消毒成本为0.18$/m3(NTD/m3，下同)，臭氧消毒为0.45$/m3，紫外线消毒为0.35$/m3。最近的研究文献表明，紫外线消毒成本可降至0.23$/m3，这表明随着紫外设备制造技术的不断提升，其成本也将会不断降低，与传统加氯消毒工艺之间的成本差距将会逐渐拉近。美国安力斯公司W系列紫外线消毒设备的相关技术参数如表2所示。

表2 W系列紫外线污水消毒设备技术参数(标准型号)

除了加拿大Trojan(特洁安) Technologies公司、ITT Wedeco等世界知名的专业紫外消毒技术公司之外，Degremont公司自1986年起就开始采用紫外线消毒技术，目前的紫外消毒产品有Aquaray® 40 VLS、Aquaray® 40 HO VLS、Aquaray® 3X HO VLS、Aquaray HLS 等四大系列；Veolia水务集团的低压紫外线消毒技术主要是UV-Star®系列产品。至2005年初，国内已有25个大中型污水处理厂采用了Trojan紫外线消毒系统，流量在10～60万m3/d的项目已达6个以上，其中杭州七格污水处理厂污水交钥匙工程(一、二期共60万m3/d)使用的Trojan紫外线设备，是目前中国地区最大的紫外线污水消毒项目。