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城市污水处理厂紫外线消毒系统设计要点
福禄克测试仪器( 上海) 有限公司 70
冯爱山
摘要:紫外线消毒技术是利用紫外光照射水中的微生物, 经过紫外光对微生物的灭活对水进行消毒。本文详细介绍了紫外线消毒原理、 紫外线消毒系统的主要类型、 紫外线消毒系统的主要设计参数和选用依据。内容涉及紫外线设备独立第三方认证、 紫外生物验定剂量、 灯管老化系数和套管结垢系数的概念介绍。并对紫外线技术在中国国内的应用前景作了介绍。
关键词: 独立第三方认证; 生物验定剂量; 老化系数; 结垢系数。

一、 紫外线消毒原理:
紫外线消毒是利用紫外线对微生物的灭活机理来达到净化水质的目的。紫外线是指波长为100纳米到400纳米之间的电磁波, 紫外光为不可见光。根据波长不同, 又可细分为紫外A( 315—400nm) 、 紫外B( 280—315nm) 、 紫外C( 200—280nm) 和紫外D( 100—200nm) 。能够高效率地毁坏生物体DNA结构, 达到杀菌消毒效果的是紫外C。这是因为紫外C能被微生物的遗传物质DNA、 RNA很好的吸收, 当微生物内的DNA和RNA吸收了足够的紫外能量后, 其内部的核酸链( 嘧啶) 被打断并重新排列形成胸腺嘧啶二聚体, 阻止了DNA、 RNA的复制, 而使微生物失去活性无法进行自身的复制再生。这就是紫外线的消毒原理—灭活原理。
在紫外线消毒过程中不需要投加任何化学药剂, 因此紫外线消毒是一种高效的环境友好型的消毒方式。随着人们对化学消毒副产物的认知程度越来越高, 以及对大规模氯消毒危害的认知面越来越广泛, 使紫外线消毒技术越来越被人们所重视和推崇。该技术在国外大规模的应用的时间已有30多年的历史,当前全球正在使用紫外线消毒的市政水处理厂的数量已经超过了9000家, 同时, 在国外的供水领域, 紫外技术的应用也

越来越广泛, 当前全球最大的紫外线消毒项目的日处理量已经达到了832万吨。国外紫外线技术在市政水消毒上的应用已经非常成熟。
从以上介绍可知, 紫外线消毒技术是一种环境友好型的消毒技术, 在污水消毒过程中无须投加化学药剂即可达到理想的消毒效果, 避免了化学消毒方法对环境和人类的危害。
二、 紫外污水消毒系统的主要类型:
当前, 根据紫外灯管的类型, 可将紫外污水消毒系统归结为: 低压灯紫外系统、 低压高强灯紫外系统和中压灯紫外系统。低压灯紫外线消毒系统的单支灯管的功率和紫外输出能都很低, 其单支灯管的功率一般小于100瓦, 单支灯管的紫外能输出一般在30-60瓦左右。因处理单位污水量所需要的紫外灯管数量多, 因此该类系统适合用于小型的污水处理厂。
低压高强灯紫外线消毒系统的单支灯管的功率和紫外输出能都较高, 单支灯管功率一般小于1000瓦, 单支灯管的紫外能的输出一般在100-500瓦左右, 因处理单位污水量所需要的紫外灯管数量较少, 因此该类系统适合用于中大型的污水处理厂。
中压灯紫外线消毒系统的单支灯管的功率和紫外输出能都很高, 单支灯管的功率一般都在1千瓦以上, 有的甚至达到几十个千瓦。单支灯管的紫外能的输出一般在400瓦以上, 因处理单位污水量所需要的紫外灯管数量很少, 且灯管输出的紫外光强度很大, 因此该类系统适合用于超大型的污水处理厂和低质污水处理厂。
三、 市政污水紫外线消毒系统的组成:
当前, 对于紫外污水消毒系统, 明渠式模块化的设计指导理念已经被国际工程界广泛认可和采用。明渠式紫外线消毒系统是将若干独立的紫外模块安置在开放式的明渠中, 水流靠重力流经消毒装置。可直接插入或取出紫外灯模块进行维护和检修。对于标准配置的市政污水紫外线消毒系统, 除混凝土渠道外一般包括以下组成部分:
紫外线消毒模块组、 配电中心、 系统控制中心、 清洗装置、 紫外光强探头、 低水位探头、 水位控制装置。
1．紫外线消毒模块组
紫外线消毒模块组是紫外线消毒系统的主要部分之一, 它包括了紫外模块和模块支架; 紫外模块又包括了紫外灯、 灯管套管、 遮光板和镇流器;
2．配电中心
配电中心是整个紫外线消毒系统的供配电系统, 从外部引进的主供电电源, 在这里会被分配到各个不同的用电点, 供整个紫外线消毒系统的运行和监测使用。
3．系统控制中心
系统控制中心是整个紫外线消毒系统的中枢控制系统, 整个紫外系统的各项运行参数都可经过系统控制中心传输到厂区控制中心。系统控制中心也可接受从污水厂的SCADA传输来的指令, 根据相应指令的要求调整紫外线消毒系统的运行状态, 包括系统的启闭。
4．套管清洗装置
套管清洗是保证持续消毒效果的重要元素之一。套管清洗方式可分成三类: 人工清洗、 在线纯机械清洗和在线机械加化学清洗。
( 1) 人工清洗
就是将灯管模块从渠道中取出, 对灯管进行人工擦洗或非在线的机械加化学清洗;
( 2) 在线纯机械清洗
就是用清洗环来回刮擦套管表面, 刮除套管表面的污垢, 处理效果不佳, 只能是延缓人工清洗的周期, 最终仍需要定期进行人工清洗;
( 3) 在线机械加化学清洗
是一种全自动的在线机械清洗和化学清洗同时进行的清洗系统, 在套管清洗过程中其真正免除了人工的参与, 同时也保证了污水中的微生物可稳定的接受到紫外能。清洗环密封专利技术的应用, 使化学清洗剂的投加量减少到了10-7ml/L污水左右, 避免了二次污染的可能。
在线清洗系统包括清洗驱动装置( 液压或气压) 、 模块上的驱动装置和清洗装置等部分。
5．紫外光强探头
用来监测紫外模块组内的平均紫外光强度。反映紫外灯模块的工作状态。
6．低水位探头
是用来保护紫外灯管, 避免紫外灯管因暴露在空气中干烧而损坏的装置。当渠道内的水位因某些原因低于设定水位时, 低水位探头会发出控制信号, 关闭所有的紫外灯管避免其因干烧而损坏。
7．水位控制装置
是用来维持紫外线消毒渠道内的水位相对恒定的排水装置, 渠道内液位的稳定是保证紫外线消毒效果的重要因素之一。当前在紫外线消毒系统上常见的有三种水位控制装置:
( 1) 自动排水拍门:
该自动排水拍门为重力平衡预感应式, 下出水, 可很好的控制渠道内的消毒水位, 避免因流量波动产生的液位的过低或过高, 造成灯管的损坏或影响消毒效果。应用广泛。
( 2) 溢流堰:
为上部溢流排水, 占地面积大, 容易在渠道底部造成沉积, 影响消毒效果。使其应用范围受到限制。
( 3) 马达堰门:
为滞后型控制方式, 当水位产生波动后, 马达堰门才会根据水位探头监测到的信号进行开启角度的调整, 容易影响消毒效果。且马达堰门的电控接点多, 致使设备潜在的故障点增多。因此应用不广泛。
四、 紫外线消毒系统的设计
紫外线消毒系统的设计可分三个步骤进行, 确定设计参数、 确定紫外线消毒剂量和紫外线消毒设备的选取:
1、 设计参数的确定
影响紫外线消毒效果、 规模和运行费用的水质参数主要有:
( 1) 峰值处理流量
是指设计的紫外线消毒系统, 在其它各项设计参数都已确定后, 所能处理的最大水量。这是确定紫外设备规模的重要的参数之一。
( 2) 平均处理流量
是指污水处理厂每日平均的处理水量, 这一参数是核算紫外运行费用的重要参数之一。
( 3) 处理水所含工业废水的比例和成分
工业废水中的有些成份对紫外线在水中的传播有很大的影响, 这也是影响紫外设备规模的重要参数之一。
( 4) 污水中的悬浮物( TSS)
污水中悬浮物的多少和颗粒直径的大小, 直接决定了处理水所能达到的消毒指标极限。这是因为污水中的悬浮物会对微生物起到保护和屏蔽的作用, 使紫外光无法有效的照射到微生物上, 从而影响消毒效果。这也是一个影响紫外设备规模的参数。
( 5) 污水紫外透光率@253.7nm ( UVT)
紫外透光率是指波长为253.7nm的紫外线在经过1cm比色皿水样后,未被吸收的紫外线与输出总紫外线之比。用百分数表示。紫外穿透率的高低直接决定了紫外能在污水中传播的效率。这也是一个影响紫外设备规模的重要参数。
( 6) 出水消毒指标
是为控制水污染物的排放, 防治水质污染, 保护水资源的合理利用, 由国家或各地方政府根据国家和地方相关标准而制定的污水排放的生物学限值, 一般以粪大肠菌群数或总大肠菌群数表示。
( 7) 允许水头损失
是指整个紫外线消毒系统正常运行所需要消耗的水头损失。
2． 紫外线消毒剂量的确定
( 1) 消毒目标剂量的确定
紫外线剂量是指单位面积上所接收到的紫外线的能量, 它是紫外光强和接触时间的乘积, 常见单位为mJ/cm2. 公式为:
紫外剂量( mJ/cm2)=紫外光强(mw/cm2)×停留时间( sec)
要想达到理想的消毒效果, 就必须根据要达到的消毒标准, 确定所需要的紫外剂量, 我们又叫它目标剂量。在中华人民共和国国家标准《城市给排水紫外线消毒设备》( GB/T-19837- ) 中已明确规定了污水处理厂的各消毒标准所对应的有效紫外线消毒剂量需求, 具体如下:
为保证达到GB18918- 中所要求的卫生学指标的二级标准和一级标准的B标准, 紫外线的有效剂量—即目标剂量应不低于15mJ/cm2:
为保证达到GB18918- 中所要求的卫生学指标的一级标准的A标准, 紫外线的有效剂量—即目标剂量应不低于20mJ/cm2:
( 2) 紫外线消毒修正剂量—设备生物验定剂量
在确定了紫外线消毒所需要的目标剂量后, 我们在选择紫外设备进行工程化应用时, 还要考虑两个影响因素, 灯管老化和套管结垢对设备紫外输出剂量的影响。这是因为这两个因素直接影响了紫外光的输出和传播, 这就让我们引入了两个修正系数, 灯管的老化系数和套管的结垢系数。
所谓灯管老化系数是指紫外灯运行到寿命终点时的紫外线输出功率与新紫外灯的紫外线输出功率之比。根据国家标准规定, 如厂家无独立第三方权威机构的认证, 该系数应采用0.5做为默认修正值,如有独立第三方权威机构的认证,则使用认证值。
所谓套管结垢系数是指使用中的紫外灯套管的紫外穿透率与洁净套管的紫外穿透率之比。根据国家标准规定, 如厂家无独立第三方权威机构的认证, 该系数应采用0.8做为默认修正值,如有独立第三方权威机构的认证,则使用认证值。
剂量修正公式如下:
紫外系统需要输出的有效紫外剂量
= 消毒目标剂量÷ 灯管老化系数÷ 灯管结垢系数
从以上灯管老化系数和套管结垢系数的定义我们可知, 灯管老化系数和结垢系数肯定是小于1的。因此我们所要选择的紫外系统输出的紫外剂量肯定要比目标剂量要高, 才能保证持续、 稳定的消毒效果。
3． 紫外线消毒设备的选取
在各项水质参数确定后, 我们就可根据出水消毒指标要求确定目标消毒剂量, 然后再用老化系数和结垢系数进行修正, 修正后的剂量就是我们要选择的紫外设备需要输出的有效剂量—生物验定剂量
生物验定剂量; 是指该型号的紫外线消毒系统在各种实际运行条件下, 经过实验的方法, 获得实验数据, 依据这些数据绘制出该设备的性能曲线, 来指导该型紫外设备的设计。因整个测试过程和设备性能曲线都是由紫外行业的权威认证机构执行和出具的, 因此我们又叫它权威独立第三方认证。
根据这一认证, 我们能够非常方便的从系统性能曲线上查出需要选用的紫外线消毒系统在相应参数下所能输出的紫外剂量, 简化了设计过程, 确保了消毒性能, 保障了公众安全。
生物验定剂量验证法已经成为美国环保署、 NWRI及DVGW等国际权威机构的指定紫外设备认证方法。
五、 紫外技术的应用前景
紫外线消毒工艺以其高效, 环保和广普的杀菌特性而备受工程界的瞩目。而化学消毒副产物的不断被发现, 特别是在饮用水处理上被广泛使用的氯消毒剂的毒副产物的发现, 大大推动了紫外水处理技术在饮用水处理领域的研究, 1998年在美国有研究表明 – 紫外线可有效控制抗氯性的隐孢子虫等原生动物污染饮用水, 这一发现, 使紫外线消毒技术在市政自来水厂大规模应用奠定了基础。而随着人们对饮用水的水质安全要求越来越高, 水体内那些难以被生物降解的微量污染物的处理开始受到人们的关注, 紫外线的高级氧化技术为这一领域的应用提供了广阔的想象空间。
结论
总之, 一套性能可靠的紫外线消毒系统的设计, 应是依据生物验定剂量验证的方法完成的。要保持紫外线消毒系统能持续稳定的达到消毒标准, 必须要选用经过权威机构认证的老化系数和结垢系数或默认值对设备的紫外输出剂量进行修正。在保证消毒效果的同时还应该关注紫外线消毒系统的优化设计, 即紫外线消毒系统的效率。一套既能保证消毒效果, 又管理方便、 运行费用低的紫外线消毒设备才是一套真正实用的设备。

参考文献
1．《城市给排水紫外线消毒设备》GB/T 19837-
2．张辰, 张欣, 吕东明, 肖卫星。紫外线消毒系统的设计。第一届水和废水紫外线消毒技术国际研讨会, , 150～154。