污水处理厂紫外线消毒渠与巴氏计量槽合建设计要点分析.pdf

目前，在污水消毒工艺中，紫外消毒技术较为安全，其消毒过程中无副产物和二次污染，主要是利用适当波长的紫外线破坏微生物机体细胞中的 DNA（脱氧核糖核酸）或 RNA（核糖核酸）的分子结构，造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡，对污水中的细菌、病毒、原生动物都具有灭活效果，在污水处理厂中得到了广泛应用。为节约用地和优化水力流程，紫外线消毒渠通常与巴氏计量槽合建，文章根据工程设计经验，对紫外线消毒渠与巴氏计量槽合建的设计提出优化建议，研究成果可为相关研究人员提供有效参考。关键词：紫外线消毒渠；UV 剂量；水位控制；巴氏计量槽；淹没系数；污水处理厂Abstract:At present,in the sewage disinfection process,ultraviolet disinfection technology is relatively safe.There are no by-products and secondary pollution in the disinfection process.It mainly uses ultraviolet light with appropriate wavelength to destroy the molecular structure of DNA(deoxyribonucleic acid)or RNA(ribonucleic acid)in the cells of microbial organism,resulting in the death of growing cells and regenerative cells.It has inactivation effect on bacteria,viruses and protozoa in sewage,and has been widely used in sewage treatment plants.In order to save land and optimize the hydraulic process,the ultraviolet disinfection channel is usually built together with the Parshall flume.According to the engineering design experience,this paper puts forward optimization suggestions for the design of the joint construction of the 污水处理厂紫外线消毒渠与巴氏计量槽合建设计要点分析罗 青，丁晓涛云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650028Analysis on Key Design Points for the Joint Construction of Ultraviolet Disinfection Channel and Parshall Flume in Sewage Treatment PlantsLUO Qing,DING XiaotaoYunnan Design Institute Group Co.,Ltd.,Kunming 650028,Yunnan,China061.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.污水处理厂工艺流程中，紫外线消毒渠与巴氏计量槽位于工艺流程末端，为节约用地、优化水力流程，通常将两者合并建设1。巴氏计量槽测量精度高，水头损失小，不易沉积杂物，被广泛应用于污水处理厂的流量计量。在工程设计中，需结合工程经验优化巴氏计量槽参数和尺寸的选取2。1 紫外消毒渠设计要点紫外线消毒渠设计阶段的要点为 UV 剂量、紫外灯管输出功率和紫外灯管在污水中的有效淹没深度。1.1 UV 剂量计算与优化在应用于污水消毒时，UV 剂量主要受水中悬浮物、水温和灯管结垢系数的影响。将紫外线强度和需要处理的流体或离子在该环境下的曝光时间相乘，即 UV剂量。D=It（1）式中：D 为 UV 剂量，mJ/cm2；I 为紫外光照度，MW/cm2；t 为紫外光照射时间，s。为快速匹配不同规模的污水处理需求，实际工程作者简介：罗青，女，本科，工程师，研究方向为市政给排水设计。ultraviolet disinfection channel and the Parshall flume.The research results can provide effective reference for relevant researchers.Key Words:ultraviolet disinfection channel;UV dose;water level control;Parshall flume;submergence coefficient;sewage treatment plant分类号：X703188工程设计 2023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究中常以灯管水力负荷、紫外光穿透率等参数计算 UV剂量，其中紫外灯管穿透率通常 65%。以市场上某类型灯管实验计算公式为例，在紫外灯管功率不变、紫外线穿透率为 65%的条件下，可通过不同灯管水力负荷测算 UV 剂量理论值，具体公式如下：D=0.78102.22184UVA-1.8167PL0.3166q-0.8734（2）式中：UVA 为液体在 1 cm 通道上 254 mm 处的吸光度；PL 为灯管功率水平，式中按 100%计算；q 为每12 根灯管的水力负荷，m3/h。UVA=-logUVT（3）式中：UVT 为紫外光穿透率，且只有 UVA=65%时该式才成立。在实际应用中，还需考虑紫外灯管老化和石英套管结垢等因素对消毒效果的影响，修正 UV 剂量理论值。随着紫外灯管工作时长的增加，易出现灯管老化现象。使用寿命周期终点时的紫外输出与新灯管紫外输出之比为灯管的老化系数3。紫外设备中的玻璃套管在长期使用中，表面易附着杂质，降低紫外透过率，此时套管的紫外透过率与套管未使用前的紫外透过率的比值称为结垢系数4。在计算 UV 剂量时，应在理论计算值的基础上考虑灯管老化因子和灯管石英套管穿透率。工程经验中，灯管老化因子取 0.8，灯管老化因子取 0.7。对 UV 剂量修正取值后，可根据污水处理厂尾水排放标准及回用用途选择 UV 剂量。同时，建议结合我国目前污水资源化利用的政策，适度超前地提高 UV剂量取值。1.2 紫外灯管选型紫外消毒灯管一般分为低压低强灯、低压高强灯和中压灯。低压低强灯紫外光较弱，灯管输出功率约40 W。同等污水处理规模下，低压低强灯管数量最多，且在水中悬浮物较高的情况下消毒效果较差。中压灯是所有紫外灯中单根灯管紫外能输出最高的，因此可以用很少的灯管数量达到消毒效果5，但中压灯管能耗和运行费用较高。目前，综合考虑实用性与经济性，我国污水处理厂紫外消毒工艺广泛采用低压高强紫外灯管。1.3 水位控制系统选择紫外光照射范围有限，单根灯管照射范围约 5 cm，灯管排布间距不宜大于 10 cm，否则将影响消毒效果。同理，灯管顶端液位应保持在一定高度，过深会减弱消毒效果，过浅则可能将紫外灯管暴露在空气中，紫外灯管干湿频繁将缩短灯管使用寿命。在污水厂进水量发生变化的情况下，需保证紫外消毒渠内液位稳定，因此常在紫外灯管后设置水位控制器，从而将灯管以上水位维持在理想范围内6。常用于紫外消毒渠的水位控制器有水力翻板闸门和蛇形溢流堰。水力翻板闸门是在闸门设置后配重，通过配重质量与水位压力差控制闸门开启度，将渠内液位稳定在合理范围内。蛇形溢流堰为矩形薄壁堰，为满足溢流堰过流能力且控制渠道宽度，通常将矩形薄壁堰设置成蛇形，因此称为蛇形溢流堰。水力控制闸门占地面积小，适用于大流量紫外消毒渠。实际应用中，水力控制闸门水位控制效果不稳定，进水量变化大时，渠内液位变化较大，紫外灯管干湿频繁，灯管石英套管易结垢。尤其在夜间污水厂进水流量较小时，闸门密闭性不强，渠道内水通过闸门流走，渠道水位降低，会导致紫外灯管完全暴露在空气中。蛇形溢流堰水头损失较小，水位控制效果稳定，当进水量减小甚至为零时，仍能保证紫外灯管在有效淹没深度范围内。但蛇形溢流堰占地面积较大，堰板固定于渠道内，紫外消毒设备检修时渠道无法通过重力放空。在污水处理厂占地允许的条件下，建议选用蛇形溢流堰作为紫外消毒渠水位控制器，以保证紫外灯管使用寿命及消毒效果。2 巴氏计量槽设计要点现行设计手册及相关标准对巴氏计量槽的参数要求和基本构造尺寸作出了规定，但实际设计中，需要结合工程具体情况对巴氏计量槽进行优化设计。2.1 计量槽前后渠道长度的选择巴氏计量槽通过测量水槽内液位，根据水位与流量的关系推求流量。计量槽行近渠道的水流流态应均匀稳定，前后渠道顺直平坦是保证水流流态稳定均匀的关键。城市排水流量堰槽测量标准（CJT3008.11993）对行近渠道长度作出规定：“渠道行近为顺直平坦的矩形明渠，其长度至少为渠宽的 10 倍。”巴氏计量槽上下游直线段渠道长度的取值往往被个别设计人员忽略，导致计量数值误差较大。根据以上标准的规定，在设计中水槽上游、下游渠道直线段长度应不小于渠道宽度的 5 倍，巴氏计量槽上下游直线段取值如图 1（见下页）所示。189工程设计工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月2.2 计量槽的前后水位的确定采用巴氏计量槽计量时，水槽上游水深由如下公式计算：Q=Chn（4）式中：Q 为巴氏计量槽过流量，（m3/s）；C 为流量系数；h 为上游水深；n 为由喉道宽确定的指数。不同喉道宽度对应不同的流量系数和由喉道宽确定的指数。给水排水设计手册常用资料列出了不同喉道宽度对应的流量公式，设计时可查表取值。上游液位不受下游影响的流动称为自由流，槽上水流应呈非淹没自由流，巴氏计量槽的流量计算就是基于自由流条件得出的，其流量由上游测液位和水槽的喉管尺寸决定7。淹没系数是衡量槽上水流状态的参数，为水槽下游水深 hd与上游水深 h 的比值，即 hd/h。标准巴氏计量槽的 hd/h 0.6 0.7 时，槽上水流为自由流；大型巴氏计量槽的 hd/h 0.8 时，槽上水流为自由流。巴氏计量槽上下游水位示意图如图 2 所示。设计中根据巴氏计量槽喉道宽度，在给水排水设计手册常用资料中查取不同喉道宽度对应的淹没系数取值。巴氏计量槽hdh图 2 巴氏计量槽上下游水位示意图2.3 计量槽下游段顶板高度的优化紫外消毒渠与明渠计量槽合建时，为方便施工，两段渠道顶板往往标高相同。实际工程中，水槽下游段的超高一般有较大富余。紫外消毒渠渠高根据灯管模块安装高度和安全超高确定，巴氏计量槽因安装需要，水槽下游渠道底板低于水槽上游渠道底板，因此水槽下游渠道剩余超高较大。鉴于此，在合建紫外消毒渠与巴氏计量槽时，应在保证水位安全超高的前提下，降低计量槽下游顶板标高，节约一定的工程投资。巴氏计量槽上下游直线段取值如图 3 所示。巴氏计量槽优化后：降板位置hdh图 3 巴氏计量槽上下游直线段取值3 结束语目前，紫外线消毒渠与巴氏计量槽在污水处理厂中的应用已非常广泛，技术也较为成熟，合理选择二者设计参数，是决定其正常运行的关键。工程设计阶段中，需要掌握紫外线消毒渠与巴氏计量槽的设计要点，并按照现行国家标准、设计手册选取技术参数，同时参考已建工程的设计经验与运行反馈，对理论参数进行修正和优化，并赋予合理的裕量。参考文献1 孙文俊.基于紫外线的市政水处理关键技术研究及应用J.中国环保产业,2022(2):17-18.2 周娜,孙志民,卢静.紫外消毒剂量计算及其对水质指标的影响J.净水技术,2020,39(3):28-35,81.3 李文涛,李梦凯,强志民.化学剂量法原理及其在水处理紫外线技术研究中的应用J.环境化学,2020,39(2):326-333.4 付志敏,谢怀健,何志明.城镇污水紫外消毒不达标分析研究J.中国照明电器,2020(10):23-26.5 田芳,陆昱,郭光,等.中压紫外/氯水处理工艺过程中氯的分解规律J.环境工程学报,2021,15(2):572-579.6 马祯,宋小三,张轩.紫外/过硫酸盐高级氧化技术在饮用水处理中的研究进展J.应用化工,2022,51(5):1466-1471.7 滕千慧.氯胺-紫外水处理条件下亚硝胺的生成及降解机制研究D.天津:天津大学,2020.B渠道宽度；W巴氏计量槽喉道宽度。图 1 巴氏计量槽上下游直线段取值上游直线段渠道长度5B下游直线段渠道长度5B巴氏计量槽长度巴氏计量槽WB