陳 健1， 王長生2， 張國占?3， 吳 凡?4， 許 春暉?4?

(1.福建新大陸環(huán)保科技有限公司，福建福州 350005；
2.撫順市排水公司，遼寧撫順? 113006；
3.保定市城市管理局，河北保定071051；
4.海口市自來水公司， 海南海口 ?570208)

　　摘　要：闡述了紫外線消毒的工作原理、技術(shù)特征及其應(yīng)用成本，此外還分析了影響紫外線消毒效率的各種因素。國外實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)表明，紫外線消毒在滅菌效率、殺菌廣譜性、消毒副產(chǎn)物、系統(tǒng)應(yīng)用成本等方面均大大優(yōu)于化學(xué)消毒，該技術(shù)在給排水方面的應(yīng)用將大大提高用水安全性。?
　　關(guān)鍵詞：用水安全性； 紫外線消毒； 水消毒
　　中圖分類號：TU991.25；X703.1
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0029-03

　　到目前為止，西方發(fā)達國家已在污水處理廠安裝了近4000套大型紫外線消毒系統(tǒng)，應(yīng)用該技術(shù)的廠家約占污水處理廠總數(shù)的10%。同時，至2001年底已有2000多家自來水廠采用了紫外消毒技術(shù)，占自來水廠總數(shù)的10%以上，并且大量的紫外消毒技術(shù)改造工程正在進行之中。?
　　紫外線一般被分為三個不同波段：紫外C(200～280 nm)、紫外B(280～315 nm)和紫外A(315～400 nm)，其中紫外C(UVC)的殺菌效果最好。
　　紫外線殺菌與化學(xué)消毒劑殺菌不同，它不是通過得失電子的氧化還原反應(yīng)進行，而是通過由紫外光子輻射導(dǎo)致的光化學(xué)反應(yīng)來進行。紫外燈在260 nm附近殺菌效率最高，目前生產(chǎn)的紫外燈的最大紫外輸出功率在波長為253.7 nm處，該波長在世界頂級紫外燈中已占紫外能量的90% 、總能量的30%以上，由于高強度、高效率的紫外C的存在，紫外技術(shù)克服了以往殺菌效率低、消毒水量小、成本高的缺點，已在水消毒領(lǐng)域具有相當?shù)母偁幜Α?

1 技術(shù)特征

1.1 殺菌效果高效廣譜
　　 當紫外強度為3×10⁴ μW/cm²時，紫外線殺滅病毒及細菌約需0.1～1s的接觸時間、殺滅霉菌孢子需1～8s、殺滅藻類需5～40 s，而氯消毒則需30～60 min的接觸時間，臭氧消毒需15～30 min。現(xiàn)代的紫外線消毒裝置可以很容易達到(3～30)×10⁴ μW/cm²的光強度(甚至更高)，因此常見細菌、病毒、霉菌、藻類、孢子甚至原生動物都可以被有效殺滅。?
　　氯對常見細菌、病毒的殺菌具有很大的選擇性,特別是對各種病毒。臭氧的殺菌選擇性比氯好，但是化學(xué)消毒因受濃度控制而無法在水中提供可能的大劑量，故對孢子、藻類以及各種原生動物的殺滅效果較差。而紫外線消毒技術(shù)對采用化學(xué)消毒難以殺滅的病原體都能在幾秒或幾十秒內(nèi)100%殺滅。
1.2 消毒副產(chǎn)物
　　對飲用水的氯消毒會產(chǎn)生大量三鹵甲烷(THMs)副產(chǎn)物，目前在美國EPA的飲用水標準中有20種以上鹵代有機物的含量被嚴格控制。?
　　在污水消毒中采用氯技術(shù)產(chǎn)生的鹵代副產(chǎn)物問題將更為嚴重，以ClO₂消毒雖可解決此問題，但消毒成本大增，故目前西方國家基本上不在市政污水消毒中使用ClO₂。?
　　而紫外線消毒因無需添加化學(xué)藥品而不存在外來化學(xué)藥品與水中化合物相互作用的問題。根據(jù)目前的文獻報道，還沒有發(fā)現(xiàn)紫外線(特別是在253.7 nm處)在消毒過程中會產(chǎn)生足夠量的對人體有害的物質(zhì)。?
1.3 紫外殺菌動力學(xué)
　　在一混合均勻、光程短(d≤1 cm)的水消毒區(qū)內(nèi)，殺菌速率可以用一級近似的光生化反應(yīng)動力學(xué)方程式表示：?
　　　　　　dN／dt=-kIN　　　　（1)?
　　式中 N——微生物活體濃度，個/L?
?　　　　　t——殺菌照射時間，s
?　　　　　I——平均輻照強度，mW/cm²?
?　　　　　k——一級殺滅速率常數(shù)，cm²/(mW·s)?
　　對式(1)積分后并取對數(shù)得：
　　　　　lg［N／N0］=-KI_t　　　　(2)?
　　式中 ?N₀ ——照射前微生物活體濃度，個/L?
?　　　　 It——紫外C劑量，(mW·s)/cm²?
　　由式(2)可知，紫外線對微生物的殺滅效果與紫外C劑量呈指數(shù)關(guān)系。大量試驗證實，一級反應(yīng)公式對病毒殺滅率的適用性可達99.999%(也稱5個lg)，對細菌殺滅率的適用性也可達到3個lg。必須注意，許多試驗證實在一定條件下對細菌、病毒的殺滅并不與紫外劑量呈一級動力學(xué)關(guān)系，主要表現(xiàn)為在低劑量時殺滅率增加緩慢(滯后)，在過高劑量時也發(fā)生相同現(xiàn)象(拖尾)，因此有許多修正的一級方程式或其他動力學(xué)方程出現(xiàn)。?

2 成本核算

2.1 投資成本
　　在北美對投資成本的核算主要是參考各種價格指數(shù)，但目前還沒有一種價格指數(shù)完全適用于各種消毒設(shè)施。根據(jù)經(jīng)驗，在美國最適用于消毒設(shè)施的價格指數(shù)是ENRCC(Engineering News Record Construction Cost)價格指數(shù),該指數(shù)每月更新一次，2001年美國20個城市的平均ENRCC指數(shù)為5 820點，因此對文獻報道的工程投資額可通過下式核算為現(xiàn)在的投資額：
　　現(xiàn)在投資額=［5820／當年ENRCC指數(shù)］×當年投資額　　　　　(3) ?
　　對未來該工程的投資額為：?
　　未來投資額=［未來預(yù)測的ENRCC指數(shù)／當年ENRCC指數(shù)］×當年投資額 　　(4)?
　　表1為1993年美國污水廠采用紫外線消毒與采用氯氣+脫氯消毒的投資成本比較(北美法律要求污水如果采用氯氣消毒需加SO₂脫氯)。?
　　從表1可見，采用紫外線消毒的投資成本比氯氣消毒要低得多，隨著處理水量的增大，這種差別逐漸縮小。

表1 污水紫外線消毒與氯消毒投資成本比較 消毒水量(m³/d) 紫外線(A) 氯+脫氯(B) 投資成本比(A∶B) 總投資(美元) 投資成本(美元/m³) 總投資(美元) 投資成本(美元/m³) 3800 115000 30.26 1127000 296.58 1∶9.8 38000 836000 22 3137000 82.55 1∶3.75 380000 6048000 15.92 14340000 37.74 1∶2.37

　　表1中的投資成本與近幾年的價格相比高了一些，與我國相比則更高，例如上海閔行水質(zhì)凈化廠的規(guī)模為5×10⁴m³/d的紫外線消毒系統(tǒng)的投資為170萬元左右(約合20萬美元)，還不到國外投資的1/5。?
　　紫外線消毒投資成本比氯消毒低的主要原因之一是土建投資低。氯消毒需要有0.5 h的接觸時間，其大面積的接觸池(渠)需要大量征地及土建，如規(guī)模為5×10⁴m³/d的污水廠需要一個尺寸為130 m×3 m×3 m的接觸池，約需征地667m²,土建投資約為300 萬元，而采用紫外消毒最多只需征地100 m²,土建投資只需40萬元。?
2.2 運行、維修成本
　　紫外線消毒的運行費用主要為電費，維修費用包括更換燈管、鎮(zhèn)流器、燈套管的費用及清洗液費用、人工費等。
　　表2為1993年美國污水紫外線消毒系統(tǒng)與氯消毒系統(tǒng)的平均年運行、維護費用比較。

表2 污水紫外線消毒與氯消毒系統(tǒng)的運行、 維護費用比較 毒水量(m³/d) 紫外線(A) 氯+脫氯(B) 成本比(A∶B) 總費用(美元/a) 成本(美元/m³) 總費用(美元/a) 成本(美元/m³) 3785 7900 0.0057 49300 0.036 1∶6.3 37850 67800 0.0049 158200 0.011 1∶2.2 378500 516400 0.0037 660000 0.0048 1∶1.3

　　由表2可見，污水紫外線消毒的運行、維護成本要比氯消毒低。

3 影響殺菌效果的因素

3.1 污水成分
　　表3列舉了污水中各種主要指標及成分對紫外線消毒與氯消毒效果的影響。?
　　根據(jù)國外的文獻報道以及幾千座污水廠的運行經(jīng)驗，如果處理后污水的SS≤30 mg/L(即國家二級排放標準)，采用紫外消毒可使大腸菌群量控制在10 000個/L以下，若SS≤10 mg/L，則可有效控制在1 000個/L以下。?

表3 污水各指標及成分對紫外線消毒及氯消毒的影響 項目 紫外線消毒 氯消毒 氨 無或微影響 與氯化合生成氯胺 COD、BOD 無或微影響。但如果腐殖酸或不飽和(共軛鍵)有機物是COD、BOD的主要成分則會降低UVC的透射率 組成COD、BOD的化學(xué)物質(zhì)會消耗大量的氯。消耗量取決于這些化合物的官能團以及它們的結(jié)構(gòu)硬度影響吸收UVC的金屬離子的溶解度，從而導(dǎo)致碳酸鹽沉積于燈管上無或微影響 腐殖酸類 強吸收UVC 降低氯的消毒效率 鐵離子 強吸收UVC 無或微影響 亞硝酸鹽 無或微影響 被氯氧化 硝酸鹽 無或微影響 無或微影響 pH值 影響金屬離子和碳酸鹽的溶解度 影響水中次氯酸鹽和亞氯酸鹽的比率 SS 吸收和阻擋UVC并包裹細菌 包裹細菌、降低消毒效率

3.2 燈管表面結(jié)垢
　　燈管表面結(jié)垢會極大地影響紫外線消毒效果。水中的各種懸浮物及溶解性有機物和無機物都會造成燈管表面結(jié)垢。?
　　燈管的結(jié)垢可以通過定期清洗來解決。最常見的是人工清洗，清洗時需要關(guān)燈、停機；另外還有機械或其他在線清洗，不需要關(guān)燈、停機。這兩種方法都需要定期使用酸性藥品。 ?
3.3 無持續(xù)殺菌能力
　　紫外線消毒屬于物理瞬間消毒技術(shù)，沒有向水體中添加任何化學(xué)藥劑，在水體不受污染的條件下可以一直保持無菌狀態(tài)，但實際上消毒后的水體會再次受到污染，因此經(jīng)紫外消毒后的 水體必須盡快地使用或排放到江河湖海。?
　　許多國家對自來水采用紫外線再加氯消毒工藝，以保證自來水在市政管網(wǎng)內(nèi)不受二次污染。

4 結(jié)語

　　紫外線消毒技術(shù)由于具有不對水體產(chǎn)生污染、操作系統(tǒng)安全、投資運營成本低以及殺菌效率高等優(yōu)點，在西方國家已成為給排水領(lǐng)域的主要消毒技術(shù)。我國在該項目上落后國外近20年，因此研究大型紫外線消毒設(shè)備及工程系統(tǒng)并應(yīng)用于中水回用、污水排放 以及自來水等領(lǐng)域，將對提高我國的用水安全性具有重大意義。

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　　收稿日期：2002-04-15