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摘要：指出了紫外线消毒在水和污水处理领域得到日益广泛的应用,分析了紫外线消毒的原理、优点与不足之处,以及水和污水处理中的应用情况,探讨了紫外线消毒后的细菌复活研究、流体力学模拟软件的应用和紫外线消毒高效低能耗光源的开发等紫外线消毒技术的研发与应用的主要方向。
关键词:紫外线消毒;水和污水处理;病原微生物;剂量
中图分类号：R123文献标识码： A
引言：水中存在的伤寒杆菌、痢疾杆菌、霍乱弧菌、寄生虫、贾第孢子虫与隐孢子虫以及病毒等病原微生物对人体健康带来重大的威胁。污水中的细菌及致病微生物更多,其排放或回用时对环境以及人们的健康带来的影响更大。因此,水的消毒是水和污水净化处理中重要的一个单元环节。常用的水的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒等。氯消毒成本低廉、应用方便广泛,但是存在液氯的储存和运输、投配等风险,更主要的是氯消毒过程中余氯会与水中有机物反应并生成有致癌、致畸、致突变的THMs等有害消毒副产物,从而影响饮用水水质安全性
1.紫外线消毒的原理及在水处理中的应用概况
1.1紫外线消毒的原理
紫外线消毒水处理技术是一种基于现代光学、防疫学、生物学和物理化学的消毒技术,利用特殊设计的紫外发生装置产生UV-C照射流水,当水中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其它病原体受到一定剂量的UV-C辐射后,其细胞中的脱氧核糖核酸或核糖核酸结构受到破坏,使其丧失复制和繁殖能力,因细菌、病毒的生命周期一般较短,不能繁殖的细菌、病毒就会迅速死亡,从而在不使用任何化学药物的情况下达到消毒和净化的目的
1.2紫外线消毒水处理的优点
,紫外线消毒水处理技术的优点还有以下几点,紫外线属广谱杀菌射线,在足够的照射剂量下,能杀死一切微生物,包括细菌、结核菌、病毒、芽抱和真菌,并且杀菌速度快,大多数都是在1s之内。另外,紫外线消毒技术对近些年发现的致病性病原微生物贾第鞭毛虫和隐抱子虫也具有良好的灭活效果。使用低压汞灯和中压汞灯均能有效地灭活隐抱子虫,38mJ/cm2的辐射剂量就能达到99.99%的杀灭率。
2.3紫外线消毒在水处理中的应用概况
1910年Cernovedeow和Henvi第一次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒。此后,紫外线消毒水处理技术得到了长足的发展和广泛应用。在欧美许多国家的水处理厂中,紫外线消毒被广泛采用。如在芬兰的赫尔辛基,处理能力达310万m3/d的紫外线消毒装置已在一家企业投入使用。美国已将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳消毒方式写入供水法规中。美国EPA2006年又制定《紫外线消毒准则手册》(Ultraviolet Disinfection GuidanceManual)。在污水消毒方面,以我国为例,国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2002年12月24日颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中首次将微生物指标列为基本控制指标,要求城市污水必须进行消毒处理,该标准的颁布为紫外消毒技术的推广应用提供了契机。建设部于2005年11月通过了《城镇给排水紫外线消毒设备(GB/T19857-2005)》标准,规定城镇生活饮用水的技术标准为40mJ/cm2,中水回用的技术标准为80mJ/cm2,城镇污水的技术标准为15mJ/cm2(一级B标准),城镇污水的技术标准为20mJ/cm2(一级A标准)[7]。《室外排水设计规范(GB50014-2006)》规定,污水宜采用紫外线或二氧化氯消毒,也可用液氯消毒;污水的紫外线剂量为二级处理的出水为15～22mJ/cm2,再生水为24～30mJ/cm2;此外,对紫外线照射渠的设计也做出了详细的规定。上述规范标准规范了紫外消毒设备的应用和技术要求,同时也为紫外消毒技术在生活饮用水、饮用净水、城镇污水处理厂出水、城市污水再生利用水、工业废水处理等领域的应用奠定了基础。目前,紫外消毒已成为水厂和污水处理厂出水消毒的规范化手段之一。
3紫外线消毒水处理技术的不足及其克服
紫外线消毒虽然具有很多化学消毒无法比拟的优点,但也存在着一些制约其发展的因素,其中最突出的是紫外线无持续杀菌能力,另外紫外线消毒对水体要求高,技术本身存在的一些限制使紫外线技术在应用中面临着诸多问题,如何有效地解决这些问题,是紫外线技术在水处理领域的推广应用所面临的巨大挑战。
3.1病原微生物的光复活及紫外线无持续杀菌能力
微生物自身具有修复机制,这使得已经被紫外线杀灭的细菌在光照条件下发生复活现象,影响出水水质。此外,当处理水离开紫外线消毒反应器之后,消毒过程既已经结束。对于远距离传输的饮用水或再生水,在管网传输过程中一些被紫外线杀伤的微生物有可能会修复损伤的分子,使细菌再生,也可能在沿途滋生新的细菌和病毒,从而对水质安全有构成威胁。一般通过提高UV剂量和采用UV-氯或UV-PAA(过氧乙酸)组合工艺来解决光复活问题及维持持续的消毒效果。紫外线与其它消毒技术联用,如UV-氯胺组合消毒工艺,即可以利用紫外线的广谱杀菌能力和高效杀灭贾第鞭毛蟲和隐抱子虫的能力,又可以利用氯胺消毒持久性最长和消毒副产物链很小的优势,不失为一种值得推广的多屏障消毒工艺。
3.2紫外线穿透力低
紫外线的穿透力低,这就使得其消毒效果受水质的影响比较大,水的色度、浊度、有机物和氨氮等都会吸收紫外线而降低其透过强度,影响紫外线的消毒效果。另外水体中的生物群、悬浮物、矿物质等容易积聚在灯套管的表面,形成结垢影响紫外光的透出,从而影响紫外线的消毒效果[1]。因此,采用紫外线消毒时需要对原水进行预处理,尽量降低水的浊度、有机物等对紫外线消毒的影响。在设计紫外线消毒工艺时,应尽可能把此工艺放在处理末端,并通过改变流速、优化灯管布置等来提高水与紫外线的接触时间,以保证出水水质。要定期对灯套管进行清洗,以减少灯套管表面的结垢对紫外线的吸收。
4紫外线消毒水处理技术的研究与应用展望
4.1紫外线消毒后的细菌复活
微生物对由紫外线造成的DNA损坏有很强的修复能力,因此复活后的微生物可以继续分裂和繁殖。DNA修复可以在无光(黑暗修复)的条件中进行,但在有阳光直射(光复活作用)的开放系统中，这种修复的速度会大大地加快。尽管对于紫外线消毒后的细菌复活现象,一方面可以通过优化工艺如增加水与紫外线的接触时间、加大紫外线剂量、改变紫外线灯的类型(如电压和波长等)等来解决;另一方面可考虑紫外线消毒与其他工艺联用以达到较好的处理效果。研究发现紫外线的剂量和灯管的类型对复活反应的发生有极大的影响,甚至可以起决定性的作用,例如,低压(单波长)紫外线灯比中压(中波长)灯更容易受光复活作用的影响[9]。但是,我们仍然需要对光复活机理和发生条件进行更广泛和更深入的研究。目前,细菌和病菌的复活再生成为紫外线消毒技术研究的热点之一[10]。
4.2流体力学模拟软件(CFD)的应用
流体力学模拟软件(CFD)可以应用于紫外线反应器的设计。CFD用来预测和分析流场现象、水头损失、流速、压力、粒度分布和紫外剂量等参数,再根据项目的不同(如流量、流体动力性质等等)进行模拟,最终确保实际的紫外线系统可以按照设计要求完成最终的消毒任务,这样就有效的提高了紫外线系统的消毒效率。目前,CFD已经成为很多优秀紫外线设备厂商设计的日常校准工具。
4.3紫外线消毒高效光源
紫外线消毒常用中低压汞灯。然而自2006年鉴于汞的危害性,欧盟(EU)不建议采用汞灯。20世纪80年代,紫外灯管的功率只有几十瓦,对于大规模的水厂或污水处理厂,需要安装的紫外模块太多,而且紫外灯寿命很短,只有1 000h,灯管更换频繁。因此,大规模的水厂如果采用紫外消毒技术投資和维护费用相对较高。现在155W和320W的紫外光灯已经开始普遍应用,800W的高强紫外灯正在研制。2万t/d的污水处理厂可以仅用50支紫外光灯,20万t/d的污水处理厂(一级B出水)只需300支灯管即可,而且紫外光灯的寿命也可以达到12 000～20 000h,使得消毒系统的可靠性大大提高,运行和维护费用也大为下降。发光二极管(LED)用作紫外消毒的光源被成为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到260～262nm之间这样一个狭窄的波长范围,并且具有很高的功效和很长的使用寿命(据报道超过100 000h),因为自身的点光源,所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷,因此这项技术还停留于概念阶段。对于紫外线-发光二极管(UV-LED),有研究采用光伏技术即利用太阳能产生驱动LED进行灭菌(PV-UV-LED)。但是目前UV-LEDs波长范围为370～400nm,即UV-A光。UV-A光直接作用于DNA,核酸和细胞的酶、改变分子结构而导致细胞死亡。此外UV-A与水中DO和水反应生成高活性的O自由基和过氧化物,破坏细胞结构和灭活。
5.新一代紫外线消毒技术的特点
利用流体力学软件建模的方法,大大提高了制造商对产品质量和产品性能的控制能力,使他们对自己的产品更有信心。系统的选型也不再神秘,因为制造商能与设计师共同合作,最终能更加精确地预计在不同水质和流速条件下的处理级别和能力。紫外线设备制造商们很快就能利用该工具来优化反应器内的紫外线生产剂量,同时减小能耗。在制造商开发和改良反应器之后,他们采用一系列的认证协议来验证设计,如欧洲的DVGW和NORM认证(饮用水),以及NWRI认证(废水),美国的USE-PA认证。在今后几年内,市场将会出现性能更为优化的反应器。传统紫外线技术也会得到进一步的改进。中压灯会在效率、寿命和功率方面得到提高,与石英套管的有机结合可使灯管寿命超过12 000 h。这种技术结构紧凑、占地面积小,特别是在需要改建翻新或要求对适应套管自动清洗时,会受到设计师和使用者们的青睐。低压高强灯管的输出功率也会进一步提高,将能达到1kW,这样会大大降低系统的占地面积和简化维护工作。对于低压紫外线设备而言,灯管的布置是一个相当重要的问题,因为一套低压紫外线设备需要使用上千根的低压紫外线灯管。新的紫外线光源,如发光二极管(LED)被称为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到260～262nm之间,并且具有很高的功效和很长的使用寿命(据报道超过100 000 h),因为自身的点光源,所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷,因此这项技术还停留于概念阶段。其他灯管类型中,例如激态分子灯,它的优点在于无汞,不需要预热,但目前此项技术仍受到功效低和整流器成本高的限制。而且,激态分子灯常常比它们要替代的产品更具毒性。紫外线强度感应器也在过去的十年中得到了很大提升,现在已经有了稳定可靠、精确的杀菌感应器以及一个完善的认证体系。另外,感应器、流量表和其他监控设备的数据可以帮助制造商改善控制系统和优化设备的性能。他们也可以通过操作平台与控制中心的操作人员进行联系。越来越多的微生物D10值被人们所了解,并且这个列表随时都在更新。最显著的是,研究已确认了只要很低剂量的紫外线就能消灭隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia),但是也发现了几种具有极高D10值的病毒。随着紫外线技术应用的更新,会有更多的微生物被加进到现有的D10值列表中。复活反应是紫外线技术领域内的一个重要关注点———一些微生物在其DNA受紫外线照射后可以作用于受损部分并完成修复过程。DNA的修复过程可能发生在封闭(暗)的系统中,也可能发生在有光的开放系统中(光复活反应)。紫外线剂量和紫外线灯的类型能决定复活反应是否能进行,低压(单一波长)紫外线灯会比中压(多波长)紫外线灯更易产生光复活。在光复活领域需要进行更多的研究努力,在今后5年中很可能会有新的进展。还有大量关于紫外线消毒的研究正在进行中,尤其是如何去除水中以下常见的物质,比如氯,溴化物,硝酸盐,臭氧,自然有机物和铁。普通的紫外线消毒剂量不能明显去除以上物质。对更多的水中外来元素的研究也在进行中。
6.紫外线技术的应用
6.1饮用水领域
紫外线消毒技术最大的潜在市场是在饮用水领域。紫外线技术已被认可为适合杀灭隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)消毒的技术,特别适用于地表水和其他易受感染水源。自1997年至今,由于以下几个因素市场增长速度略有减缓,其中包括隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)对紫外线敏感度的不确定,紫外线消毒技术标准框架的缺乏,现场操作和工艺设计的缺乏,紫外线消毒在饮用水厂中的应用案例和工程知识的缺乏,水工业总体的保守,以及使用紫外线杀灭隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)专利技术的几项诉讼案件的结果还不确定。所有这些问题或者已经解决了或者正在解决中,这些努力都将为这个市场的快速增长铺平道路。
6.2回用水领域
对于紫外线技术而言另外一颇具潜力的市场,是应用于灌溉的再生水和中水处理。污水回用技术在美国西南部和其他淡水急剧短缺的地区已经很常见,比如中国北部,欧洲南部,中东和北非。针对这个市场,只要使用比饮用水系统更大的紫外线剂量,紫外线技术被证实有效。与饮用水标准类似的严格的相关标准,将成为评估这些关键应用的重要方法。防止光复活反应,也将会成为处理和评估的关键因素。
6.3地下水回灌
紫外线技术的另一新兴市场是经紫外线消毒后的水可以应用于含水层的恢复和地下水的储存种应用包括将深度处理过的废水注入蓄水层来补充饮用水供应。美国的加利福尼亚,德克萨斯和佛罗里达三个州都开始考虑使用此种技术,而且在世界上的其他地区对此种应用的兴趣也在不断提升。
6.4其他
紫外线还可以起到氧化作用,单独使用紫外线技术,或将紫外线技术与氢氧根自由基相结合,可以破坏水中的污染物。这种技术已成功应用在地下水补充,工业废水处理和饮用水处理中。值得一提的是,美国几项大型的强氧化项目已经采用了紫外线技术,用来氧化处理亚硝基二甲胺,甲基叔丁基醚、杀虫剂、异嗅异味复合物和氯化溶剂等。
6.5归纳总结
紫外线技术产业在过去十年来已经相当成熟,而今正由主流水处理公司进行着标准化的使用和推广。传统的紫外线技术经过实地测试,如今在广泛的应用中取得了相当优异的成绩。随着标准、版税、工艺和工程不确定性等一系列的降低,预计在今后20年中,预计紫外线技术的认可度将会迅速提高。传统的紫外线产品的设计很大程度上依赖于流体力学软件(CFD),但是在将来的设计中它将被作为一种常规的校准工具。在今后十年中,对传统灯管,紫外线强度感应器和控制器的改进将不会间断。例如LED灯和微波灯这样的新技术,在效率、占地面积和能耗上的优势,都会给未来技术的革新提供了极大的空间。现阶段,特别是在新技术能带来更高效率和更低能耗的情况下,饮用水市场需求将会快速的增长。而其他应用,例如废水再利用及含水层储存和补充的市场相比饮用水要小一些,增长速率相对缓慢,但仍具吸引力。紫外线技术应用在强氧化项目仍在处于启蒙阶段,很大程度上受到能耗的制约。如果新型的、更高能量效率的技术出现,此领域将会迎来飞速的增长。
7.新技术
传统紫外线技术也会得到进一步的改进。中压灯会在能量效率，寿命和功率密度方面得到提高，与石英套管的有机结合可使灯管寿命超过12,000小时。这种技术结构紧凑、占地面积小，特别是在需要改建翻新或要求对适应套管能够自动清洗时，会受到设计师和使用者们的更多青睐。低压高强灯管的输出功率也会进一步提高，也许能达到 1kW ，这样会大大降低系统的占地面积和简化维护工作。对于低壓紫外线设备而言，灯管的布置也是一个相当重要的问题，因为一套低压紫外线设备需要使用上千根的低压紫外线灯管。流体力学软件（CFD）和对实际反应器的模拟方法，大大提高了制造商对自身产品处理程度和实用能力的预测力，使他们对自己的产品更有信心。系统的选型也不再是魔术，制造商能与设计工程师共同合作，最终更加精确的预计在不同水质和流速条件下的处理级别和达到不同的处理效果。紫外线设备制造商们利用流体力学软件来优化反应器内的紫外线剂量，控制流速，从而更高效的完成消毒任务，并将能耗减到最低。在制造商开发和改良反应器之后，他们采用一系列的认证协议来验证设计，如欧洲的 DVGW 和 ÖNORM 认证（均适用于饮用水），以及美国的NWRI证明（污水处理和再生水的回用），美国的USEPA认证。不久的将来，更为优化的反应器会被研发，生产和推广。新的紫外线光源，如发光二极管（LED）被称为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到 260nm－262nm 之间这样一个狭窄的波长范围，并且具有很高的功效和很长的使用寿命（据报道超过 100,000 小时），因为自身的点光源，所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷，因此这项技术还停留于概念阶段。其它灯管类型中，例如激态分子灯，它的优点在于无汞，不需要预热，但目前此项技术仍受到功效低和整流器成本高的限制。而且，激态分子灯常常比它们要替代的产品更具毒性。越来越多的微生物D10 值*被人们所了解，并且这个列表随时都在被更新。最显著的是，研究已确认了只要很低剂量的紫外线就能消灭隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia)，但是也发现了几种具有极高 D10 值的病毒。随着紫外线技术应用的更新，会有更多的微生物被加进到现有的 D10 值列表中。复活反应是紫外线技术领域内的一个重要关注点——一些微生物在其 DNA 受紫外线照射后，显著特点在微生物可以做用于受损部分并完成修复过程。DNA的修复过程可能发生在封闭（暗）的系统中，也可能发生在有光的开放系统中（光复活反应）。紫外线剂量和紫外线灯的类型能决定复活反应是否能进行，低压（单一波长）紫外线灯会比中压（多波长）紫外线灯更易产生光复活。在光复活领域需要进行更多的研究努力，在今后 5年中很可能会有新的进展。还有大量关于紫外线消毒的研究正在进行中，尤其是如何去除水中以下常见的物质，比如氯，溴化物，硝酸盐，臭氧，NOM**和铁。普通的紫外线消毒剂量不能明显去除以上物质。对更多的水中外来元素的研究也在进行中。
8.新兴市场
自1997年至今，由于以下 几 个 因 素 市 场 增 长 速 度 略有 减 缓 ， 其 中 包 括 隐 孢 子 虫 （Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia)对紫外线敏感度的不确定，紫外线消毒技术标准框架的缺乏，指南和指导的缺乏，紫外线消毒在饮用水厂中的应用案例和工程知识的缺乏，水工业总体的保守，以及使用紫外线杀灭隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia)专利技术的几项诉讼案件的结果还不确定。所有这些问题或者已经被解决了或者正在解决中，这些努力都将为这个市场的快速增长铺平道路。对于紫外线技术而言另外一个颇具潜力的市场，是应用于灌溉的再生水和灰水。污水回用技术在美国西南部和其他淡水急剧短缺的地区已经很常见，比如中国北部，欧洲南部，中东和北非。针对这个市场，只要使用比饮用水系统更大的紫外线剂量，紫外线技术被证实有效。与饮用水标准类似的严格的伴生标准，将成为评估这些关键应用的重要方法。防止光复活反应，也将会成为处理和评估的关键因素。紫外线技术的另一新兴市场是经紫外线消毒后的水可以应用于含水层的恢复和地下水的储存。这种应用包括将深度处理过的废水注入蓄水层来补充饮用水供应。美国的加利福尼亚，德克萨斯和佛罗里达三个州都开始考虑使用此种技术，而且在世界上的其它地区对此种应用的兴趣也在不断提升。值得一提的是，美国几项大型的强氧化项目已经采用了紫外线技术，用来氧化处理 NDMA***，MTBE****，杀虫剂，异嗅异味复合物和氯化溶剂等。
9.水处理中影响二氧化氯消毒效果的因素
在使用二氧化氯进行水处理工作的时候，也是会受到一定的因素影响的!一般情况下，水温的因素是会影响到水处理中消毒试剂的使用效果，在进行消毒的时候，消毒的效果是和水温的变化有很大的影响，通常会表现出正比例的关系。通过一些实验可以得出，在水温过低的时候，二氧化氯的消毒效果是十分弱的，所以在进行消毒的时候，一定要特别重视水温对于消毒效果的影响。在进行水处理的时候，水体的酸碱值也是影响二氧化氯消毒的一个影响的因素，在酸碱值适中的情况下，二氧化氯的消毒效果是十分的理想的，并且是十分稳定的，一旦酸碱值过高或者是过低都会影响二氧化氯的消毒效果，所以在进行二氧化氯消毒以前可以对水体的酸碱值进行必要的测试，这样可以使得二氧化氯的消毒效果达到最好在水体中投入的消毒试剂的份量以及消毒试剂与水体的接触时间都是会影响消毒试剂作用水处理的效果，通常的情况下，提高消毒试剂的投入份量并且增加其与水体的接触时间都是会提高水处理的效果!在实际的水处理过程中，一定要特别注意水的温度，水体的酸碱度以及消毒试剂的投入量和消毒试剂和水体的接触时间，只要注意这些才会使得二氧化氯的消毒效果达到最好。而且在使用二氧化氯进行水体污染的时候，一定要注意水处理过程中的出水余量，将其控制在合理的量中，这样可以避免在水处理后水体中产生异味，而且对于水体的纯度和色度也会起到一定的作用。
结论
紫外线技术产业在过去十年来已经相当成熟，而今正由主流水处理公司进行着标准化的使用和推广。传统的紫外线技术经过实地测试，如今在广泛的应用中取得了相当优异的成绩。随着标准、版税、工艺和工程等一些不确定性的降低，在今后 10 年中，预计紫外线技术的认可度将会有进一步的提高。传统的紫外线产品的设计很大程度上依赖于流体力学软件（CFD），但是在将来的设计中它将被作为一种常规的校准工具。在今后10年中，对传统灯管，紫外线强度感应器和控制器的改进将不会间断。例如LED 灯和微波灯这样的新技术，在效率，占地面积和能耗上的优势，都会给未来技术的革新提供了极大的空间。现阶段，特别是在新技术能带来更高效率和更低能耗的情况下，饮用水市场需求将会快速的增长。而其它应用，例如废水再利用及含水层储存和补充的市场相比饮用水要小一些，增长速率相对缓慢，但仍具吸引力。紫外线技术应用在强氧化项目仍在处于启蒙阶段，很大程度上受到能耗的制约。如果新型的、更高能量效率的技术出现，此领域将会迎来飞速的增长。
结束语：紫外线消毒由于不投加化学药剂,不产生有害物质,安全可靠。紫外线消毒具有广谱性,能快速高效地杀死包括细菌、结核菌、病毒、芽抱和真菌等在内的所有微生物,尤其是对水中贾第鞭毛虫和隐抱子虫具有良好的灭活效果。因此,紫外线消毒技术在水和污水处理领域得到了广泛应用。但是,在实际应用中需要考虑抑制消除微生物的复活再生和持续杀菌以及克服紫外线穿透力低的问题。紫外线消毒技术的研发与应用的主要方向包括紫外线消毒后的细菌复活研究、流体力学模拟软件的应用、和紫外线消毒高效低能耗光源的开发等。这些方面的研究与开发为未来技术的革新提供了极大的空间。在不久的将来,紫外线消毒技术在水和污水处理领域的应用将更加普及。
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关键词:紫外线消毒;水和污水处理;病原微生物;剂量
中图分类号：R123文献标识码： A
引言：水中存在的伤寒杆菌、痢疾杆菌、霍乱弧菌、寄生虫、贾第孢子虫与隐孢子虫以及病毒等病原微生物对人体健康带来重大的威胁。污水中的细菌及致病微生物更多,其排放或回用时对环境以及人们的健康带来的影响更大。因此,水的消毒是水和污水净化处理中重要的一个单元环节。常用的水的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒等。氯消毒成本低廉、应用方便广泛,但是存在液氯的储存和运输、投配等风险,更主要的是氯消毒过程中余氯会与水中有机物反应并生成有致癌、致畸、致突变的THMs等有害消毒副产物,从而影响饮用水水质安全性
1.紫外线消毒的原理及在水处理中的应用概况
1.1紫外线消毒的原理
紫外线消毒水处理技术是一种基于现代光学、防疫学、生物学和物理化学的消毒技术,利用特殊设计的紫外发生装置产生UV-C照射流水,当水中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其它病原体受到一定剂量的UV-C辐射后,其细胞中的脱氧核糖核酸或核糖核酸结构受到破坏,使其丧失复制和繁殖能力,因细菌、病毒的生命周期一般较短,不能繁殖的细菌、病毒就会迅速死亡,从而在不使用任何化学药物的情况下达到消毒和净化的目的
1.2紫外线消毒水处理的优点
,紫外线消毒水处理技术的优点还有以下几点,紫外线属广谱杀菌射线,在足够的照射剂量下,能杀死一切微生物,包括细菌、结核菌、病毒、芽抱和真菌,并且杀菌速度快,大多数都是在1s之内。另外,紫外线消毒技术对近些年发现的致病性病原微生物贾第鞭毛虫和隐抱子虫也具有良好的灭活效果。使用低压汞灯和中压汞灯均能有效地灭活隐抱子虫,38mJ/cm2的辐射剂量就能达到99.99%的杀灭率。
2.3紫外线消毒在水处理中的应用概况
1910年Cernovedeow和Henvi第一次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒。此后,紫外线消毒水处理技术得到了长足的发展和广泛应用。在欧美许多国家的水处理厂中,紫外线消毒被广泛采用。如在芬兰的赫尔辛基,处理能力达310万m3/d的紫外线消毒装置已在一家企业投入使用。美国已将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳消毒方式写入供水法规中。美国EPA2006年又制定《紫外线消毒准则手册》(Ultraviolet Disinfection GuidanceManual)。在污水消毒方面,以我国为例,国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2002年12月24日颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中首次将微生物指标列为基本控制指标,要求城市污水必须进行消毒处理,该标准的颁布为紫外消毒技术的推广应用提供了契机。建设部于2005年11月通过了《城镇给排水紫外线消毒设备(GB/T19857-2005)》标准,规定城镇生活饮用水的技术标准为40mJ/cm2,中水回用的技术标准为80mJ/cm2,城镇污水的技术标准为15mJ/cm2(一级B标准),城镇污水的技术标准为20mJ/cm2(一级A标准)[7]。《室外排水设计规范(GB50014-2006)》规定,污水宜采用紫外线或二氧化氯消毒,也可用液氯消毒;污水的紫外线剂量为二级处理的出水为15～22mJ/cm2,再生水为24～30mJ/cm2;此外,对紫外线照射渠的设计也做出了详细的规定。上述规范标准规范了紫外消毒设备的应用和技术要求,同时也为紫外消毒技术在生活饮用水、饮用净水、城镇污水处理厂出水、城市污水再生利用水、工业废水处理等领域的应用奠定了基础。目前,紫外消毒已成为水厂和污水处理厂出水消毒的规范化手段之一。
3紫外线消毒水处理技术的不足及其克服
紫外线消毒虽然具有很多化学消毒无法比拟的优点,但也存在着一些制约其发展的因素,其中最突出的是紫外线无持续杀菌能力,另外紫外线消毒对水体要求高,技术本身存在的一些限制使紫外线技术在应用中面临着诸多问题,如何有效地解决这些问题,是紫外线技术在水处理领域的推广应用所面临的巨大挑战。
3.1病原微生物的光复活及紫外线无持续杀菌能力
微生物自身具有修复机制,这使得已经被紫外线杀灭的细菌在光照条件下发生复活现象,影响出水水质。此外,当处理水离开紫外线消毒反应器之后,消毒过程既已经结束。对于远距离传输的饮用水或再生水,在管网传输过程中一些被紫外线杀伤的微生物有可能会修复损伤的分子,使细菌再生,也可能在沿途滋生新的细菌和病毒,从而对水质安全有构成威胁。一般通过提高UV剂量和采用UV-氯或UV-PAA(过氧乙酸)组合工艺来解决光复活问题及维持持续的消毒效果。紫外线与其它消毒技术联用,如UV-氯胺组合消毒工艺,即可以利用紫外线的广谱杀菌能力和高效杀灭贾第鞭毛蟲和隐抱子虫的能力,又可以利用氯胺消毒持久性最长和消毒副产物链很小的优势,不失为一种值得推广的多屏障消毒工艺。
3.2紫外线穿透力低
紫外线的穿透力低,这就使得其消毒效果受水质的影响比较大,水的色度、浊度、有机物和氨氮等都会吸收紫外线而降低其透过强度,影响紫外线的消毒效果。另外水体中的生物群、悬浮物、矿物质等容易积聚在灯套管的表面,形成结垢影响紫外光的透出,从而影响紫外线的消毒效果[1]。因此,采用紫外线消毒时需要对原水进行预处理,尽量降低水的浊度、有机物等对紫外线消毒的影响。在设计紫外线消毒工艺时,应尽可能把此工艺放在处理末端,并通过改变流速、优化灯管布置等来提高水与紫外线的接触时间,以保证出水水质。要定期对灯套管进行清洗,以减少灯套管表面的结垢对紫外线的吸收。
4紫外线消毒水处理技术的研究与应用展望
4.1紫外线消毒后的细菌复活
微生物对由紫外线造成的DNA损坏有很强的修复能力,因此复活后的微生物可以继续分裂和繁殖。DNA修复可以在无光(黑暗修复)的条件中进行,但在有阳光直射(光复活作用)的开放系统中，这种修复的速度会大大地加快。尽管对于紫外线消毒后的细菌复活现象,一方面可以通过优化工艺如增加水与紫外线的接触时间、加大紫外线剂量、改变紫外线灯的类型(如电压和波长等)等来解决;另一方面可考虑紫外线消毒与其他工艺联用以达到较好的处理效果。研究发现紫外线的剂量和灯管的类型对复活反应的发生有极大的影响,甚至可以起决定性的作用,例如,低压(单波长)紫外线灯比中压(中波长)灯更容易受光复活作用的影响[9]。但是,我们仍然需要对光复活机理和发生条件进行更广泛和更深入的研究。目前,细菌和病菌的复活再生成为紫外线消毒技术研究的热点之一[10]。
4.2流体力学模拟软件(CFD)的应用
流体力学模拟软件(CFD)可以应用于紫外线反应器的设计。CFD用来预测和分析流场现象、水头损失、流速、压力、粒度分布和紫外剂量等参数,再根据项目的不同(如流量、流体动力性质等等)进行模拟,最终确保实际的紫外线系统可以按照设计要求完成最终的消毒任务,这样就有效的提高了紫外线系统的消毒效率。目前,CFD已经成为很多优秀紫外线设备厂商设计的日常校准工具。
4.3紫外线消毒高效光源
紫外线消毒常用中低压汞灯。然而自2006年鉴于汞的危害性,欧盟(EU)不建议采用汞灯。20世纪80年代,紫外灯管的功率只有几十瓦,对于大规模的水厂或污水处理厂,需要安装的紫外模块太多,而且紫外灯寿命很短,只有1 000h,灯管更换频繁。因此,大规模的水厂如果采用紫外消毒技术投資和维护费用相对较高。现在155W和320W的紫外光灯已经开始普遍应用,800W的高强紫外灯正在研制。2万t/d的污水处理厂可以仅用50支紫外光灯,20万t/d的污水处理厂(一级B出水)只需300支灯管即可,而且紫外光灯的寿命也可以达到12 000～20 000h,使得消毒系统的可靠性大大提高,运行和维护费用也大为下降。发光二极管(LED)用作紫外消毒的光源被成为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到260～262nm之间这样一个狭窄的波长范围,并且具有很高的功效和很长的使用寿命(据报道超过100 000h),因为自身的点光源,所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷,因此这项技术还停留于概念阶段。对于紫外线-发光二极管(UV-LED),有研究采用光伏技术即利用太阳能产生驱动LED进行灭菌(PV-UV-LED)。但是目前UV-LEDs波长范围为370～400nm,即UV-A光。UV-A光直接作用于DNA,核酸和细胞的酶、改变分子结构而导致细胞死亡。此外UV-A与水中DO和水反应生成高活性的O自由基和过氧化物,破坏细胞结构和灭活。
5.新一代紫外线消毒技术的特点
利用流体力学软件建模的方法,大大提高了制造商对产品质量和产品性能的控制能力,使他们对自己的产品更有信心。系统的选型也不再神秘,因为制造商能与设计师共同合作,最终能更加精确地预计在不同水质和流速条件下的处理级别和能力。紫外线设备制造商们很快就能利用该工具来优化反应器内的紫外线生产剂量,同时减小能耗。在制造商开发和改良反应器之后,他们采用一系列的认证协议来验证设计,如欧洲的DVGW和NORM认证(饮用水),以及NWRI认证(废水),美国的USE-PA认证。在今后几年内,市场将会出现性能更为优化的反应器。传统紫外线技术也会得到进一步的改进。中压灯会在效率、寿命和功率方面得到提高,与石英套管的有机结合可使灯管寿命超过12 000 h。这种技术结构紧凑、占地面积小,特别是在需要改建翻新或要求对适应套管自动清洗时,会受到设计师和使用者们的青睐。低压高强灯管的输出功率也会进一步提高,将能达到1kW,这样会大大降低系统的占地面积和简化维护工作。对于低压紫外线设备而言,灯管的布置是一个相当重要的问题,因为一套低压紫外线设备需要使用上千根的低压紫外线灯管。新的紫外线光源,如发光二极管(LED)被称为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到260～262nm之间,并且具有很高的功效和很长的使用寿命(据报道超过100 000 h),因为自身的点光源,所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷,因此这项技术还停留于概念阶段。其他灯管类型中,例如激态分子灯,它的优点在于无汞,不需要预热,但目前此项技术仍受到功效低和整流器成本高的限制。而且,激态分子灯常常比它们要替代的产品更具毒性。紫外线强度感应器也在过去的十年中得到了很大提升,现在已经有了稳定可靠、精确的杀菌感应器以及一个完善的认证体系。另外,感应器、流量表和其他监控设备的数据可以帮助制造商改善控制系统和优化设备的性能。他们也可以通过操作平台与控制中心的操作人员进行联系。越来越多的微生物D10值被人们所了解,并且这个列表随时都在更新。最显著的是,研究已确认了只要很低剂量的紫外线就能消灭隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia),但是也发现了几种具有极高D10值的病毒。随着紫外线技术应用的更新,会有更多的微生物被加进到现有的D10值列表中。复活反应是紫外线技术领域内的一个重要关注点———一些微生物在其DNA受紫外线照射后可以作用于受损部分并完成修复过程。DNA的修复过程可能发生在封闭(暗)的系统中,也可能发生在有光的开放系统中(光复活反应)。紫外线剂量和紫外线灯的类型能决定复活反应是否能进行,低压(单一波长)紫外线灯会比中压(多波长)紫外线灯更易产生光复活。在光复活领域需要进行更多的研究努力,在今后5年中很可能会有新的进展。还有大量关于紫外线消毒的研究正在进行中,尤其是如何去除水中以下常见的物质,比如氯,溴化物,硝酸盐,臭氧,自然有机物和铁。普通的紫外线消毒剂量不能明显去除以上物质。对更多的水中外来元素的研究也在进行中。
6.紫外线技术的应用
6.1饮用水领域
紫外线消毒技术最大的潜在市场是在饮用水领域。紫外线技术已被认可为适合杀灭隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)消毒的技术,特别适用于地表水和其他易受感染水源。自1997年至今,由于以下几个因素市场增长速度略有减缓,其中包括隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)对紫外线敏感度的不确定,紫外线消毒技术标准框架的缺乏,现场操作和工艺设计的缺乏,紫外线消毒在饮用水厂中的应用案例和工程知识的缺乏,水工业总体的保守,以及使用紫外线杀灭隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)专利技术的几项诉讼案件的结果还不确定。所有这些问题或者已经解决了或者正在解决中,这些努力都将为这个市场的快速增长铺平道路。
6.2回用水领域
对于紫外线技术而言另外一颇具潜力的市场,是应用于灌溉的再生水和中水处理。污水回用技术在美国西南部和其他淡水急剧短缺的地区已经很常见,比如中国北部,欧洲南部,中东和北非。针对这个市场,只要使用比饮用水系统更大的紫外线剂量,紫外线技术被证实有效。与饮用水标准类似的严格的相关标准,将成为评估这些关键应用的重要方法。防止光复活反应,也将会成为处理和评估的关键因素。
6.3地下水回灌
紫外线技术的另一新兴市场是经紫外线消毒后的水可以应用于含水层的恢复和地下水的储存种应用包括将深度处理过的废水注入蓄水层来补充饮用水供应。美国的加利福尼亚,德克萨斯和佛罗里达三个州都开始考虑使用此种技术,而且在世界上的其他地区对此种应用的兴趣也在不断提升。
6.4其他
紫外线还可以起到氧化作用,单独使用紫外线技术,或将紫外线技术与氢氧根自由基相结合,可以破坏水中的污染物。这种技术已成功应用在地下水补充,工业废水处理和饮用水处理中。值得一提的是,美国几项大型的强氧化项目已经采用了紫外线技术,用来氧化处理亚硝基二甲胺,甲基叔丁基醚、杀虫剂、异嗅异味复合物和氯化溶剂等。
6.5归纳总结
紫外线技术产业在过去十年来已经相当成熟,而今正由主流水处理公司进行着标准化的使用和推广。传统的紫外线技术经过实地测试,如今在广泛的应用中取得了相当优异的成绩。随着标准、版税、工艺和工程不确定性等一系列的降低,预计在今后20年中,预计紫外线技术的认可度将会迅速提高。传统的紫外线产品的设计很大程度上依赖于流体力学软件(CFD),但是在将来的设计中它将被作为一种常规的校准工具。在今后十年中,对传统灯管,紫外线强度感应器和控制器的改进将不会间断。例如LED灯和微波灯这样的新技术,在效率、占地面积和能耗上的优势,都会给未来技术的革新提供了极大的空间。现阶段,特别是在新技术能带来更高效率和更低能耗的情况下,饮用水市场需求将会快速的增长。而其他应用,例如废水再利用及含水层储存和补充的市场相比饮用水要小一些,增长速率相对缓慢,但仍具吸引力。紫外线技术应用在强氧化项目仍在处于启蒙阶段,很大程度上受到能耗的制约。如果新型的、更高能量效率的技术出现,此领域将会迎来飞速的增长。
7.新技术
传统紫外线技术也会得到进一步的改进。中压灯会在能量效率，寿命和功率密度方面得到提高，与石英套管的有机结合可使灯管寿命超过12,000小时。这种技术结构紧凑、占地面积小，特别是在需要改建翻新或要求对适应套管能够自动清洗时，会受到设计师和使用者们的更多青睐。低压高强灯管的输出功率也会进一步提高，也许能达到 1kW ，这样会大大降低系统的占地面积和简化维护工作。对于低壓紫外线设备而言，灯管的布置也是一个相当重要的问题，因为一套低压紫外线设备需要使用上千根的低压紫外线灯管。流体力学软件（CFD）和对实际反应器的模拟方法，大大提高了制造商对自身产品处理程度和实用能力的预测力，使他们对自己的产品更有信心。系统的选型也不再是魔术，制造商能与设计工程师共同合作，最终更加精确的预计在不同水质和流速条件下的处理级别和达到不同的处理效果。紫外线设备制造商们利用流体力学软件来优化反应器内的紫外线剂量，控制流速，从而更高效的完成消毒任务，并将能耗减到最低。在制造商开发和改良反应器之后，他们采用一系列的认证协议来验证设计，如欧洲的 DVGW 和 ÖNORM 认证（均适用于饮用水），以及美国的NWRI证明（污水处理和再生水的回用），美国的USEPA认证。不久的将来，更为优化的反应器会被研发，生产和推广。新的紫外线光源，如发光二极管（LED）被称为未来技术。LED的优点在于它们能将所有的电能集中到 260nm－262nm 之间这样一个狭窄的波长范围，并且具有很高的功效和很长的使用寿命（据报道超过 100,000 小时），因为自身的点光源，所以它们不会受到传统圆柱形设计的局限。这项颇具前景的技术也存在着在灯管功率驱动上的缺陷，因此这项技术还停留于概念阶段。其它灯管类型中，例如激态分子灯，它的优点在于无汞，不需要预热，但目前此项技术仍受到功效低和整流器成本高的限制。而且，激态分子灯常常比它们要替代的产品更具毒性。越来越多的微生物D10 值*被人们所了解，并且这个列表随时都在被更新。最显著的是，研究已确认了只要很低剂量的紫外线就能消灭隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia)，但是也发现了几种具有极高 D10 值的病毒。随着紫外线技术应用的更新，会有更多的微生物被加进到现有的 D10 值列表中。复活反应是紫外线技术领域内的一个重要关注点——一些微生物在其 DNA 受紫外线照射后，显著特点在微生物可以做用于受损部分并完成修复过程。DNA的修复过程可能发生在封闭（暗）的系统中，也可能发生在有光的开放系统中（光复活反应）。紫外线剂量和紫外线灯的类型能决定复活反应是否能进行，低压（单一波长）紫外线灯会比中压（多波长）紫外线灯更易产生光复活。在光复活领域需要进行更多的研究努力，在今后 5年中很可能会有新的进展。还有大量关于紫外线消毒的研究正在进行中，尤其是如何去除水中以下常见的物质，比如氯，溴化物，硝酸盐，臭氧，NOM**和铁。普通的紫外线消毒剂量不能明显去除以上物质。对更多的水中外来元素的研究也在进行中。
8.新兴市场
自1997年至今，由于以下 几 个 因 素 市 场 增 长 速 度 略有 减 缓 ， 其 中 包 括 隐 孢 子 虫 （Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia)对紫外线敏感度的不确定，紫外线消毒技术标准框架的缺乏，指南和指导的缺乏，紫外线消毒在饮用水厂中的应用案例和工程知识的缺乏，水工业总体的保守，以及使用紫外线杀灭隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia)专利技术的几项诉讼案件的结果还不确定。所有这些问题或者已经被解决了或者正在解决中，这些努力都将为这个市场的快速增长铺平道路。对于紫外线技术而言另外一个颇具潜力的市场，是应用于灌溉的再生水和灰水。污水回用技术在美国西南部和其他淡水急剧短缺的地区已经很常见，比如中国北部，欧洲南部，中东和北非。针对这个市场，只要使用比饮用水系统更大的紫外线剂量，紫外线技术被证实有效。与饮用水标准类似的严格的伴生标准，将成为评估这些关键应用的重要方法。防止光复活反应，也将会成为处理和评估的关键因素。紫外线技术的另一新兴市场是经紫外线消毒后的水可以应用于含水层的恢复和地下水的储存。这种应用包括将深度处理过的废水注入蓄水层来补充饮用水供应。美国的加利福尼亚，德克萨斯和佛罗里达三个州都开始考虑使用此种技术，而且在世界上的其它地区对此种应用的兴趣也在不断提升。值得一提的是，美国几项大型的强氧化项目已经采用了紫外线技术，用来氧化处理 NDMA***，MTBE****，杀虫剂，异嗅异味复合物和氯化溶剂等。
9.水处理中影响二氧化氯消毒效果的因素
在使用二氧化氯进行水处理工作的时候，也是会受到一定的因素影响的!一般情况下，水温的因素是会影响到水处理中消毒试剂的使用效果，在进行消毒的时候，消毒的效果是和水温的变化有很大的影响，通常会表现出正比例的关系。通过一些实验可以得出，在水温过低的时候，二氧化氯的消毒效果是十分弱的，所以在进行消毒的时候，一定要特别重视水温对于消毒效果的影响。在进行水处理的时候，水体的酸碱值也是影响二氧化氯消毒的一个影响的因素，在酸碱值适中的情况下，二氧化氯的消毒效果是十分的理想的，并且是十分稳定的，一旦酸碱值过高或者是过低都会影响二氧化氯的消毒效果，所以在进行二氧化氯消毒以前可以对水体的酸碱值进行必要的测试，这样可以使得二氧化氯的消毒效果达到最好在水体中投入的消毒试剂的份量以及消毒试剂与水体的接触时间都是会影响消毒试剂作用水处理的效果，通常的情况下，提高消毒试剂的投入份量并且增加其与水体的接触时间都是会提高水处理的效果!在实际的水处理过程中，一定要特别注意水的温度，水体的酸碱度以及消毒试剂的投入量和消毒试剂和水体的接触时间，只要注意这些才会使得二氧化氯的消毒效果达到最好。而且在使用二氧化氯进行水体污染的时候，一定要注意水处理过程中的出水余量，将其控制在合理的量中，这样可以避免在水处理后水体中产生异味，而且对于水体的纯度和色度也会起到一定的作用。
结论
紫外线技术产业在过去十年来已经相当成熟，而今正由主流水处理公司进行着标准化的使用和推广。传统的紫外线技术经过实地测试，如今在广泛的应用中取得了相当优异的成绩。随着标准、版税、工艺和工程等一些不确定性的降低，在今后 10 年中，预计紫外线技术的认可度将会有进一步的提高。传统的紫外线产品的设计很大程度上依赖于流体力学软件（CFD），但是在将来的设计中它将被作为一种常规的校准工具。在今后10年中，对传统灯管，紫外线强度感应器和控制器的改进将不会间断。例如LED 灯和微波灯这样的新技术，在效率，占地面积和能耗上的优势，都会给未来技术的革新提供了极大的空间。现阶段，特别是在新技术能带来更高效率和更低能耗的情况下，饮用水市场需求将会快速的增长。而其它应用，例如废水再利用及含水层储存和补充的市场相比饮用水要小一些，增长速率相对缓慢，但仍具吸引力。紫外线技术应用在强氧化项目仍在处于启蒙阶段，很大程度上受到能耗的制约。如果新型的、更高能量效率的技术出现，此领域将会迎来飞速的增长。
结束语：紫外线消毒由于不投加化学药剂,不产生有害物质,安全可靠。紫外线消毒具有广谱性,能快速高效地杀死包括细菌、结核菌、病毒、芽抱和真菌等在内的所有微生物,尤其是对水中贾第鞭毛虫和隐抱子虫具有良好的灭活效果。因此,紫外线消毒技术在水和污水处理领域得到了广泛应用。但是,在实际应用中需要考虑抑制消除微生物的复活再生和持续杀菌以及克服紫外线穿透力低的问题。紫外线消毒技术的研发与应用的主要方向包括紫外线消毒后的细菌复活研究、流体力学模拟软件的应用、和紫外线消毒高效低能耗光源的开发等。这些方面的研究与开发为未来技术的革新提供了极大的空间。在不久的将来,紫外线消毒技术在水和污水处理领域的应用将更加普及。
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