污水處理廠消毒系統(tǒng)選型及應(yīng)用

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摘要：對(duì)不同的污水消毒技術(shù)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)闡述了紫外光消毒系統(tǒng)的特點(diǎn)及其選型時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。襄樊魚(yú)梁州污水處理廠一期規(guī)模20萬(wàn)m3／d，實(shí)際應(yīng)用表明出水完全滿足國(guó)家一級(jí)b出水標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：污水廠消毒紫外消毒 

前言  襄樊市魚(yú)梁洲污水處理廠采用的是a2o工藝，處理后，達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（gb18918-2002）規(guī)定的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的b標(biāo)準(zhǔn)后排入漢江?？紤]到污水處理分期實(shí)施的可行性，一期工程規(guī)模擬定為旱季污水量20萬(wàn)m3/d。  為了有效防止傳染性病原菌對(duì)人們的危害，降低水體中的總大腸菌群數(shù)，對(duì)魚(yú)梁州污水處理廠出水進(jìn)行消毒處理。目前常用的消毒方法主要有液氯、二氧化氯、紫外線消毒。本工程擬對(duì)常用的三種消毒進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，著重就紫外消毒設(shè)備的選用進(jìn)行說(shuō)明。  1 液氯、二氧化氯、紫外消毒原理介紹  1.1 液氯消毒  在水溶液中，鹵素（包括氯、溴及碘）是非常高效的消毒劑，其中，氯在污水消毒中應(yīng)用得最為廣泛。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氯是一種淡淡的黃綠色的氣體，在-34.5℃，100kpa的情況下，氯以透明的琥珀色的液態(tài)形式存在。液氯通常裝在鋼制的氯瓶中貯存、運(yùn)輸。氯溶于水時(shí)，會(huì)生成次氯酸，次氯酸可以快速進(jìn)入細(xì)胞膜，破壞細(xì)胞組織，從而起到殺菌消毒的作用。  cl2+h2o=hocl+hcl  hocl=h++ocl-  當(dāng)ph值大于8.5時(shí)，次氯酸基本上全部離解成氫離子h+和次氯酸根離子ocl-，在ph值小于6.0時(shí)，則基本上以次氯酸hoc1形式存在，由于次氯酸根離子ocl-帶有電荷，不易擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞膜，因而相對(duì)于次氯酸hocl來(lái)說(shuō)，殺菌能力較弱，僅為hocl的1/8左右。  1.2 二氧化氯消毒  二氧化氯在水處理中的應(yīng)用始于1944年，當(dāng)時(shí)美國(guó)的niagara falls水廠為控制水中藻類繁殖所產(chǎn)生的氣味，率先使用二氧化氯獲得成功。目前在歐美國(guó)家，二氯化氯在水廠中的使用已日趨普遍。二氧化氯（clo2，分子量67.47）是一種黃綠色氣體，具有與氯相同的刺激性氣味，其沸點(diǎn)為11℃，凝固點(diǎn)為-59℃。目前普遍選用鹽酸和亞氯酸鈉反應(yīng)的純化學(xué)法生成二氧化氯，選用此種方法，是因?yàn)檫@種方法二氧化氯轉(zhuǎn)化率最高。反應(yīng)式為：  4hcl+5naclo2=4clo2+5nacl+2h2o  二氧化氯的氣體極不穩(wěn)定，在空氣中濃度為10%時(shí)就有可能發(fā)生爆炸，在45-50℃時(shí)會(huì)劇烈分解。二氧化氯的水溶液在較高溫度與光照下會(huì)生成clo2與clo3，因此應(yīng)在避光低溫處存放。二氧化氯溶液濃度在10g/l以下時(shí)，基本沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)。因此不能象氯氣那樣裝瓶運(yùn)輸，只能在使用現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)制備。  1.3紫外線消毒  紫外線分為四個(gè)不同的波段：uva（400～315nm）、uvb（315～280nm）、uvc（280～200nm）和真空紫外線（200～100nm）。其中就殺菌速度而言，uvc處于微生物吸收峰范圍之內(nèi)（見(jiàn)圖1），可在1s之內(nèi)通過(guò)破壞微生物的dna結(jié)構(gòu)殺死病毒和細(xì)菌，而uva和uvb由于處于微生物吸收峰范圍之外，殺菌速度很慢，往往需要數(shù)小時(shí)才能起到殺菌作用，在實(shí)際工程的數(shù)秒鐘水力停留（照射）時(shí)間內(nèi)，該部分實(shí)際上屬于無(wú)效紫外部分。因此，給排水工程中所說(shuō)的紫外光消毒實(shí)際上就是指uvc消毒。  目前能夠輸出足夠的uvc強(qiáng)度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。汞燈根據(jù)點(diǎn)亮后的燈管內(nèi)汞蒸氣壓的不同和uv輸出強(qiáng)度的不同，分為三種：低壓低強(qiáng)度汞燈、中壓高強(qiáng)度汞燈和低壓高強(qiáng)度汞燈。三種光源的波譜圖見(jiàn)圖2～圖4。    殺菌效果是由微生物所接受的照射劑量決定的。  照射劑量（j／m2）＝照射時(shí)間（s）×uvc強(qiáng)度（w／m2）  照射劑量越大，消毒效率越高。由于設(shè)備尺寸要求，一般照射時(shí)間只有幾秒，因此，燈管的uvc輸出強(qiáng)度就成了衡量紫外光消毒設(shè)備性能最主要的參數(shù)。在城市污水消毒中，一般平均照射劑量在300 j／m2以上。低于此值，有可能出現(xiàn)光復(fù)活現(xiàn)象，即病菌不能被徹底殺死，當(dāng)從渠道中流出接受可見(jiàn)光照射后，重新復(fù)活，降低了殺菌效果。殺菌效率要求越高，所需的照射劑量越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射劑量的主要因素是透光率（254 nm處），當(dāng)uvc輸出強(qiáng)度和照射時(shí)間一定時(shí)，透光率的變化將造成微生物實(shí)際接受劑量的變化。確定消毒器能力的核心問(wèn)題是如何決定輻照劑量。表1列出了不同微生物達(dá)到不同殺滅率需要的輻照劑量值，試驗(yàn)水樣染菌1×105cfu/l,水深2cm。  微生物 殺滅率  90% 99% 99.99% 100%  大腸桿菌  傷寒桿菌  枯草桿菌芽胞  金黃色葡萄球菌  白喉?xiàng)U菌  結(jié)核桿菌  黑曲霉孢子  流感病毒  破傷風(fēng)病毒  溶血性鏈球菌  大腸桿菌菌體    表1  從表1中可以看出，殺滅不同微生物需要不同的輻照劑量，而存在于水中的微生物是多種多樣的,選定的輻照劑量過(guò)高會(huì)浪費(fèi)不必要的能量，過(guò)低又達(dá)不到水消毒的目的。一般認(rèn)為在紫外線消毒的實(shí)際應(yīng)用中，考慮到消毒器的構(gòu)造結(jié)構(gòu)、水流分布、燈管使用過(guò)程中強(qiáng)度的變化、進(jìn)水水質(zhì)、電源特性、環(huán)境條件，以及必要的安全系數(shù)，消毒器同最初的紫外線輻照劑量應(yīng)留有余量。紫外線消毒器所能提供的輻照劑量最低不小于9000uw/(cm2.s),產(chǎn)品出廠時(shí)應(yīng)大于12000u w/(cm2)。  1.4 消毒方法特點(diǎn)分析  1.4.1 氯作為一種強(qiáng)氧化性消毒劑，由于其殺菌能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，是目前污水消毒中應(yīng)用最廣泛的消毒劑，已經(jīng)積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。氯氣消毒自1908年問(wèn)世以來(lái)，隨著水質(zhì)分析技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，科學(xué)家們對(duì)液氯消毒在水處理上的應(yīng)用重新進(jìn)行了評(píng)估和研究，發(fā)現(xiàn)氯氣消毒具有以下缺點(diǎn)：①氯會(huì)與水中腐殖酸類物質(zhì)反應(yīng)形成致癌的鹵代烴（thms）；②氯會(huì)與酚類反應(yīng)形成有怪味的氯酚；③氯與水中的氨反應(yīng)形成消毒效力低的氯胺，而且排入水體后對(duì)魚(yú)類有危害；④氯在ph值較高時(shí)消毒效力大幅度下降；⑥氯長(zhǎng)期使用會(huì)引起某些微生物的抗曲線性。  1.4.2 二氧化氯對(duì)大腸桿菌、脊椎灰質(zhì)炎病毒、甲肝病毒、蘭泊氏賈第蟲(chóng)胞囊、尖刺賈第蟲(chóng)胞囊等均有很好的殺滅作用，效果優(yōu)于自由氯。與氯不同，二氧化氯的一個(gè)重要特點(diǎn)是在堿性條件下仍具有很好的殺菌能力。由于二氧化氯不會(huì)與氨反應(yīng)，因此在高ph 值的含氨的系統(tǒng)中可發(fā)揮極好的殺菌作用，而且二氧化氯對(duì)藻類也具有很好的殺滅作用。  但應(yīng)用二氧化氯消毒也存在一些問(wèn)題，加入到水中的二氧化氯有50%～70%轉(zhuǎn)變?yōu)閏lo2、clo3 。很多試驗(yàn)表明clo2、clo3，對(duì)紅血細(xì)胞有損害，對(duì)碘的吸收代謝有干擾，還會(huì)使血液膽固醇升高：使用二氧化氯消毒，水有特殊的氣味，據(jù)調(diào)查，這是由于從水中溢出的二氧化氯與空氣中的有機(jī)物反應(yīng)所致：使用二氧化氯消毒會(huì)使污水處理成本升高。  1.4.3 紫外消毒具有消毒效果好，無(wú)二次污染的特點(diǎn)，但由于紫外線的穿透能力較低，所以對(duì)水的色度、濁度、含鐵量等有一定要求。一般，色度應(yīng)小于15度，濁度應(yīng)小于5度，總鐵含量應(yīng)小于0.3mg/l。燈管周圍介質(zhì)溫度也會(huì)影響紫外線燈的輻射強(qiáng)度。紫外燈管與被照射點(diǎn)之間的距離對(duì)紫外線強(qiáng)度也有影響，強(qiáng)度系數(shù)隨距離的增加而減小。通過(guò)以上分析可知，紫外線應(yīng)用于污水消毒會(huì)受到出水色度、濁度、溫度、距離、使用時(shí)間等的影響而降低殺菌效果。    1.5 消毒方法選擇  考慮紫外線消毒具有不需投加任何化學(xué)藥劑，不改變水的成分和結(jié)構(gòu)，消毒時(shí)間短，殺菌范圍寬，效果好，危險(xiǎn)性小，無(wú)二次污染，不需建造較大的接觸池，占地面積和土建費(fèi)用大大減少。因此本工程最終選用紫外消毒方法。  2 紫外消毒系統(tǒng)設(shè)備選擇  由于目前國(guó)內(nèi)大型污水處理廠中已經(jīng)運(yùn)行的的紫外消毒裝置不多，許多用戶和設(shè)計(jì)人員缺乏設(shè)備比選的經(jīng)驗(yàn)。我們通過(guò)襄樊富春污水處理廠紫外消毒裝置的選擇以及隨后的應(yīng)用研究，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)該重點(diǎn)注意以下4個(gè)方面。  燈管的選擇  分兩個(gè)方面。一是單支燈管的uvc輸出強(qiáng)度越高，所需要的燈管數(shù)量越少，投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用越低。從圖2～圖4可以看出，高強(qiáng)度汞燈的輸出強(qiáng)度高，優(yōu)于低強(qiáng)度汞燈。二是uvc電光轉(zhuǎn)換效率（253.7 nm），這又分兩個(gè)層次。一是燈管消耗的電能轉(zhuǎn)換為光能的效率，二是光能中253.7 nm波長(zhǎng)（即uvc）部分所占的比例。從圖2～圖4可以看出，低壓汞燈的紫外輸出主要集中在253.7 nm，而中壓汞燈的紫外輸出主要集中在366 nm，且中壓汞燈發(fā)熱量很大，進(jìn)一步造成能量浪費(fèi)，因此，低壓高強(qiáng)度汞燈的電光轉(zhuǎn)換效率高于中壓高強(qiáng)汞燈。襄樊魚(yú)梁州uvc消毒系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)化效率高達(dá)42％。  2.2傳感器及實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇  污水處理廠水量、水質(zhì)波動(dòng)較大，因此進(jìn)行uvc輸出強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)節(jié)約電耗和延長(zhǎng)燈管壽命意義重大。這主要通過(guò)燈管的可變輸出和傳感器的真實(shí)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。就傳感器進(jìn)行真實(shí)反饋而言，其位置和波長(zhǎng)的選擇性極為重要。有些產(chǎn)品的傳感器放在紫外燈管和石英套管之間，反饋的信號(hào)沒(méi)有包含被消毒水的透光率變化情況。此外，一些傳感器的波長(zhǎng)選擇性不強(qiáng)，測(cè)出的紫外光強(qiáng)度還包含了除253.7nm之外的其他波長(zhǎng)的紫外光。能真實(shí)反應(yīng)微生物實(shí)際接受的uvc照射強(qiáng)度的傳感器應(yīng)是放置在水中（與微生物處于同一位置），并且只監(jiān)測(cè)253.7nm波長(zhǎng)強(qiáng)度。襄樊魚(yú)梁州污水處理廠即采用的這種傳感器，其低壓高強(qiáng)度汞燈在50～100％的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)電耗與uvc輸出的線性自動(dòng)調(diào)整。  2.3自動(dòng)清洗系統(tǒng)的選擇  污水處理廠紫外光消毒系統(tǒng)的清洗系統(tǒng)有人工清洗、自動(dòng)機(jī)械清洗和自動(dòng)化學(xué)清洗三種。由于人工清洗要中斷消毒、工作量大、操作時(shí)易損傷燈管，且間隔時(shí)間長(zhǎng)（自動(dòng)清洗一般1～2次／小時(shí)），無(wú)法保證石英套管所必需的最低綜合透光率，因此，除極個(gè)別特殊情況外，極少使用。自動(dòng)清洗系統(tǒng)的選擇與所使用的燈管有關(guān)。對(duì)于中壓高強(qiáng)度燈管，溫度在600～900℃之間，結(jié)垢嚴(yán)重，必須采用機(jī)械化學(xué)清洗。對(duì)于低壓高強(qiáng)度燈管，溫度低于110℃，結(jié)垢量和速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中壓高強(qiáng)燈管，在1～2次／h的清洗頻率內(nèi)，不會(huì)形成結(jié)垢。襄樊魚(yú)梁州連續(xù)10個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。  3 監(jiān)測(cè)結(jié)果  襄樊魚(yú)梁州污水處理廠出水設(shè)計(jì)糞大腸菌值為≤10,000個(gè)/l，實(shí)測(cè)糞大腸桿菌值均小于≤10,000個(gè)/l（見(jiàn)表2）。  月份 平均進(jìn)口濃度  （ 個(gè)/l） 平均出口濃度  （個(gè)/l） 月份 平均進(jìn)口濃度  （個(gè)/l） 平均出口濃度  （個(gè)/l）  3 9.3×106 9000 7 1.1×107 9500  4 7.6×106 7000 8 2.1×107 9500  5 8.9×106 6500 9 7.8×106 8500  6 8.3×106 8000 10 1．1×107 8000  表2  4運(yùn)行成本  其中：紫外系統(tǒng)功率=98.6kw  能源消耗費(fèi)： 0.0053元／m3其中：（綜合電價(jià)：0.50元／kwh ）  燈管更換費(fèi)用：0.0051元／m3  運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)：0.0106元／m3，  5結(jié)論  （1）紫外光用于城市污水處理出水的消毒可以達(dá)到gb18918-2002一級(jí)b類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。  （2）該技術(shù)具有無(wú)二次污染的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。  （3）能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低；自動(dòng)化程度高；維護(hù)簡(jiǎn)便。  （4）在設(shè)備選用方面，低壓高強(qiáng)度紫外燈的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于中壓高強(qiáng)度紫外燈。