紫外线消毒工艺与应用概况

　　20世纪70年代以后，人们发现传统的氯消毒会产生致畸、致癌、致突变的卤代烷等副产物［1］，而UV消毒法则具有不投加化学药剂、不增加水的嗅和味、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点，近20年来逐渐得到广泛应用。
1　消毒原理
　　根据生物效应的不同，将紫外线按照波长划分为四个部分：A波段(UV—A)，又称为黑斑效应紫外线(400～320nm)；B波段(UV—B)，又称为红斑效应紫外线(320～275nm)；C波段(UV—C)，又称为灭菌紫外线(275～200nm)；D波段(UV—D)，又称为真空紫外线(200～10nm)。水消毒主要采用的是C波段紫外线。
　　研究表明，紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体) 的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等［2］，从而改变了DNA的生物活性，使微生物自身不能复制，这种紫外线损伤也是致死性损伤。
2　UV消毒器的结构形式
　　UV消毒器按水流边界的不同分为敞开式和封闭式。
2.1　敞开式系统
　　在敞开式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流经UV消毒器并灭活水中的微生物。敞开式系统又可分为浸没式和水面式两种。
　　浸没式又称为水中照射法，其典型构造如图1所示［3］。将外加同心圆石英套管的紫外灯置入水中，水从石英套管的周围流过，当灯管(组)需要更换时，使用提升设备将其抬高至工作面进行操作。该方式构造比较复杂，但紫外辐射能的利用率高、灭菌效果好且易于维修。
　　系统运行的关键在于维持恒定的水位，若水位太高则灯管顶部的部分进水得不到足够的辐射，可能造成出水中的微生物指标过高；若水位太低则上排灯管暴露于大气之中，会引起灯管过热并在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外线的辐射。图1中采用自动水位控制器(滑动闸门)来控制水位。在自动化程度要求不高的系统中，也可以采用固定的溢流堰来控制水位［4］。
　　水面式又称为水面照射法［5］，即将紫外灯置于水面之上，由平行电子管产生的平行紫外光对水体进行消毒。该方式较浸没式简单，但能量浪费较大、灭菌效果差，实际生产中很少应用。
2.2　封闭式系统
　　封闭式UV消毒器属承压型，用金属筒体和带石英套管的紫外线灯把被消毒的水封闭起来，结构形式如图2所示。
　　筒体常用不锈钢或铝合金制造，内壁多作抛光处理以提高对紫外线的反射能力和增强辐射强度，还可根据处理水量的大小调整紫外灯的数量。有的消毒器在筒体内壁加装了螺旋形叶片以改变水流的运动状态而避免出现死水和管道堵塞［6］，所产生的紊流以及叶片锋利的边缘会打碎悬浮固体，使附着的微生物完全暴露于紫外线的辐射中，提高了消毒效率 。
　　封闭式也划分为敞开式和浸没式。敞开式消毒器适用于中、大水量处理，多用于污水处理厂。封闭式消毒器一般适用于中、小水量处理或有必要施加压力且消毒器不能在明渠中使用的情况。
　　各种系统中外罩密封石英套管的紫外线灯管都可以与水流方向垂直或平行布置［7］。平行系统水力损失小、水流形式均匀，而垂直系统则可以使水流紊动，提高消毒效率。
3　应用概况
　　UV消毒法最早应用于美国(1970年美国环保局完成了第一个污水紫外线消毒的示范工程)，现已在美国和加拿大普遍应用。据报道，1985年美国的污水厂中仅有50座采用了UV消毒，并且其中大部分处理水量相当低(＜3.785×103m3/d)；到1990年已超过500座，而且处理能力有相当大的提高(＞3.785×104m3/d)；1995年已有1500座污水处理厂采用了UV消毒。目前加拿大的魁北克省拥有最大的污水UV消毒设施，处理能力达到7.42×105m3/d［8、9］。
　　近年来，一些污水厂将原有的氯消毒系统改造成为紫外线消毒系统，譬如美国新罕布什尔州、得克萨斯州、俄亥俄州等地的污水厂。因为UV消毒接触时间短、占用的空间小，故完全可以利用已有的氯接触池改造成紫外线消毒系统。图3为具有代表性的污水厂氯消毒改造成UV消毒的俯视图。
　　大多数紫外线装置利用传统的低压紫外灯技术，也有一些大型水厂采用高强度低压紫外灯系统和中压紫外灯系统［10］，由于产生高强度的紫外线可 使灯管数量减少90%以上［11］，从而缩小了占地面积，节约了安装和维修费用，且使UV消毒法对水质较差的出水也适用。
　　国内研究、生产和应用污水UV消毒器者为数尚少。天津大学的顾平等人［12］以天津纪庄子污水处理厂的深度处理出水为研究对象，进行了静态和动态试验，确定了紫外线剂量与细菌存活率之间的关系，并设计出能产生紊流的UV消毒器。多元水环保技术产业(中国)有限公司研制生产的封闭式消毒器可处理100～500m3/h水量，并且在游泳池的循环水消毒中已有应用，模块化敞开式消毒器可根据用户需求具体设计安装。烟台市套子湾污水厂的深度处理采用了敞开式UV消毒工艺，可向城市提供4×104m3/d的工业回用水，目前运行状况良好。
4　存在问题及应用前景
4.1　存在问题
　　①UV消毒法不能提供剩余的消毒能力，当处理水离开反应器之后，一些被紫外线杀伤的微生物在光复活机制下会修复损伤的DNA分子，使细菌再生。因此，要进一步研究光复活的原理和条件，确定避免光复活发生的最小紫外线照射强度、时间或剂量。
　　②石英套管外壁的清洗工作是运行和维修的关键。当污水流经UV消毒器时，其中有许多无机杂质会沉淀、粘附在套管外壁上。尤其当污水中有机物含量较高时更容易形成污垢膜，而且微生物容易生长形成生物膜，这些都会抑制紫外线的透射，影响消毒效果。因此，必须根据不同的水质采用合理的防结垢措施和清洗装置，开发研制具有自动清洗功能的UV消毒器。
　　③目前国产紫外灯执行直管型石英紫外线低压汞消毒灯的国家行业标准(YY/T0160—94)，灯的最大功率为4W，且有效寿命一般为1000～3000h，而进口低压灯管的有效运行时间可达8000～12000h，中压灯管也可达5000～6000h。相比之下，使用国产灯管会增加维修费用，因此，研制生产寿命长的紫外灯或直接引进国外先进的紫外灯生产技术是目前亟待解决的问题。
4.2　应用前景
　　①经过紫外线消毒的污水可以在很多领域再利用，以实现污水资源化。将其用于灌溉农田、林地和草坪等可避免化学消毒剂对植物的损伤；用于地下水回灌可以防止微生物对化学消毒剂产生适应性而再度繁殖造成的地层堵塞。
　　②随着对UV消毒机理的深入研究、紫外线技术的不断发展以及消毒装置在设计上的日臻完善，UV消毒法有望成为代替传统氯化消毒的主要方法之一。