污水處理廠消毒系統(tǒng)選型及應用

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摘要：對不同的污水消毒技術進行了介紹，重點闡述了紫外光消毒系統(tǒng)的特點及其選型時應注意的問題。襄樊魚梁州污水處理廠一期規(guī)模20萬m3／d，實際應用表明出水完全滿足國家一級b出水標準。關鍵詞：污水廠消毒紫外消毒 

前言  襄樊市魚梁洲污水處理廠采用的是a2o工藝，處理后，達到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（gb18918-2002）規(guī)定的一級標準的b標準后排入漢江?？紤]到污水處理分期實施的可行性，一期工程規(guī)模擬定為旱季污水量20萬m3/d。  為了有效防止傳染性病原菌對人們的危害，降低水體中的總大腸菌群數(shù)，對魚梁州污水處理廠出水進行消毒處理。目前常用的消毒方法主要有液氯、二氧化氯、紫外線消毒。本工程擬對常用的三種消毒進行技術經濟比較，著重就紫外消毒設備的選用進行說明。  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，氯在污水消毒中應用得最為廣泛。在標準狀況下，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、運輸。氯溶于水時，會生成次氯酸，次氯酸可以快速進入細胞膜，破壞細胞組織，從而起到殺菌消毒的作用。  cl2+h2o=hocl+hcl  hocl=h++ocl-  當ph值大于8.5時，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，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，不易擴散進入細胞膜，因而相對于次氯酸hocl來說，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用始于1944年，當時美國的niagara falls水廠為控制水中藻類繁殖所產生的氣味，率先使用二氧化氯獲得成功。目前在歐美國家，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，其沸點為11℃，凝固點為-59℃。目前普遍選用鹽酸和亞氯酸鈉反應的純化學法生成二氧化氯，選用此種方法，是因為這種方法二氧化氯轉化率最高。反應式為：  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%時就有可能發(fā)生爆炸，在45-50℃時會劇烈分解。二氧化氯的水溶液在較高溫度與光照下會生成clo2與clo3，因此應在避光低溫處存放。二氧化氯溶液濃度在10g/l以下時，基本沒有爆炸的危險。因此不能象氯氣那樣裝瓶運輸，只能在使用現(xiàn)場臨時制備。  1.3紫外線消毒  紫外線分為四個不同的波段：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（見圖1），可在1s之內通過破壞微生物的dna結構殺死病毒和細菌，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)小時才能起到殺菌作用，在實際工程的數(shù)秒鐘水力停留（照射）時間內，該部分實際上屬于無效紫外部分。因此，給排水工程中所說的紫外光消毒實際上就是指uvc消毒。  目前能夠輸出足夠的uvc強度用于工程消毒的只有人工汞（合金）燈光源。汞燈根據(jù)點亮后的燈管內汞蒸氣壓的不同和uv輸出強度的不同，分為三種：低壓低強度汞燈、中壓高強度汞燈和低壓高強度汞燈。三種光源的波譜圖見圖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）＝照射時間（s）×uvc強度（w／m2）  照射劑量越大，消毒效率越高。由于設備尺寸要求，一般照射時間只有幾秒，因此，燈管的uvc輸出強度就成了衡量紫外光消毒設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)光復活現(xiàn)象，即病菌不能被徹底殺死，當從渠道中流出接受可見光照射后，重新復活，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uvc輸出強度和照射時間一定時，透光率的變化將造成微生物實際接受劑量的變化。確定消毒器能力的核心問題是如何決定輻照劑量。表1列出了不同微生物達到不同殺滅率需要的輻照劑量值，試驗水樣染菌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  白喉桿菌  結核桿菌  黑曲霉孢子  流感病毒  破傷風病毒  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,選定的輻照劑量過高會浪費不必要的能量，過低又達不到水消毒的目的。一般認為在紫外線消毒的實際應用中，考慮到消毒器的構造結構、水流分布、燈管使用過程中強度的變化、進水水質、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),產品出廠時應大于12000u w/(cm2)。  1.4 消毒方法特點分析  1.4.1 氯作為一種強氧化性消毒劑，由于其殺菌能力強，價格低廉，使用簡單，是目前污水消毒中應用最廣泛的消毒劑，已經積累了大量的實踐經驗。氯氣消毒自1908年問世以來，隨著水質分析技術的不斷發(fā)展和完善，科學家們對液氯消毒在水處理上的應用重新進行了評估和研究，發(fā)現(xiàn)氯氣消毒具有以下缺點：①氯會與水中腐殖酸類物質反應形成致癌的鹵代烴（thms）；②氯會與酚類反應形成有怪味的氯酚；③氯與水中的氨反應形成消毒效力低的氯胺，而且排入水體后對魚類有危害；④氯在ph值較高時消毒效力大幅度下降；⑥氯長期使用會引起某些微生物的抗曲線性。  1.4.2 二氧化氯對大腸桿菌、脊椎灰質炎病毒、甲肝病毒、蘭泊氏賈第蟲胞囊、尖刺賈第蟲胞囊等均有很好的殺滅作用，效果優(yōu)于自由氯。與氯不同，二氧化氯的一個重要特點是在堿性條件下仍具有很好的殺菌能力。由于二氧化氯不會與氨反應，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，而且二氧化氯對藻類也具有很好的殺滅作用。  但應用二氧化氯消毒也存在一些問題，加入到水中的二氧化氯有50%～70%轉變?yōu)閏lo2、clo3 。很多試驗表明clo2、clo3，對紅血細胞有損害，對碘的吸收代謝有干擾，還會使血液膽固醇升高：使用二氧化氯消毒，水有特殊的氣味，據(jù)調查，這是由于從水中溢出的二氧化氯與空氣中的有機物反應所致：使用二氧化氯消毒會使污水處理成本升高。  1.4.3 紫外消毒具有消毒效果好，無二次污染的特點，但由于紫外線的穿透能力較低，所以對水的色度、濁度、含鐵量等有一定要求。一般，色度應小于15度，濁度應小于5度，總鐵含量應小于0.3mg/l。燈管周圍介質溫度也會影響紫外線燈的輻射強度。紫外燈管與被照射點之間的距離對紫外線強度也有影響，強度系數(shù)隨距離的增加而減小。通過以上分析可知，紫外線應用于污水消毒會受到出水色度、濁度、溫度、距離、使用時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藥劑，不改變水的成分和結構，消毒時間短，殺菌范圍寬，效果好，危險性小，無二次污染，不需建造較大的接觸池，占地面積和土建費用大大減少。因此本工程最終選用紫外消毒方法。  2 紫外消毒系統(tǒng)設備選擇  由于目前國內大型污水處理廠中已經運行的的紫外消毒裝置不多，許多用戶和設計人員缺乏設備比選的經驗。我們通過襄樊富春污水處理廠紫外消毒裝置的選擇以及隨后的應用研究，積累了一定的經驗，認為應該重點注意以下4個方面。  燈管的選擇  分兩個方面。一是單支燈管的uvc輸出強度越高，所需要的燈管數(shù)量越少，投資和運行維護費用越低。從圖2～圖4可以看出，高強度汞燈的輸出強度高，優(yōu)于低強度汞燈。二是uvc電光轉換效率（253.7 nm），這又分兩個層次。一是燈管消耗的電能轉換為光能的效率，二是光能中253.7 nm波長（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，進一步造成能量浪費，因此，低壓高強度汞燈的電光轉換效率高于中壓高強汞燈。襄樊魚梁州uvc消毒系統(tǒng)的電光轉化效率高達42％。  2.2傳感器及實時調節(jié)系統(tǒng)的選擇  污水處理廠水量、水質波動較大，因此進行uvc輸出強度的實時調節(jié)對節(jié)約電耗和延長燈管壽命意義重大。這主要通過燈管的可變輸出和傳感器的真實反饋來實現(xiàn)。就傳感器進行真實反饋而言，其位置和波長的選擇性極為重要。有些產品的傳感器放在紫外燈管和石英套管之間，反饋的信號沒有包含被消毒水的透光率變化情況。此外，一些傳感器的波長選擇性不強，測出的紫外光強度還包含了除253.7nm之外的其他波長的紫外光。能真實反應微生物實際接受的uvc照射強度的傳感器應是放置在水中（與微生物處于同一位置），并且只監(jiān)測253.7nm波長強度。襄樊魚梁州污水處理廠即采用的這種傳感器，其低壓高強度汞燈在50～100％的范圍內可以實現(xiàn)電耗與uvc輸出的線性自動調整。  2.3自動清洗系統(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、自動機械清洗和自動化學清洗三種。由于人工清洗要中斷消毒、工作量大、操作時易損傷燈管，且間隔時間長（自動清洗一般1～2次／小時），無法保證石英套管所必需的最低綜合透光率，因此，除極個別特殊情況外，極少使用。自動清洗系統(tǒng)的選擇與所使用的燈管有關。對于中壓高強度燈管，溫度在600～900℃之間，結垢嚴重，必須采用機械化學清洗。對于低壓高強度燈管，溫度低于110℃，結垢量和速度都遠遠低于中壓高強燈管，在1～2次／h的清洗頻率內，不會形成結垢。襄樊魚梁州連續(xù)10個月的實際運行結果也證明了這一點。  3 監(jiān)測結果  襄樊魚梁州污水處理廠出水設計糞大腸菌值為≤10,000個/l，實測糞大腸桿菌值均小于≤10,000個/l（見表2）。  月份 平均進口濃度  （ 個/l） 平均出口濃度  （個/l） 月份 平均進口濃度  （個/l） 平均出口濃度  （個/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運行成本  其中：紫外系統(tǒng)功率=98.6kw  能源消耗費： 0.0053元／m3其中：（綜合電價：0.50元／kwh ）  燈管更換費用：0.0051元／m3  運行費用合計：0.0106元／m3，  5結論  （1）紫外光用于城市污水處理出水的消毒可以達到gb18918-2002一級b類水質標準要求。  （2）該技術具有無二次污染的特點，應用前景廣闊。  （3）能耗低、運行費用低；自動化程度高；維護簡便。  （4）在設備選用方面，低壓高強度紫外燈的綜合技術經濟指標優(yōu)于中壓高強度紫外燈。