紫外线消毒的理论研究
摘要 紫外线消毒技术经过近20年的发展已日趋成熟,尤其是在污水处理中的应用理论也得到进一步的完善。就紫外线消毒系统在污水处理中的消毒原理、施用剂量及计算方法、消毒性能影响因素及应用关键技术做了较全面系统的阐述。
1. 紫外线消毒原理
早在1878年人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。日常生活中晒衣服就是利用天然光源中的紫外线达到杀菌消毒的目的。
紫外线消毒是一种物理消毒方法,紫外线消毒并不是杀死微生物,而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒的原理主要是用紫外光摧毁微生物的遗传物质核酸(DNA或RNA),使其不能分裂复制。除此之外,紫外线还可引起微生物其他结构的破坏。微生物在人体内不能复制繁殖,就会自然死亡或被人体免疫系统消灭,从而不会对人体造成危害。
紫外线是波长在200~400 nm的电磁波,它又分为4个波段,见图1。其中能杀菌消毒的紫外波段为200~300 nm,即紫外C和紫外B中的部通常人们较关注微生物对紫外线的吸收频谱,认253•7 nm是紫外线消毒的最佳波段,并把紫线消毒技术称为紫外C消毒,确切来说是不全的,因为忽视了微生物对紫外线的反应频谱。
紫外线对核酸/微生物的破坏取决于核酸/微生物对紫外线的吸收和反应。如果只有吸收,没有反应,那么该波长的紫外线也不会具有灭活作用。吸收+反应决定了核酸或某种微生物对某一波段紫外线的响应或敏感性,即紫外线能对其产生灭活能力。
图2和图3分别为核酸及一些微生物对紫外线的吸收频谱和反应频谱,可以看到微生物对紫外线照射的响应和核酸对紫外线的响应有很强的相关性。可以看出核酸对紫外线的吸收大致在260~265 nm存在一个峰值,而对紫外线的反应则是在260~269 nm有一个峰值。而某些微生物如MS2噬菌体、湿疣病毒、烟草花叶病毒和呼肠弧病毒等的最大紫外线反应波长则在230 nm以下[1~4] 。
若认为能发出253•7 nm波长单频谱输出的低压紫外汞灯消毒效果优于多频谱输出的中压紫外灯,是不符合实际的,对很多微生物并不存在唯一的最佳紫外线消毒波长。大量的研究和实际运行结果表明单频谱输出的低压紫外灯和多频谱输出的中压紫外灯在照射到微生物上的紫外剂量相同的条件下,其消毒效果是相同的[5~8]。对某一特定微生物来说,接收到的紫外剂量是决定其灭活程度的唯一因素。
2. 紫外剂量及剂量响应曲线
微生物所接收到的紫外照射剂量决定了其灭活的程度,不同的微生物种类对相同紫外剂量的响应是不同的。微生物通过紫外线消毒器时接收到的紫外剂量定义为：
Dose=∫t0Idt （1）
式中Dose———紫外剂量,mW•s/cm2;
I———微生物在其运动轨迹上某一点接收到的紫外照射光强,mW/cm2;
t———曝光时间或滞留时间,s。
在实际的紫外线消毒器或系统中,由于光强在空间的不均匀分布,流体动力学的限制以及微生物在消毒器中滞留时间很短(一般1~10 s左右),每个微生物个体接收到的紫外剂量是不同的(即消毒器非理想)。如果假设消毒器为理想消毒器,则所有微生物都接收到相同的紫外照射剂量,式(1)可表示为：
Dose=-I-t （2）
其中-I和-t分别为消毒器内平均光强和平均曝光时间。式(2)类似于加氯消毒CT的计算。在微生物试验中,一般用紫外平行光束仪来测量某种微生物对紫外照射的响应特性,即其对紫外线消毒的敏感性。在特定光强下,通过控制曝光时间得到不同的紫外剂量,再测出相应的存活微生物含量,可得到该微生物的紫外剂量响应曲线,见图4。此方法所得的紫外剂量叫做平行光剂量,一般认为此方法可完全排除流体动力学影响,根据此方法得到的曲线完全反映了紫外线对微生物的纯生化作用,故该紫外剂量也叫生化紫外剂量。此曲线是设计紫外线消毒工艺的基本依据,一个紫外消毒系统在考虑其它各种因素和必要的安全系数后,所能实现的有效紫外剂量不能小于由该曲线得出的对微生物消毒时所需要的生化剂量。
由图4还可以看出,响应曲线在剂量增加到一定范围后逐渐持平,即存在极限,也就是说再加大消毒剂量也不能改善消毒效果。这主要和水质条件尤其是总悬浮固体数TSS和固体颗粒尺寸有关。
3. 微生物受到紫外线照射后的修复
如果微生物没有接收到足够的紫外照射剂量,有些微生物可以修复其受到的损伤。大量的研究表明,病毒本身没有修复能力;有些细菌具有修复能力,受到的紫外照射剂量越高,其修复能力越低。只要剂量设计适当,可完全去除或有效地抑制这些微生物的修复能力。
微生物的修复可分为光修复和黑暗修复。光修复需要可见光的存在,而且微生物在受到紫外线照射后到见到可见光之间的间隔时间越长,微生物见到可见光后光修复的能力就越低。如果时间间隔超过2 h,一些微生物会完全丧失光修复能力[9]。污水处理厂在设计时可利用这一特点通过增加消毒后污水不见光的时间来进一步抑制微生物的修复。研究证明只要设计合理,微生物的修复在实际污水处理和回用水处理系统中并不重要。另外污水本身的特性也被认为不利于微生物受伤后的修复,有些研究还显示中压紫外灯发射的某些紫外波长可以抑制或破坏微生物的修复能力。世界上使用紫外消毒工艺的3 000多家污水处理厂的实际运行表明微生物的修复并不是实际问题,在国外已不再是紫外污水消毒处理应用中担心的问题。
4. 影响紫外消毒系统消毒性能的各种因素
4.1 紫外穿透率(UVT)
图5显示了紫外穿透率的测量方法,以超纯水或去离子水为参照水样,其紫外穿透率为100%;一般测试时的水样光程长度为1 cm。测量结果可直接显示为紫外穿透率在253•7 nm的吸光度a,紫外穿透率与吸光度的关系如式(3)表示：
4.2 TSS和颗粒尺寸影响
当悬浮物含量较高时,所需达到某一特定消毒指标的紫外剂量也要提高。而对于固定的悬浮物含量,存在一个相应的消毒极限(图4)。当趋于消毒极限时,即使紫外剂量大幅度增加也很难再进一步降低水体中微生物的含量。
4.3 污水成分
污水的成分很复杂,含有大量的有机物、无机物和微生物,特别是来自一些工业废水(如印染、纺织、屠宰废水等)的成分更加复杂,会吸收紫外线,从而降低水体的紫外穿透率。另外,很多杂质会在灯管的石英套管表面结成靠纯机械刮擦难以有效去除的污垢,降低灯管发射到水体中的紫外剂量,从而影响系统的消毒性能。这些因素必须在紫外线消毒系统设计时予以考虑。
4.4 紫外线消毒系统上游的处理工艺
紫外线消毒系统上游的处理工艺也会影响系统的消毒效果,例如:采用的处理程度(是一级处理还是一级强化处理),采用混凝剂的成分、二级生化处理选用的工艺等。这些影响一般很难用理论公式计算,基本是靠大量经验的积累。
5. 消毒系统的关键技术
除了水质参数外,紫外线消毒系统自身也有很多因素会影响消毒性能。
5.1 消毒器的结构设计和剂量计算
消毒器的结构设计是紫外线消毒系统设计的关键,通过消毒器的流体动力学设计以及灯管的优化布局,可提高消毒器紫外能量的效率,从而使其更接近于理想消毒器,同时尽可能减少水头损失。通常用消毒器效率ηreactor来判断一个紫外消毒系统的优劣,消毒器的效率表达如下：
式中Doseeff为消毒器的有效紫外剂量,灯管发射出的紫外能量中被消毒器实际利用照射到微生物并被吸收的部分,一般通过在污水中用指标微生物流过紫外消毒器检测得到,故也称之为消毒器的生物试验验定剂量,Doseeff可由式(1)表示;Dosetheo为消毒器的理论剂量,即消毒器为理想消毒器时的剂量,它实际是灯管发射出的紫外能量,Dosetheo可由式(2)和点源累加法计算得到。Dosetheo的计算已被编为商业软件———UVDis,故而消毒器的理论剂量又称UVDis剂量。
如果消毒器效率ηreactor小于1,表明消毒系统非理想消毒系统,消毒效果将无法保证。不同制造厂家的紫外消毒系统的效率有较大差别,低的小于50%,高的可达70%以上。因此紫外线消毒系统中所用灯管数量不能取决于单根灯管的紫外输出能量。
5.2 紫外灯管性能
紫外灯管是紫外线消毒系统的重要组件,其性能不仅仅是新灯管的杀菌紫外的能量输出、光电转换效率,还包括灯管的老化特性。新灯管的紫外输出指的是一根新灯管在经过100 h运行磨合期后的紫外能输出功率。灯管在使用过程中会逐渐老化,紫外能输出会随时间而衰减。灯管老化系数定义为灯管在寿命周期终点时的紫外能输出与新灯管紫外能输出之比。
在剂量计算时必须计入灯管老化系数,而不能单考虑厂家对紫外灯管的保证寿命。目前市场上大多数紫外灯管的老化系数在0.5左右,个别厂家灯管的老化系数可达0.8左右。NWRI紫外系统协议规定紫外线消毒系统灯管老化系数为0.5。
5.3 灯管表面结垢
城市污水中的复杂成分会使灯管的石英表面结垢,影响系统的消毒性能。为了保证系统消毒性能不受结垢的影响,必须在系统剂量计算中计入灯管的结垢系数。结垢系数一般与灯管的清洗方式有关。NWRI紫外系统协议规定结垢系数为0.8。
通常根据清洗方式可采用的结垢系数为：人工清洗0.7,纯机械清洗0.8,机械加化学清洗1.0。
6. 结语
紫外线消毒是通过紫外线的能量去掉微生物的繁殖能力而进行灭活。因此,在设计一套紫外线消毒装置时,必须充分了解污水成分、处理工艺、穿透率、TSS浓度等,掌握关键技术,确定合理的紫外剂量和光照时间,减少投资,节约运行成本,取得良好的消毒效果。
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