紫外线与氯联合消毒在饮用水处理中的应用研究
国内大部分大型给水厂都使用液氯消毒，氯消毒虽然有很多优点，但在消毒的同时，会生成一些消毒副产物，如三卤甲烷（THMs）等。而紫外线消毒法瞬间杀菌能力强，基本上没有消毒副产物，且运行维护简便快捷。目前我国的紫外线消毒一般用于小规模给水厂水处理系统、纯水制备系统、工业回用水和污水处理系统。给水紫外线消毒或是紫外线联合其他消毒工艺的报道较为少见。本文介绍了在中试规模基础上开展的紫外＋氯联合消毒及对应的工艺研究结果，以探讨该消毒工艺在大中型给水厂中的实用性。
1 试验方法
1.1试验工艺流程
本试验为四个平行工艺同步进行试验，在砂滤池出水后分为四个平行工艺（如图1 所示）。
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（1）常规处理；
（2）常规处理＋氯消毒（Cl2）；
（3）常规处理+ 紫外线消毒（UV）+ 氯消毒（Cl2）；
（4）常规处理+紫外线消毒（UV）；
1.2 试验规模
最大常规处理的规模为6 m3 /h，考虑试验的连续性和运行管理的方便，处理水量可以在4～6 m3 /h范围内调节。常规处理后出水一部分使用氯消毒，一部分使用紫外消毒，同时进行平行对比。
即：工艺（1）：2.5 m3 /h（无消毒）；
工艺（2）：1 m3 /h（氯消毒）；
工艺（3）：2.5 m3 /h（紫外线＋氯消毒）；
工艺（4）：2.5 m3 /h（紫外线消毒）。
1.3 试验参数
1.3.1 试验原水：佛山市北江东平河原水。
1.3.2 氯投加量
两座氯消毒池停留时间均为0.5 h。氯投加量根据出水余氯值控制在0.7～0.8 mg /L 左右进行投加。以浓度为0.1 ％的次氯酸钠代替液氯，单纯氯消毒工艺有效氯投加量一般为0.94～1.27 mg /L，UV+氯消毒工艺投加量一般为0.8～1.02 mg /L。
1.3.3 紫外线剂量
试验过程中使用了15 W、20 W、40 W共3种不同功率的紫外灯，实测强度分别为1 875 μW/cm2、2 500 μW/cm2、5 000 μW/cm2。紫外消毒器为管道式紫外灯。紫外消毒器的长度H=865 mm，外壳内径61 mm，内套管外径是24.5 mm，截面积S 是24.5 cm2。如果紫外灯照射水体的时间为Y，那么：
Y=H /V=HS /X
其中，X 为进入消毒器的流量，L 为流速；
V=X /S
如果X 为0.044 m3 /min，则Y=0.865×24.5×10-4 /（0.044 /60）=2.89 s
对水体杀菌效果取决于紫外线照射剂量Q= 强度（μW/cm2）×Y
所以，此次试验紫外线照射剂量Q 分别为：
1 668μW•s/cm2、2 225μW•s/cm2和4 450μW•s/cm2。
1.3.4 试验时间安排见表1。
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1.3.5 检测方法
菌落总数检测方法为平皿记数法，UV254 用紫外分光光度法测定，三卤甲烷用气相色谱法测定，游离余氯测试方法为3，3’，5，5’- 四甲基联苯胺比色法测定。
2 试验结果与讨论
2.1 紫外线消毒持续时间
为了研究紫外线消毒的持续性，我们进行了紫外线照射后细菌复活试验。试验分为四组平行试验，一天取一组样，每组都是经过20 W的紫外线灯管照射（照射时间2.89 s，剂量2 225 μW.s /cm2）后取样放在化验室中培养检测。其复活情况见表2。
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此次复活试验数据显示尽管消毒初始状态一致，初始时刻都没细菌，但由于后期环境条件稍有不同（四个样的原水中细菌种类、气温、操作等），四个样细菌的复活量差异还是比较大的，尤其是3＃，可见后期环境对细菌复活速率的影响还是至关重要的。在存放时间为6 h以前，细菌增长速度还是十分缓慢的，四个样均值25.5 CFU/mL，效果最好的4＃仍为0 CFU/mL，而最差的3＃ 也才48 CFU /mL，完全符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）；由增殖曲线（图2）可以看出四个样的均值超标时间大致在10h，但是，3＃在8h就已经超标。紫外线杀菌是因为它能使细菌的细胞中含有细菌的遗传信息核酸DNA 和RNA 发生异构变化，从而使细菌自身的新陈代谢机能出现障碍，造成的细菌群体死亡。但是，紫外线消毒只是利用UV-C 辐射破坏细菌的核酸物质，并没有向水中增加任何化学物质，因此当处理水离开反应器之后，特别是对于远距离传输的饮用水，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DNA 和RNA分子，使细菌再生，也可能在沿途孳生新的细菌。前6h由于细菌处于复活阶段，细菌基数少，所以增长速度慢，根据以上数据与王俊娇等的研究，初步断定紫外消毒持续时间为6h，仅适用与一些即时的中水回用，工业用水等工程，而想让其为市政管网供水，其消毒持续能力还是欠缺的。所以为了保证紫外线消毒工艺后续的消毒持续性，就需要与其他消毒工艺联合，维持杀菌效果。
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2.2 三卤甲烷
由于三卤甲烷具有三致性，对人类的健康十分有害，而且也是现行氯消毒工艺的主要副产物，为此，对三卤甲烷在各处理工艺进出水中的变化结果进行了取样分析，各工艺流程源水和消毒出水中三卤甲烷的检测数据见图3 和表3。
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表3 各工艺三卤甲烷生成值表
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由图表中经分析可以得出：
（1）由于北江原水水质较好，原水中几乎没有三卤甲烷。所有工艺出水THMs值均在《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）允许范围之内。
（2）从表3中可以看出，UV 工艺消毒水THMs总均值和原水、滤后水一样，比UV+氯消毒水、氯消毒水分别降低了56.7 ％、67.4 %，确实是三种消毒工艺中减少THMs生成效果最好的。可以断定：单纯的UV消毒由于不投加任何化学药剂，因此它不会对水体和周围环境产生二次污染且不产生有毒有害副产物THMs。
（3）滤后水、UV工艺出水、UV+Cl2工艺出水、Cl2工艺出水的THMs 总均值分别为＜0.000 4 mg /L、＜0.000 4 mg /L、0.000 924 mg 辕L、0.001 229 mg /L，可见工艺中只要添加了氯消毒剂的出水THMs值就会相应增加，具体反应机理为：
氯（或溴离子或碘离子）+ 有机前质（precursors）→三卤甲烷+其它卤化有机物。在加氯反应中，水中无机物如Fe2+、Mn2+、H2S、NH3 等，会很快消耗所加入的氯，当无机物的耗氯量达饱和时，多余的氯才会与有机物反应，此时所加入的氯量与THMs 生成值成正比，所以用氯作消毒剂时出水中势必会产生THMs 。另一方面在有机物消耗氯后，须再加入足够的氯量来饱和瞬时及短期的有机物耗氯量后，多余的氯才能产生长期性的有效余氯，此时再多加氯也不会增加THMs 的生成。
（4）就生成THMs的两种工艺对比，UV+ 氯消毒工艺比氯消毒工艺总体上THMs 值减少了24.9 ％，其控制THMs 生成效果比氯消毒工艺要好很多，并且其THMs 减少量还与紫外线强度有关。表3 数据显示紫外线剂量在4 450μW•s /cm2的情况下，所生成的THMs 值比同等条件下的氯消毒水降低了37.5 ％；其次是紫外线剂量在2 225 μW•s /cm2 时，降低了34.9％；最后是1 668 μW•s /cm2，仅降低了9.5 ％。UV+氯消毒工艺比氯消毒工艺控制THMs效果好，因为UV+氯消毒工艺中氯投加量少，水中氯浓度低，致使三卤甲烷生成量减少。而紫外线剂量越大，其与氯消毒进行对比的THMs 控制效果越好，这是因为：一方面，紫外线剂量越大时，只用投加少量的氯就能达到控制的余氯值，在40 W时只需投加0.8 mg /L 左右，而在15 W时需投加1 mg /L左右，其氯投加量减少，THMs 值会相应减少。另一方面，紫外线剂量越大，部分有机物降解得越多，其生成THMs的前致物就越少，自然THMs值就越低。
2.3 紫外线对氯投加量的影响
紫外线对氯投加量的影响如表4所示。
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表4 紫外照射对余氯的影响
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从表中可以看出，紫外线+氯消毒工艺比单独使用氯消毒节省6％氯的投加量。
由于紫外线消毒工艺的消毒持续时间不长，所以中试基地采用与氯消毒工艺相结合，以保证
出厂水中的余氯能够达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）。中试实验中采取UV+ 氯消毒工艺与单纯氯消毒工艺两种工艺的氯耗进行对比，实验条件为：紫外灯功率为40 W，强度为5 000μW•s /cm2，照射时间为1.25 s。
3 结论及建议
（1）紫外线消毒工艺瞬间灭菌能力非常强，但持续时间差，初步断定紫外消毒持续时间为6 h，并且持续时间随环境后期改变的影响较大，所以单独使用时只建议在用水终端使用。对于大中型给水厂，供水管网面积大时，应采用紫外线与氯联合消毒工艺，以确保水中余氯，提高其持续杀菌能力。
（2）就减少THMs生成方面而言，UV消毒工艺效果最好，紫外线与氯联合工艺次之，氯消毒工艺最差。
（3）在紫外＋氯消毒工艺联合使用时，其氯的投氯量比单独氯消毒工艺至少要节省6％以上。
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