中小规模再生水紫外线消毒的实验研究

吕鑑¹ 刘红² 王俊娇¹ 何建平² 孟光辉² 岳亮² 汪宏玲²高原²
（1北京工业大学“水质科学与水环境恢复工程”重点实验室　 2北京城市节水管理中心）

　　摘要：常规的氯消毒会产生三卤甲烷等致癌、致畸、致突变的三致物质，而紫外线消毒具有杀菌高效、无二次污染等优点。本文对紫外线消毒技术用于再生水消毒进行了研究分析，通过实验分析了不同流量（即不同照射时间）下回用水的消毒效果和消毒后水中细菌随静置时间的增长公式，同时分析了水中有机物对紫外线用于再生水消毒的影响，为再生水紫外线消毒提供实验基础。
　　关键词：再生水　 紫外线　 细菌　 静置时间　 可见光　 COD_cr

Study on water-reused disinfection by ultraviolet radiation

[Abstract]: The routine disinfection by chlorine will produce some outgrowths which may causing cancer, monstrosity or mutation, such as benzotrichloride . But the disinfection by ultraviolet radiation has several strongpoint, which sterilize efficiently, which does not make the water polluted again, etc. In this paper, the disinfection of water-reused by ultraviolet radiation is studied. Based on experiments, the disinfectant effects by ultraviolet radiation are analyzed, the expressions, that indicate the uptrend of the bacterium, is got, and the influence that the organic compounds in the water- reused work on the disinfection by ultraviolet radiation is analyzed, too. All that the experiments and the expressions are the foundation for the disinfection by ultraviolet radiation applied on water-reused.

[Keywords]: water-reused; ultraviolet radiation; bacteria; static duration; visible light; COD_cr　 　　　

1 实验目的和意义

　　随着水资源的日益短缺，污水的再生回用也越来越多，再生水的水质一直是用户关注的热点。在再生水的处理过程中，原污水在经过之前的处理后，在去除了悬浮物、降低了水的浊度的同时，也去除了大部分的微生物（其中包括病原微生物）。但尽管如此，水中的细菌、病毒等微生物的绝对含量还是很可观，并存在有病原菌的可能，因此，污水在回用之前应进行消毒处理，这是保证回用水用水安全、卫生的最后保障。《建筑中水设计规范》GB 50336－2002（2003年版）中明确规定：“中水处理必须设有消毒设施”。自从二十世纪70年代发现氯消毒后的水中残留有三卤甲烷等“三致物质”（致癌、致畸、致突变），对紫外线消毒的研究和应用逐渐开展起来。
　　紫外线消毒具有杀菌高效、光谱性，无二次污染，消毒时间短，效率高，占地小，结构简单，运行维护安全、简便^[2.3]等特点，越来越受到科研工作者的青睐。在西方已成为给排水系统中的重要的消毒手段，但用于水处理尤其是再生水处理方面的很少。
　　再生水主要用于景观、绿化、冲厕等用水。随着再生水用水量和应用领域的扩大，对可能接触人体的再生水的水质要求也较之以前提高了。紫外线消毒不仅在技术方面有很好的优势，在经济方面，其土建﹑运行﹑维护等各方面的费用，比起氯消毒都要少，更适合我国的经济状况，因此研究紫外线消毒系统用于再生水的处理,对于提高水的安全性具有非常重要的意义。
　　本实验主要通过对紫外线消毒器前后回用水中细菌总数的检测、分析，旨在对紫外线消毒技术用于再生水消毒的可行性进行研究分析，为紫外线消毒应用于再生水消毒提供参考。

2 紫外线消毒原理

　　紫外线消毒是一种物理消毒方法，不添加任何化学药剂。紫外线消毒主要是用紫外光摧毁微生物的遗传物质核酸（DNA或RNA），使其不能分裂复制以去掉其繁殖能力，最终导致细胞功能的衰退而死亡，从而达到杀菌的目的。研究表明，波长在253.7nm处的紫外线的杀菌效果最好^[4.5]，因此，紫外线消毒也称为紫外C消毒。

3 实验及数据分析

　　北京某高校以公共浴池出水为原水，处理后的再生水作为学生宿舍的冲洗用水和绿地浇洒用水，处理规模为200立方米/日。本实验以上述再生水作为研究对象，进行了照射时间和静置时间对紫外线消毒效果的影响研究，得出实验条件下的最佳照射时间和消毒后再生水在不同保存条件下的细菌增长公式。还对再生水的COD_cr进行了监测，研究了COD_cr对再生水紫外线消毒的影响；同时通过对消毒前后的COD_cr和TOC的对比，研究分析了紫外线对再生水中有机物的去除和降解。
3.1 实验工艺与材料
3.1.1 实验工艺流程及装置
　　实验原水为洗浴废水，经预曝气、曝气、沉淀处理后，由泵提升后进入紫外消毒器。工艺流程图见图3.1 。经过筛选，选用的紫外线消毒器的型号为Trojan UVMax B，处理流量为0.42～1.14m³/h。

图3.1 实验工艺图

3.1.2 检测方法
　　细菌总数：平板计数法
　　CODcr：重铬酸钾法
　　TOC：MultiN/C3000 TC/TN分析仪
3.2　实验方法及数据分析
3.2.1 最佳照射时间的确定
　　洗浴废水经隔栅、毛发去除器、曝气池、沉淀池预处理后，用泵提升通过UV消毒器，流程如图3.1所示。通过流量计调节进水流量以控制消毒时间，流量分别按450 L/h、600 L/h、800 L/h、1000 L/h、1150 L/h5个流量梯度进行实验，分别测定紫外线消毒器前后的细菌总数。实验结果见图3.2。

图3.2 不同流量下的细菌灭菌率

　　由图3.2可以看出，在流量小于1000L/h时，即细菌的灭菌率都在99％以上，但消毒出水的细菌总数仍然在10²数量级。在流量为450L/h时，灭菌率可以达到99.9％，灭菌效果很好。当流量为600L/h时，即照射时间为11s时，出水的细菌总数为36个/ml，细菌的灭菌率为99.89％，已经达到饮用水的标准。也就是说，细菌的灭菌率达到99％（即2log）所需要的紫外线剂量为214222mWs/cm²，细菌的灭菌率达到99.9％（即3log）所需要的紫外线剂量为476049mWs/cm²。
3.2.2 消毒后水中细菌随静置时间的增长^[6]表3.1列出了经紫外线消毒后，不同保存条件下的水在静置不同时间后的细菌总数。

表3.1 静置时间、光照对已消毒水中细菌增殖的影响

静置时间（h）

细菌总数（个/ml）

备　 注

开口见光保存

密闭避光保存

0

102

102

消毒前水中细菌总数为N₀＝1.8×10⁵个/ml，实验流量为Q＝450L/h，环境温度t＝25℃

3

200

151

6

367

249

8

880

420

10

950

430

　　由表3.1可知，进水的细菌总数为1.8×10⁵个/ml，经UV消毒器出水的细菌总数为102个/ml。由于紫外线并没有将水中细菌全部杀死，在静置了一段时间后，水中残留的细菌会再度繁殖。消毒前水中的细菌总数不同，在同样的流量下，消毒后水中的细菌的细菌总数也不同。
　　消毒后水中细菌的增长情况与静置时间、光照的关系如图3.3所示。

图3.3 消毒出水静置不同时间后水中细菌总数的变化（见光和避光条件保存）

　　对图3.3的研究表明，在避光条件下，水中细菌的增殖情况与静置时间符合下列关系式：

　　ln(N/N₀)=a·t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

或　 N＝N₀·e^at 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

式中　　　 N――静置不同时间后水中的细菌总数，个/ml；
　　　　　 N₀――消毒后水中的细菌总数，个/ml；
　　　　　 t――静置时间，h。

对表1的数据进行回归分析，得到

　　ln(N/N₀)=0.1543·t　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （3）

或　 N＝N₀·e^0.1543t　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　（3）式和（4）式的相关系数R²＝0.9689，能较好的描述细菌的增长情况，式（4）的计算值和实验值的对比见图2.2。
　　消毒后水中的细菌总数为102个/ml，灭菌率为99.94％。在静置10h后，细菌总数增长了近10倍。这是因为水在经过消毒后，水中的细菌并没有完全被杀死，仍然还残留有部分细菌，而再生水在经过前面的处理后依然有少量的细菌生长所需的营养基质，残存的细菌很快会再度繁殖。从图3.3中的曲线可以看出，在初期，细菌增长较缓慢，一段时间后，细菌的增长速率明显加快。这是由于经过紫外线照射后，残留的细菌虽未被杀死，但其DNA或RNA已经受到不同程度的损伤，需要经过一定时间的修复才可以继续繁殖。消毒前水中的细菌总数不同，在相同流量（即相同紫外剂量）下，消毒后水中的细菌总数也不相同。在相同条件下，消毒前水中的细菌总数越多，消毒后水中的细菌总数也越多。这也是紫外线消毒的一个不足――没有持续消毒能力。因此，经紫外线消毒后的再生水应尽快使用，避免水质超标。
3.2.3 光照对细菌增长的影响^[6]根据表1的实验数据和公式（1），求出在有光照条件下，细菌的增长公式为

　　ln(N/N₀)=0.2357·t　　　　　　　　　　　　　　　　　 （5）

或　 N＝N₀·e^0.2357t　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （6）

　　对公式（3）、（4）和公式（1）、（2）比较，可见光保存下的细菌增长率是避光保存条件的1.5倍多，即对再生水消毒后，在可见光条件下细菌的增殖速率要远大于避光条件下的细菌增殖率。这一结果同饮用水紫外线消毒后的水中细菌增殖情况类似。分析原因主要是在光照条件下，再生水中细菌能获得较多能量，受损细菌迅速修复，繁殖能力增强。因此，建议再生水管道采用不透光材质，避免细菌获得光能快速繁殖。
3.2.4 水中有机物对紫外线消毒效果的影响
　　水中的有机物会吸收紫外线，降低水体的紫外线穿透率（UVT）^[4]，从而影响消毒效果。图3.4和图3.5给出了流量为600L/h和800l/h时不同COD_cr和细菌灭菌率之间的关系。

图3.4　 流量为600L/h时不同COD_cr下的细菌灭菌率图

图3.5　 流量为800L/h时不同COD_cr下的细菌灭菌率图

　　所取水样的细菌总数在10⁴～10⁵个/ml。从图3.4和图3.5 可以看出，细菌的灭菌率都在99％以上，在流量为600L/h时，消毒后水中的细菌总数均小于100个/ml，可以达到饮用水的水质标准。应当注意到，水样的COD_cr值都不高，在30mg/l以下,而再生水的COD_cr值都很低。因此，可以得出，COD_cr较低的再生水，COD_cr对消毒效果没有太大的影响，紫外线的消毒效果都很好。
3.2.5 紫外线对再生水中有机物的降解

图 3.6 流量为450L/h时消毒前后COD_cr的变化

图 3.7 流量为450L/h时消毒前后TOC的变化

　　图3.6和3.7分别给出了紫外线消毒器前后水体的COD_cr和TOC的值。由图3.6中可以看出，消毒后水中的COD_cr要小于消毒前的值，图3.7同图3.6有相同的趋势，消毒后水体的TOC值要小于消毒前的TOC值。也就是说，紫外线可以减少水体的COD_cr和TOC值，而COD_cr和TOC虽然是两项指标，但都是反映水体的有机物含量的指标，因此可以得出，紫外线可以降解水中的微量有机物。

4 结论

　　（1）紫外线对再生水具有很好的消毒效果，灭菌率可达99％以上，消毒后的细菌总数甚至可达到饮用水的标准。
　　（2）以北京某大学再生水处理站的沉淀出水为研究对象，确定了避光和可见光条件下细菌的增长同静置时间的关系式：

　　N＝N₀·e^0.1543t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4）
　　N＝N₀·e^0.2357t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　对式（4）和（6）比较分析，在有光照条件下，细菌增长繁殖较快，建议回用水管道采用不透光材质；上式还可以作为紫外线消毒器的流量控制和消毒后水箱或清水池设计的参考依据。
　　（3）对COD_cr较低的水体，COD_cr对消毒效果没有太大的影响，细菌的灭菌率可以达到99％以上，消毒效果很好。
　　（4）将紫外线消毒前后的水样的COD_cr和TOC的对比，得出紫外线可以降解水体的微量有机物。
　　（5）紫外线在再生水处理中灭菌效果很好，有很好的应用前景。

参考文献

1．吕鑑 播磨干夫 著《中国における排水再利用と中水处理技术》日本ABC出版社　 1995年
2. 张辰，张欣.紫外线消毒系统的设计.给水排水.2004.30（3）：25-27；
3. 朱敏等.紫外线消毒技术.西南给排水.2003.25（5）：24-27；
4. 张辰，张欣等.紫外线消毒的理论研究.给水排水.2004.30（1）：21-24；；
5. 张欣.污水处理中的紫外线消毒技术.给水排水.2002.28（11）：31-34；