紫外线技术在水处理领域的应用及未来趋势

紫外线技术在水处理领域的应用及未来趋势

蔡晓涌 高明 张会敏

（北京安力斯科技发展有限公司）

摘要：本文概述了紫外线消毒技术的原理及发展概况，详细介绍了紫外线技术在水处理领域的三大功效：即广谱杀菌，有效杀灭贾第鞭毛虫和隐孢子虫，以及高级氧化功能，这些功能分别解决了水处理领域的三大难题：消毒副产物问题，贾第鞭毛虫和隐孢子虫的抗氯性问题，以及难降解有机物污染问题。然后针对紫外线技术在应用中存在的一些问题提出了有效解决方案，并展望了紫外线技术在未来的应用和发展趋势。

关键词：紫外线消毒，广谱杀菌，消毒副产物，组合消毒工艺，高级氧化

Application and Future Trend of Ultraviolet Disinfection Technology in Water Treatment

Xiao-yong Cai, Hui-min Zhang

（Beijing Onyx Technology Development Co., Ltd）

Abstract：This paper introduces the principle and history of Ultraviolet(UV) Disinfection Technology and its main functions, such as broad-spectrum sterilization，Effectively killing of giardiasis and Cryptosporidium Hominis， and advanced oxidation process，which respectively solved a difficult problem in water treatment domain, namely By-products of disinfection, threat of Giardiasis and Cryptosporidium Hominis, and refractory biodegradation organic compounds pollution。Then aiming at some limitation of UV Disinfection, gives some effective measures, and prospects the future of UV Technology.

Key Words：Ultraviolet Disinfection，Broad-spectrum Sterilization，By-Products of Disinfection，Union Disinfection，Advanced Oxidation Processes

1 概述

　　紫外线是波长在100-380nm的电磁波，根据其波长及功能的不同，又分为四个波段，即UV-A（315-380nm），UV-B（280-315nm），UV-C（200-280nm）和V-UV（真空紫外线，100-200nm）。UV-A能使人的皮肤产生黑色素；UV-B可令皮肤起皱纹老化，有致癌作用；UV-C是具有有效杀菌效果的紫外线；V-UV中的185nm波长的紫外线能产生臭氧。
　　 紫外线消毒是一种基于现代防疫学、光学、生物学和物理化学的消毒技术，利用特殊设计的紫外发生装置，产生的UV-C照射流水（空气或固体表面），当水（空气或固体表面）中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其它病原体受到一定剂量的UV-C辐射后，其细胞中的DNA（脱氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）结构受到破坏，使其丧失复制和繁殖能力，因细菌、病毒的生命周期一般都很短，不能繁殖的细菌、病毒就会迅速死亡，从而在不使用任何化学药物的情况下达到消毒和净化的目的。
　　 紫外线技术用于水处理领域的历史很早，1910年法国马赛的一家自来水厂就采用过紫外消毒工艺。之后由于紫外消毒本身的技术问题（如灯管寿命短、穿透率低），以及投资和运行成本较高等原因，紫外线技术在水处理领域的应用一直进展缓慢。
　　 从20世纪70年代开始，UV消毒技术逐步开始应用在给排水消毒领域，这主要是由于人们认识到了消毒副产物危害的认识。同时由于紫外光灯关键技术的突破，使得UV消毒系统的可靠性大大提高，设备使用寿命长，能耗降低，运行费用也大为下降。因此20世纪90年代紫外消毒技术在欧美国家得到了迅速的发展和推广应用。
　　 我国国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2002年12月24日颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB l8918-2002)中首次将微生物指标列为基本控制指标，要求城市污水必须进行消毒处理，该标准的颁布为紫外消毒技术的推广应用提供了契机。2003年5月4日，国家环境保护总局要求城镇污水处理厂出水应结合实际采取加氯或紫外线、臭氧等消毒灭菌处理，由此可见紫外消毒已成为污水处理厂出水消毒的规范化手段之一。中国建设部于2005年11月通过《城市给排水紫外线消毒设备》标准，规范了紫外消毒设备的应用和技术要求，同时也为紫外消毒技术在生活饮用水、饮用净水、城镇污水处理厂出水、城市污水再生利用水、工业废水处理等领域的应用奠定了基础。

2 紫外线的功效

　　紫外线的作用很广，在水处理领域的主要功能包括三个方面：即广谱杀菌、有效杀灭贾第鞭毛虫与隐孢子虫，以及高级氧化功能。
　　 紫外线属广谱杀菌射线，在足够的照射剂量下，能杀死一切微生物，包括细菌、结核菌、病毒、芽孢和真菌，并且杀菌速度快，大多数都是在1秒之内。
　　 另外，紫外线消毒技术对近些年发现的致病性病原微生物贾第虫和隐孢子虫也具有良好的灭活效果。使用低压汞灯和中压汞灯均能有效地灭活隐孢子虫，38mJ/cm²的辐射剂量就能达到99.99%的杀灭率。
　　 紫外线还具有高级氧化功能。波长为185nm的真空紫外线（V-UV）能产生臭氧，臭氧是一种强氧化剂，能破坏存在于空气中或水中的微生物的细胞壁，使微生物立刻死亡。另外紫外线近年来被广泛应用于光催化氧化和光化学氧化。

3水处理领域的三大技术难题

　　随着人们安全意识、环保意识的提高和水质标准的不断严格，传统的水处理技术（包括消毒技术）已经难以满足新的水质要求，目前存在的技术难题主要有三个方面：一是广泛应用的氯消毒所产生的消毒副产物问题；二是贾第鞭毛虫和隐孢子虫的抗氯性问题；三是水中的有机物特别是难降解有机污染物越来越多，常规的生物处理方法难以去除。
3.1 消毒副产物
　　 给排水领域的消毒技术大体上可以分为物理消毒和化学消毒两大类。物理消毒法有紫外线消毒、膜过滤、加热、冷冻、辐射和微波消毒等；常用化学消毒剂有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺等。
　　 氯对细菌的作用是破坏其酶系统，导致细菌死亡，对病毒的作用主要是对核酸破坏的致死性作用。20世纪70年代后，人们发现饮用水氯消毒后，水中含有具有致癌、致畸、致突变的THMs等有害消毒副产物，从而影响饮用水水质安全性。至今已知的消毒副产物已经有500种以上，但是绝大多数的浓度只有微克/升，其中对于THMs的致癌性已有共识，其它大部分具有一般毒性，部分具有致突性。
　　 臭氧消毒主要是利用其强氧化性，破坏微生物的细胞壁使其立刻死亡。臭氧消毒本身不产生卤代烷，但是生成的其它消毒副产物如醛、酮、醇等若经氯化，也会产生三卤甲烷。
　　 为了避免有害消毒副产物的产生，采取的主要途径有：(1) 预处理去除THMs前驱物(主要是富里酸和腐殖酸等有机物，彻底清楚难度非常大)；(2) 采用其它消毒方法。
　　 为此，人们把目光集中到紫外线消毒上。紫外线消毒不向水中增加任何物质、不增加水的嗅和味、没有副作用、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、操作简单、便于运行管理和实现自动化运行，这都是它优于化学消毒的地方。
3.2贾第鞭毛虫和隐孢子虫问题
　　 隐孢子虫为孢子虫类的原生动物，寄生于哺乳动物、乌类及鱼类的胃肠道及呼吸道内，传染方式为经口腔摄入了隐孢子虫的卵囊，水是最重要的传播途径。隐孢子虫繁殖很快，从体内排出后又形成新的污染源。通常的人感染症状为腹痛、严重腹泻、食欲不振等。免疫力弱时严重的还会失去生命。贾第鞭毛虫和隐孢子虫一样寄生在人和动物中，感染贾第鞭毛虫的症状包括腹泻、胃涨、腹痛腹胀、恶心呕吐等。
　　 据美国自来水协会统计，美国发生隐孢子虫事故10次，英国发生21次，加拿大发生4次，日本发生1次。水中贾第鞭毛虫和隐孢子虫引起的疾病爆发，被归因为市政自来水厂的加氯消毒。贾第虫和隐孢子虫具有抗氯性，特别是隐孢子虫，常规氯消毒几乎不起作用，欲灭活90%，需要80mg/L浓度的氯接触90分钟，因此采用新的有效的消毒方式以保证饮用水安全性十分必要。
3.3 难降解有机物污染问题
　　 冶金、化工、造纸与制药等行业所排放的难降解的有机污染物多含有多环芳烃、有机氯化物、氯代酚类及一些高分子物质，导致废水毒性大、难以被微生物降解、处理难度大等一系列问题，如何有效地处理这些废水是我国环境保护领域一直以来的重要研究课题. 高级氧化技术是一种可以有效地处理难降解有机废水的方法。 即利用在一定条件下产生的具有很强氧化能力的自由基，如羟基自由基（·OH），其氧化电位非常高（3.06V），氧化能力强于臭氧（2.07V）和氯气（1.36V），能强化分解水中的有机污染物，可用于水源污染较重和水质要求较高的情况。

4 紫外线技术在水处理领域的应用——问题与挑战

　　紫外线消毒虽然具有很多化学消毒无法比拟的优点，但也存在着一些制约其发展的因素，其中最突出的是紫外线无持续杀菌能力，另外紫外消毒对水体要求高，技术本身存在的一些限制使紫外线技术在应用中面临着诸多问题，如何有效地解决这些问题，是紫外线技术在水处理领域的推广应用所面临的巨大挑战。
4.1 采用组合消毒工艺实现持续杀菌
　　 紫外消毒利用UV-C辐射破坏细菌和病毒的核酸物质，不会向水中增加任何化学物质，因此当处理水离开反应器之后，特别使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分子，使细菌再生，也可能在沿途滋生新的细菌和病毒。因此，要维持持续的消毒效果，紫外线需要与其它消毒技术联用。如紫外与氯胺的组合消毒工艺，即可以利用紫外线的广谱杀菌能力和高效杀灭贾第鞭毛虫和隐孢子虫的能力，又可以利用氯胺消毒持久性最长和消毒副产物链很小的优势，不失为一种值得推广的多屏障消毒工艺。
4.2饮用水消毒的安全屏障
　　 我国新的饮用水法规已加强了对贾第鞭毛虫和隐孢子虫的监控。紫外线能高效杀灭贾第鞭毛虫和隐孢子虫，因此紫外消毒是饮用水水质的一道安全屏障，供水处理中应增加紫外消毒工序，保障饮用水安全性。
4.3 高级氧化功能处理难降解有机污染物
　　 利用紫外线高级氧化功能而发展起来的光化学氧化和光催化氧化都是近年来新兴的水处理技术。光化学氧化法是在光的作用下进行化学反应，采用臭氧或过氧化氢作为氧化剂，在紫外线的照射下使污染物氧化分解，从而达到水中污染物质的高效降解。光化学氧化系统组合工艺主要有UV/H₂O₂系统，UV/O₃系统和UV/O₃/H₂O₂系统。
　　 一般认为UV/H₂O₂的反应机理是：1分子的H₂O₂在紫外光的照射下产生2分子的HO•自由基，如下所示：

H₂O₂ + hυ → 2 HO•

H₂O₂ + hυ → HO₂•+H•

HO• + H₂O₂ → H₂O•+ H₂O

H•+ H₂O₂ → HO•+ H₂O

HO₂•+ H₂O₂ → HO•+ H₂O+ O₂

　　其它光化学氧化系统的反应原理与UV/H₂O₂系统相似，都是通过紫外光子的激发产生羟基自由基。
　　 光催化氧化就是利用半导体催化剂（纳米二氧化钛被认为是综合性能最好的催化剂）结合具有一定能量的光辐射（紫外光），利用紫外产生的光量子激发催化剂，产生的羟基自由基以其特有的强氧化能力，可将许多化学法、生物法无法氧化的有机物，完全氧化为CO₂、H₂O及相应的无机酸，而且不造成二次污染。
　　 紫外线的高级氧化功能适用于处理有机物浓度高、可生化性差的工业废水，尤其适合于处理难降解的大分子有机物，如农药、有机氯代物、多环芳烃等。
4.4 加强监控应对来水水质变化
　　 在水处理消毒中，杀菌效率要求越高，所需的照射剂量就越大。影响微生物接受到足够紫外光照射剂量的主要因素是紫外线穿透率（UVT），当UV-C输出强度和照射时间一定时，UVT的变化将造成微生物实际接受剂量的变化。设计中，一般要求1cm水样透光率≥65％。若实际透光率低于设计值，将达不到预期消毒效果，必需提高紫外线输出强度或增加照射时间，以达到需求辐射剂量；反之，若设计值低于实际值，则又造成紫外设备和电能的浪费。为此，国内外较为先进的紫外消毒设备，如安力斯的紫外消毒模块，在设计中加入了较为灵活的自动控制系统，随时监测来水水质，随着透光率的变化，自动控制系统可以随时调整紫外灯输出强度或开启台数，从而保证良好的消毒效果。
4.5紫外消毒技术可满足大规模水处理工程需求
　　 从20世纪七八十年代，人们开始了对UV消毒技术的深入研究和工程应用，但是当时的紫外线技术相对比较落后，紫外灯管的功率只有几十瓦，建设大规模的水厂或污水处理厂，需要安装的紫外模块太多，而且紫外灯寿命很短，只有一千多小时，灯管更换频繁，因此，大规模的水厂如果采用紫外消毒技术，投资和维护费用相对较高。所以紫外消毒一般只用于水质要求高且规模不大的水厂。
　　但当时人们已经意识到了紫外消毒技术的优势，为了改善上述限制条件，开始了更加深入的理论研究和技术开发，促进了紫外光灯关键技术的进展，现在155w和320w的紫外光灯已经开始普遍应用，国外一些机构正在研制800W的高强紫外灯。2万t/d的污水处理厂可以仅用50支紫外光灯，20万t/d的污水处理厂（一级B出水）可以用300支灯完成消毒任务，而且水力停留时间只需要几秒种，比氯法消毒节约了很大的占地面积。现在紫外光灯的寿命也可以达到12000-20000小时，使得UV消毒系统的可靠性大大提高，运行费用也大为下降。所以，现在紫外消毒完全可以满足大规模水厂的消毒需求，不再受处理量的限制。
4.6 结垢问题
　　 石英套管外壁的清洗工作是运行和维护的关键。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，这些都会抑制紫外线的透射，影响消毒效果。因此，石英套管的清洗问题也曾经是影响紫外消毒系统应用的一个关键技术问题。
　　 目前，手动清洗、在线自动清洗和化学清洗技术都已经非常成熟，对于大规模的紫外模块，普遍采用机械清洗+化学清洗的方式，即在紫外模块中安装在线自动清洗装置，定期（周期较短，根据系统反馈的透光率确定）自动循环清洗，如机械清洗不彻底，可以一个月或几个月后将模块吊出，放入化学清洗池或清洗车用低浓度的有机酸进行清洗。

5 紫外线技术在未来的应用趋势

　　目前，紫外线技术的功能和优势已经得到了广泛的认可和推广，随着水质标准的不断严格和人们安全意识的提高，紫外线消毒在以下领域将有着更加广阔的应用前景。
　　 1、 污水消毒，紫外线用于污水处理和中水回用的终端消毒已经有了并将拥有更多的工程应用实例。
　　 2、 高级氧化。针对浓度高、可生化性差的工业废水，光催化氧化和光化学氧化将充分发挥其强氧化能力，无选择性地降解大分子有机物。
　　 3、 泳池等工、商业工艺用水的氧化及消毒处理，油田回注水、医院废水等特殊领域的消毒处理。
　　 4、 饮用水消毒，紫外线能有效杀灭贾第虫和隐孢子虫，是饮用水处理的一道安全屏障。
　　 5、 降低TOC，主要用在高技术产业和实验室装置中。
　　 6、 消除臭氧。254nm波长的紫外线对于破坏剩余臭氧非常有效，它可以把臭氧分解成氧气，消除水中臭氧对后续工序的影响。
　　 7、 消除余氯。185nm和254nm的紫外线都被证实可以有效破坏余氯和氯氨的化学键。
　　 8、 表面消毒。在食品和饮料生产业中，大部分原料都是很容易被细菌所利用的食物，因此很容易促成细菌繁殖，但是，食品业的安全性又不允许添加化学物质进行杀菌，因而紫外线表面消毒技术成为首选的消毒工艺之一。
　　 9、 空气消毒。紫外设备用于医院、诊所的空气消毒已有几十年的历史。随着人们生活质量的提高，在不久的将来，工厂、办公室和家庭也会开始使用紫外空气消毒设备。特别是空调系统的送风和排风管道中，时间长了很容易滋生细菌，进行空气消毒也是非常必要的。
　　 10、 其它工业领域，包括食品业、饮料业、制药业、化妆品业、制造业、高技术产业等。
　　 总之，UV-C杀菌效率高，紫外消毒技术对提高供水安全性、改善水环境质量、保障人体健康等方面都具有十分重要的意义。未来在水处理、工业应用、体和空气消毒领域都将具有非常广阔的应用前景。