給水廠紫外消毒工藝設計要點分析

王紅禹

(博天環境集團股份有限公司，上海 200120)

目前，紫外系統在我國市政污水的應用已經大規模展開，設計人員對污水處理中采用的紫外系統的設計選型了解得比較深入，積累了很多寶貴的經驗［1，2］。然而，紫外系統在給水廠的應用在國內才剛剛起步，截止目前，國內僅有少數市政水廠設置了紫外消毒工藝。

《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)明確將兩蟲(賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲)列入水處理消毒目標微生物，而常規的化學消毒對其滅活效果十分有限，在這一點上，紫外技術的優勢越來越明顯。隨著紫外消毒系統技術逐步成熟，更多的水廠在未來會逐步引用紫外技術與化學方式聯合進行飲用水的消毒處理。

1 紫外消毒原理

紫外消毒是一種物理消毒工藝，利用253．7 nm波長的紫外光對水中微生物中的遺傳物質DNA，RNA的結構破壞，導致微生物無法繁殖，從而喪失致病能力，實現對飲用水的消毒目的［3］。相比傳統的化學加藥消毒工藝，紫外系統不僅可以滅活細菌和病毒，而且對原生動物(兩蟲)也有很好的消毒效果，同時不會產生消毒副產物。

2 設計依據

2．1 設計規范

關于紫外系統在飲用水處理上的應用，國際上比較通用的設計規范有以下幾種:

(1)美國2006年EPA(美國環保署)，UVDGM(Ultraviolet Disinfection Guidance Manual)，《紫外消毒指導手冊》;

(2)德國2006年德國氣和水工程協會DVGW(Deutsche Vereinigung des Gas-und Wasserfaches);

(3)奧地利2001年和2003年?NORM，分別用于低壓和中壓紫外系統的設計。

不同紫外消毒設計方法的比較如表1所示。目前，歐洲的趨勢是根據處理規模和市場需求選擇不同的設計方法。如對于小型系統(500 m3/h以下)傾向于采用歐洲的設計方法，如DVGW;而對于大中型系統(500 m3/h以上)傾向于采用美國環保署的設計方式。

表1 不同紫外消毒設計方法的比較Tab．1 Comparison of Different UV Disinfection Design Method

中國對于紫外系統在飲用水方面的設計研究也在不斷發展，但由于實際工程實例較少，目前還沒有系統的設計指導手冊。2005年出版的《城市給排水紫外線消毒設備》要求生活飲用水消毒的紫外線有效劑量不應低于40 mJ/cm2。

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2．2 設計參數

2．2．1 概述

紫外系統的消毒效果好壞主要受紫外消毒劑量的影響。紫外消毒劑量(mJ/cm2)=紫外強度(mW/cm2)×水力停留時間(s)。

因此，在紫外系統的工程設計時，需考慮所有可能影響紫外消毒劑量的因素。通常設計參數如表2所示。

表2 紫外消毒設計參數Tab．2 Design Parameters of UV Disinfection

續 表

2．2．2 紫外劑量

紫外劑量是指單位面積上接收到的紫外線能量。其大小直接關系到消毒效果的好壞。確定合理的紫外劑量是紫外系統設計的關鍵。

目前，對于紫外劑量也有不同的衡量方式。包括采用點光源累加法，通過計算得出的紫外計算劑量以及通過平行光束試驗并經校核的生物驗證劑量。如前所述，德國、美國及中國標準對紫外設計劑量的規定都是指生物驗證劑量。而生物驗證劑量通常都是通過一系列試驗得出的，但在國外都是需要出具獨立的第三方認證才被認可。

2．2．3 紫外透光率

254 nm下的紫外透光率通常用UVT254表示，指波長254 nm的紫外線通過1 cm比色皿水樣下測定的透光率，紫外透光率可用分光光度計測量計算獲得。水樣的紫外透光率大小是直接影響紫外系統選型的重要參數。透光率越大，其實際照射到微生物的紫外光強度就越大，紫外劑量越高。UVT254的微弱變化，如±1%的偏差，都會對選型造成很大的影響。例如，某水廠紫外系統選型，采用3臺紫外發生器，在UVT254=90%時，3臺全部運行才能達到設計劑量要求;若UVT254=93%，則僅需2臺紫外發生器即可達到同樣的劑量，實現2用1備的運行。

3 設計中的常見問題

3．1 紫外燈的選擇

目前用于飲用水消毒常用的紫外燈有兩類，分別是中壓燈管和低壓高強燈管。兩者的主要區別如表3所示。

表3 中壓紫外燈與低壓高強紫外燈的比較Tab．3 Comparison of Medium-Pressure UV Lamp and Low-Pressure High-Strength UV Lamp

續 表

由表3可見，由于中壓燈單根燈管的輸出功率大，因此燈管數相對較少，易于維護。但由于中壓燈燈管壽命相對較短，燈管的更換頻率會較高。同時，中壓燈的電光效率僅為低壓燈管的1/3～1/2，因此運行時電費的成本較高。因此在具體選擇時，應根據當地的情況分析決定。

3．2 清洗方式的選擇

紫外燈在工程應用時，是安裝在石英套管內，并不直接與水接觸。而石英套管的紫外透光率也是影響紫外系統消毒效果的重要一環。因此需要定期對其進行清洗，避免套管表面結垢造成套管透光率的下降。

不同類型的燈管對于清洗有不同的要求。

對于中壓燈管，由于其燈管表面溫度在600～900℃，非常容易結垢，必須高頻率清洗，否則UVT254下降很快。因此工程設計通常采用自動清洗系統。

對于低壓燈管，表面溫度在100℃左右，在飲用水的應用上，根據水質情況，可以每個季度或半年清洗一次，通過UVT監測儀表進行判斷，可以手動進行清洗。

4 國內部分應用實例

4．1 上海臨江自來水廠

臨江水廠位于浦東新區的南部。水廠設計總規模60萬t/d。紫外系統自2009年11月開始投入運行［4］。

水廠的主要工藝包括:預臭氧+常規工藝+臭氧活性炭+紫外線聯合氯胺消毒。共采用了4臺DN1200的管道式紫外消毒反應器，3用1備。

主要技術參數:

UVT254=96%;最低紫外劑量:40 mJ/cm2;燈管數量:共設5(7)組燈組，每組12根紫外線燈，共計60(84)根燈管。

4．2 天津開發區凈水廠三期工程

天津開發區凈水廠地處天津濱海新區。三期設計產生能力為15萬t/d。紫外系統自2009年7月投入運行。

水廠的主要工藝包括:預臭氧+機械混合+上向流炭吸附反應脈沖沉淀池+V型濾池+紫外線聯合氯消毒工藝。共采用了4臺DN800的管道式紫外消毒反應器，3用1備。

主要技術參數:

UVT254=90%;最低紫外劑量:40 mJ/cm2;燈管數量:每臺發生器6根燈管。

［1］周偉良．紫外線在飲用水生產中的應用［J］．凈水技術，2002，21(1):38-40．

［2］劉文君．給水處理消毒技術發展趨勢展望［J］．給水排水，2004，30(1):2-5．

［3］郄燕秋，朱曉輝，呂東明，等．飲用水紫外線消毒——實施安全消毒的重要技術選擇［J］．給水排水，2008，34(6):9-13．

［4］陳艷麗，王如華，歐陽劍，等．紫外線消毒在上海臨江水廠改擴建工程中的應用［J］．給水排水，2009，35(1):9-11．