紫外線消毒技術在飲用水處理中的應用研究

劉杰

摘 要：利用紫外線消毒技術對飲用水進行凈化處理，是目前飲用水凈化處理的新技術方向。文章首先對紫外線消毒技術原理及相關研究情況進行較少，分析紫外線消毒技術相比于現有飲用水處理技術的應用優勢。在此基礎上，結合青陽縣城南水廠給水建設工程案例，探討紫外線消毒技術在飲用水處理中的應用及實現。

關鍵詞：紫外線;消毒技術;飲用水處理

飲用水安全是人們普遍關心的話題，在各大水廠的飲用水凈化處理過程中，通過積極研發新型消毒技術，不僅能夠改善飲用水凈化效果，還有利于降低系統運行維護成本。紫外線消毒技術是目前飲用水處理的重點研究方向，具有無毒害副產物、投入成本低、滅菌能力強等應用優勢，應推廣其研究與應用。

一、紫外線消毒技術原理及特點

紫外光波長在100nm～400nm之間，其中具有殺菌作用的波長分布在200nm～300nm范圍內。紫外線殺菌技術主要是利用其光化學原理，破壞細菌的遺傳物質核酸。在細菌核算吸收紫外線輻射時，其臨近核苷會形成新結合物，導致核酸中出現二倍結構或二聚物，其中胸腺嘧啶二聚物最為常見。如果細菌和病毒中的DNA產生大量胸腺嘧啶二聚物，可有效阻止其DNA復制，導致細胞無法分裂。破壞細胞數量主要取決于微生物吸收紫外線劑量及其自身抗輻射能力，對于多數細菌和病毒而言，只需要少量滅活劑量即可達到殺菌效果[1]。

根據這一原理，目前紫外線消毒技術在市政飲用水、食品工業、制藥工業、市政污水等的水處理過程中都得到了應用。關于紫外線消毒技術的研究和應用可追溯到1877年關于太陽輻射滅菌的報道。紫外線消毒技術在水處理中的首次應用是在1910年，當時法國馬賽市在一地下水源水廠中構建了一套完整的紫外線消毒系統。經過一百多年的研究，目前紫外線消毒技術的理論體系已經較為完善，具體的工藝實現方案也有多種形式。相比于液氯消毒、臭氧消毒等傳統技術手段，紫外線不僅具有更好的細菌滅火效果，而且無有害副產物，系統構建和運行較為簡單，經濟成本低，具有較高的綜合應用效益[2]。

二、紫外線消毒對國內飲用水問題的適用性

（一）適用于水廠微生物的廣譜控制及耐氯微生物控制

紫外在40mJ/cm2的標準劑量下，可對水體中已知的所用微生物如病毒，細菌，原生動物有效滅活，對耐氯微生物的控制效果更為突出。文獻與研究證明：原水中存在大量治病耐氯微生物，如賈第鞭毛，隱孢子蟲，鞘胺醇單胞菌，枯草芽孢菌，軍團菌，鳥型枝桿菌等。

歷史上的多次飲用水安全惡性事件已經證實了對耐氯微生物控制的重要性，加拿大的Walkertion市由于水廠單一消毒單元失效，造成2300人住院，7人死亡，美國Milwaukee市水廠由于隱孢子蟲的存在，氯消毒無法有效控制，造成5萬多人染病住院108人死亡，在中國內蒙古赤峰，由于水廠單一消毒單元失效導致4322人住院。有些水廠不但大腸菌超標，而且THMS也超標，而且THMS也超標，傳統的單一消毒單元和氯消毒不能解決新認識下的供水安全。

多屏障消毒中，紫外可以作為水廠的消毒主工藝，對出廠水中的微生物進行廣譜控制，少量的氯或氯胺起到維護管網余氯的作用即可。

（二）適用于水廠消毒副產物超標控制

從1974年Book等人發現飲用水加氯消毒可產生三鹵甲烷（THMS）后，短短幾十年間，人類對消毒副產物的認知與了解有了突飛猛進的發展，據國際衛生組織報道，自來水中含已知消毒副產物達1000多種，其中20種已確認為致癌物，24種為可疑致癌物，18 種確認為促癌物，47種確認為突變物。這1000多種副產物里還有很多未被研究過，一半以上身份不明。

消毒副產物生成量取決于氯等消毒藥劑的投放量與原水本體中消毒副產物前驅體含量。近年受水體污染影響，國內水廠水源消毒副產物前軀體呈逐年增長趨勢，消毒副產物超標也成為水廠亟待解決的重要課題。

紫外作為多屏障消毒中的一環，在物理消毒中不產生任何消毒副產物。紫外的使用也可以降低消毒藥劑的投加與副產物的生成。

（三）適用于水廠氨氮偏高

國內原水氨氮偏高呈普遍現象，氯與水中氨氮結合為氯胺，單純的氯胺消毒效果差，無法起到微生物廣譜控制的效果，而折點加氯易形成消毒副產物超標。

多屏障消毒方式的使用，可使紫外作為水廠的消毒主工藝，對水廠微生物進行有效全面控制，而氯可以與水中氨氮形成氯胺，維護管網的生物穩定性，這將在確保水廠消毒效果的情況下減少消毒藥劑的消耗與消毒副產物的生成。

三、紫外線消毒技術在飲用水處理中的應用及實現

筆者通過自身設計的工程案例進行敘述和分析。

（一）工程概況

青陽縣城南水廠給水建設工程近期建設規模4.0萬m3/d，工程總投資5499.08萬元。主要建設內容為凈水廠廠區，目前已完成取水和輸水工程建設任務。其供水水源為牛橋水庫，進水水質的濁度為15NTU，出水水質目標濁度值為0.5NTU，個別情況也要小于3NTU。青陽縣城已經完成的城市取水和輸水工程，主要包括調節壩和輸水管線等建設內容，供水調節壩建立在牛橋水電站的下游330m處，為自控溢流翻版壩，庫容9.31萬m3。輸水工程按總規模7.0萬m3/d設計，輸水管線長9.0km，分兩期建設，目前一期工程已經投入使用。在凈水廠工程建設中，可直接利用取水和輸水工程的現有設施。

（二）總體工藝流程

該水廠凈水處理工藝總體流程為牛橋水庫取水→管式靜態混合器混合→折板反應平流沉淀池沉淀→V型濾池過濾→清水池→送水泵房→城市管網。其中，在牛橋水庫水至管式靜態混合器環節進行加藥，在V型濾池至清水池處理環節進行加氯和紫外線殺毒。因此，總體工藝流程實際上是在常規凈水工藝的基礎上，增加紫外線消毒環節，提高飲用水處理質量。

（三）詳細工藝設計

1、混合及沉淀處理工藝

根據總體工藝流程設計，原水首先進入管式靜態混合器中進行混合處理，投藥后可形成連續均布紊動，使混凝劑可以均勻擴散及混合。需要使用2臺混合器，直徑為DN600，單臺混合器的流量為0.254m3/s，流速為0.90m/s。然后進入折板絮凝平流沉淀池進行沉淀處理，共設計2組折板絮凝池，單日處理量為20000m3/池，每組面積59.50m2，每組分為8段，包括3段相對折板段、3段平行折板段和2段直板段，采用穿孔管進行排泥。折板絮凝池有效水深4.5m，絮凝時間為17.5min，各板段的豎向設計流速如表1所示。此外還設計有2組平流沉淀池，單日處理規模為20000m3/池，沉淀時間為2.0h，有效水深為3.3m，設計流速為12mm/s，在每個平流沉淀池中設置一臺泵吸式刮吸泥機。

2、V型濾池處理工藝

V型濾池包含紫外消毒裝置，設計流量為1833.33m3/h，濾速為6.8m/h，共設計8個V型濾池，總過濾面積為270m2。V型濾池采取氣、水反沖洗方式，氣沖為15.3L/s.m，沖洗時間3min。水沖為5.6L/s.m，時間為5min。氣水反沖的氣沖為15.3L/s.m2，水沖為3.13L/s.m2，時間均為4min。其中需要使用的設備主要包括反沖洗水泵和反沖洗鼓風機等。在V型濾池運行過程中，進水管和出水管以及反沖洗進出水管均設計有電動蝶閥，出水管設計有電動了解發，反沖洗排水管設計有電動雙調節閥。整體在PLC控制下運行，可根據濾池水位變化調節閥門開關。紫外消毒裝置設計在濾池出水管處，采用DN600管道連接管式紫外消毒設備，功率為30kW。濾池出水經過紫外線消毒后，進入清水池。

3、清水池及泵房處理工藝

清水池溶劑按照日供水量14%進行設計，共有2組，單個平面尺寸為30.0×28.40m2，有效水深3.3m，總容積為5600m3。在每個清水池進出水管道上都設計有閥門，運行控制和檢修較為方便。送水泵房的采用半地下式設計形式，吸水井設計規格為23×3.4×3.5m3，水泵采用3臺單行布置方式，整體按5臺泵位置進行設計，近期安裝3臺，2用1備。變電所和泵房合建，變電所的面積為530m2。

4、加藥間和加氯間處理工藝

該工程的加藥間主要投加固體聚合氯化鋁作為絮凝劑，采用濕式投加方法，最大投加量為20mg/l，單日最大需要量為880kg，藥劑投加濃度小于10%。在加藥間需要布置的設備主要為2套全自動藥液制備系統，1備1用，且每套系統中包含2個攪拌器。此外需要設置3臺隔膜計量泵，2用1備，單泵流量為4901/h，揚程為50m。在該工程中，濾池出水管道安裝的紫外消毒裝置，是水廠主要消毒措施，后段則設計液氯全真空自動消毒系統，分3處加氯。其中1處在管式靜態混合器入口處加氯，防止構筑物池體中滋生藻類生物。另外2處在2組清水池清水端加氯，補充管網余氯。加氯間具體有加氯機房、氯瓶間、控制室等部分組成，需要設置全真空加氯機和漏氯吸收中和裝置。同樣采取PLC控制技術，對復合環進行自動控制，根據濾池出水流量和余氯檢測信號對加氯機運行進行自動調節，以保持最佳的投氯量。

四、結語

綜上所述，相比于傳統的液氯、臭氧消毒技術，紫外線消毒技術具有多方面的應用優勢。通過對其工藝流程和關鍵技術設備進行研究，可以為水廠引進紫外線消毒技術提供參考。而且這種飲用水處理技術具有較強的殺毒滅菌能力，運行維護成本低，適合大范圍推廣，促進水廠飲用水處理技術水平的進一步提升。

參考文獻：

[1]姚振興，王明泉，孫韶華.紫外線消毒技術在飲用水處理中的應用[J].城鎮供水，2013（02）：14-17.

[2]張軼群.紫外線消毒技術在飲用水中應用的影響因素[J].城鎮供水，2011（04）：35-36+9.