紫外線消毒技術在污水處理中的應用分析

朱 俊 彥

(華藍設計(集團)有限公司，廣西 南寧 530000)

1 概述

隨著我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化進程的加快，鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口不斷集中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅速發(fā)展，鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水排放量不斷增加，污水性質也在多變復雜化，對環(huán)境不利影響也越來越嚴重。污水經過一級預處理、二級生物處理后，水質得到了一定的改善，但水中仍存在大量的細菌、病毒等病原體，若不經有效消毒直接排入自然水體，將會對環(huán)境及人類健康產生不利影響。因此采用高效的水處理技術，特別是殺滅水中的病原微生物，對環(huán)境和人類健康具有重要的意義。

紫外線可以有效地滅活水中的各種微生物，并已經廣泛地用于污水消毒中[1,2]。與傳統(tǒng)的化學消毒如氯消毒、臭氧消毒相比，紫外線消毒具有無需添加化學藥劑、不會形成有毒的消毒副產物、消毒耗時短和設備占地小等優(yōu)點，因此受到大力推廣使用[3]。據(jù)統(tǒng)計，國內外已有超過7 000家污水處理廠采用紫外線消毒工藝，其中大部分都采用模塊化的明渠式系統(tǒng)，選用低壓或中壓汞燈作為紫外光源[4]。但是采用汞燈作為紫外光光源也具有一定的缺點，汞燈一旦破碎，將會持續(xù)向外界環(huán)境釋放汞，污染環(huán)境。另外，汞燈易碎易老化，壽命較短，且需要消耗大量的電能來運行[5]。故開發(fā)其他類型的紫外燈管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汞燈是近年來的重點研究方向。

以往大量文獻介紹了紫外線消毒應用于污水處理的實例[6-10]，但缺乏對其機理、應用及未來研究方向進行歸納總結。本研究通過對紫外線消毒技術在污水處理中的作用機理和應用情況的綜述，展望了紫外線消毒技術在污水處理領域的發(fā)展趨勢，為紫外線消毒在污水處理領域的發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。

2 紫外線消毒的機理

紫外線(UV)是一種波長在10 nm～400 nm之間的肉眼不可見光線，大致按照波長可分為UV-A(315 nm～400 nm)、UV-B(280 nm～315 nm)、UV-C(200 nm～280 nm)和真空紫外(100 nm～200 nm)等。污水處理大多數(shù)是用UV-C(200 nm～280 nm)波長范圍進行消毒[11]。一般來說，芳香族化合物比較容易吸收紫外光，特別是DNA中的胞嘧啶和胸腺嘧啶，RNA中的胞嘧啶和尿嘧啶[12]。DNA或RNA是生物體發(fā)育和正常運作必不可少的生物大分子，當微生物的DNA或RNA分子吸收紫外線時，會導致生物體的死亡[13]，該過程為光化學反應過程。許多科學家對紫外線引起的DNA損傷進行了研究，根據(jù)微生物學實驗，紫外線照射引起的誘變DNA損傷產物主要有環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPDs)和6—4光產物，在誘變DNA損傷產物的檢測中，CPDs約占DNA損傷產物的75%，該反應為主要誘導損傷反應[14]，生物體產生CPDs時，DNA雙鏈結構被破壞，RNA的復制和轉錄就無法進行，微生物生存和繁殖所需的蛋白質也無法被合成，最終導致微生物體死亡。

研究表明，DNA的最大紫外吸收波長約為253.7 nm，然而在大多數(shù)情況下，不同生物體的吸收波長的能力有所差異，微生物的紫外光敏感性并不一定完全與DNA吸收波長吻合[15]。生物學上常用失活速率常數(shù)k來表示微生物對紫外光的敏感度，k值越大，微生物對紫外光的敏感度越強，越容易被殺滅。如表1所示，在254 nm波長的紫外光下，大腸埃希氏菌的失活速率常數(shù)遠高于其他微生物，說明比其他微生物更容易吸收UV-C的輻射[12]。另外，微生物的生命活動除了DNA和RNA外，其他成分，如蛋白質和細胞膜，對生物體的生命活動也具有重要的意義，紫外光也有可能通過破壞這部分物質的性質進而影響生物體的生命活動。例如，φX174噬菌體在255 nm的紫外光波長照射下，比在254 nm波長紫外光中更敏感，這說明紫外光在影響生物體遺傳物質的同時，還影響了生物體生命活動的其他必要成分[12,16,17]。因此，我們應該對不同的生物分析其在不同紫外光波長下的失活速率常數(shù)k，以確定其最佳紫外吸收波長，達到最佳消毒效果。

表1 水中不同微生物對紫外光的敏感度

紫外線消毒屬于瞬間消毒技術，無持續(xù)殺菌能力，水體通過紫外線反應器一段時間后，會出現(xiàn)水中微生物含量回升的現(xiàn)象[21]，這也是紫外線消毒技術的缺點之一。據(jù)文獻報道，微生物DNA修復是導致其復活的重要因素，而大多數(shù)的DNA修復，包括光修復和暗修復[22]。許多生物已經進化出光修復機制，例如大腸桿菌[23]。光修復即是在310 nm～480 nm波長光(UV-A或部分可見光)的作用下，光修復酶能將CPDs解聚為單體，使微生物生命活動恢復正常。暗修復不需要光，是用未受損的DNA取代受損的DNA核苷酸，從而進行修復[24]。有研究表明，白色廣口瓶水樣中糞大腸桿菌復活率遠高于棕色廣口瓶的復活率[25]，說明光修復是DNA修復的主要反應過程。無論是光修復還是暗修復，均是由于消毒過程中紫外光劑量過低引起的，當紫外線劑量大于100 mJ/cm2時，光修復作用不會發(fā)生，而且經紫外線照射2 h后，部分微生物將完全喪失光修復能力[7]。故紫外線劑量的大小是發(fā)生光修復與否的關鍵。

3 紫外線消毒技術在污水處理中的應用

3.1 紫外線消毒系統(tǒng)的組成

紫外線消毒系統(tǒng)從結構上可分為明渠式和封閉管道式，目前超過90%以上的污水廠采用明渠式紫外線消毒系統(tǒng)[8,26]。一般的市政污水紫外線消毒系統(tǒng)，除混凝土渠道外，一般包括以下組成部分：紫外線消毒模塊組、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、紫外光強探頭、低水位探頭、水位控制裝置、清洗裝置等[8,27]。

紫外線消毒模塊組是紫外線消毒系統(tǒng)的主要部分之一，它包括了紫外線模塊和模塊支架；紫外線模塊又包括了紫外燈、燈管套管、遮光板和鎮(zhèn)流器，還有一臺微型起吊設備，用于安裝、清洗、更換紫外線模塊。配電系統(tǒng)負責整個紫外線消毒系統(tǒng)的供配電。控制系統(tǒng)用于控制紫外線消毒系統(tǒng)的參數(shù)設置和運行，可以將紫外線消毒系統(tǒng)的運行參數(shù)傳輸?shù)綇S區(qū)的總體控制中心，也可以根據(jù)總體控制中心傳輸?shù)闹噶睿{整系統(tǒng)的運行狀態(tài)。紫外光強探頭用于監(jiān)測消毒模塊的紫外光劑量，以此來判斷消毒效果是否達標。低水位探頭和水位控制裝置用于保護紫外燈管，防止水位過低，燈管暴露在空氣中干燒損壞，也可以使系統(tǒng)水位維持在一個相對恒定的位置。清洗可分為人工清洗和機械清洗。人工清洗即人為將燈管拆出，對燈管進行擦洗。機械清洗即在燈管上安裝清洗環(huán)，自動擦洗燈管表面結垢。

3.2 紫外燈管的類型

污水處理中紫外線消毒燈常用的是汞蒸氣燈。其工作原理是汞蒸氣和電子的碰撞導致汞的激發(fā)，當汞原子返回基態(tài)時，將發(fā)射出紫外光，少量的汞通常被加入含氬氣載氣的燈中，燈中的電極產生等離子體，并由該等離子體提供電子[28]。由于紫外線無法透過普通玻璃，因此常使用石英套管來作為紫外燈。目前污水紫外線消毒系統(tǒng)中常用的紫外燈管有：低壓燈(LP)、低壓高強燈(LPHO)和中壓燈(MP)。中壓型系統(tǒng)單根輸出功率高，約420 W～25 000 W，紫外光的分散度大，光譜范圍廣，輸出波長為230 nm～300 nm，但光電轉換率僅為15%，電耗較高；燈管使用壽命約5 000 h，更換周期較短。低壓型系統(tǒng)光電轉化率約30%～40%，燈管使用壽命約8 000 h～12 000 h，燈管利用率高，輸出波長單一為253.7 nm；單根輸出功率低，低壓燈約 30 W～60 W，低壓高輸出燈約90 W～100 W；所需燈管數(shù)量多，更換成本高。在相同有效劑量的條件下，三種類型紫外燈的消毒效果是相同的。但低壓低強紫外燈的光強相對較弱，穿透力不高，適用于低濁度污水；中壓紫外燈的光強較強，穿透力較高，比較適合稍高濁度污水的處理[29]。

4 未來研究方向

由于汞蒸氣燈存在著汞泄露的風險，科學家們一直在研究尋找更安全的紫外燈來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汞蒸氣燈。隨著半導體工業(yè)的快速發(fā)展和進步，紫外發(fā)光二極管(UV-LEDs)作為一種新的紫外光源被開發(fā)出來。其工作原理是利用半導體材料，通過電子和空穴復合釋放能量發(fā)光，發(fā)出光的波長取決于半導體材料的類型。不同波長的紫外光可以用不同的半導體材料制造獲得，最常用的材料是Ⅲ-氮化物[30]。

UV-LEDs系統(tǒng)具有幾個獨特的優(yōu)勢，例如，波長范圍廣，可滿足多種消毒需求；對環(huán)境友好，不存在汞泄露風險；裝置緊湊，比傳統(tǒng)紫外線消毒系統(tǒng)占地更少；啟動時間快，無需預熱，可以高頻率開關；使用壽命更長，可達100 000 h[31]。傳統(tǒng)的中壓汞燈雖然也可以選擇使用不同波長的紫外光，但其每次發(fā)出的紫外光光譜是固定的，無法進行調節(jié)變化，而UV-LEDs可以靈活的調整不同紫外光波長的搭配和通量，使得殺菌效果達到最佳狀態(tài)[31]。

盡管UV-LEDs系統(tǒng)相比傳統(tǒng)紫外線系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，但該技術尚處于研究開發(fā)階段。若要系統(tǒng)化、規(guī)范化地應用到污水處理中，還需要大量的探索、研究、實驗來解決一系列的問題，例如，不同波長紫外光的組合對殺滅污水微生物的效果有何影響，UV-LEDs應用于污水處理中應該通過什么樣的裝置來實現(xiàn)，應該通過什么標準來判斷UV-LEDs的消毒效果等等。這將是未來紫外線消毒技術的重點研究方向。

5 結語

城市污水中含有細菌、病毒等其他對環(huán)境、人類健康有不利影響的病原體。紫外線消毒憑借其高效滅菌效果、消毒耗時短、操作安全、無消毒副產物污染等優(yōu)勢，在經濟性及對環(huán)境友好方面具有明顯的優(yōu)勢。紫外線消毒機理是通過破壞微生物的DNA和RNA結構，使微生物無法合成生命活動所需的物質進而死亡來達到消毒的效果。但若紫外線劑量不足，或者消毒時間過短，微生物殺滅不完全，則有可能會產生微生物復活現(xiàn)象。

目前，搭配汞燈的紫外線消毒系統(tǒng)已在污水處理領域內廣泛應用，但仍存在著許多問題需要解決：紫外線汞燈易碎，存在著汞泄露風險；使用壽命短，需常更換燈管等等。UV-LEDs的出現(xiàn)便很好地解決了這些問題，還可以通過搭配不同的紫外光波長，提高消毒效果。但該技術尚處于研發(fā)階段，形成全面、規(guī)范化的UV-LEDs消毒機制迫在眉睫。