紫外線消毒技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用分析

朱 俊 彥

(華藍(lán)設(shè)計(集團(tuán))有限公司，廣西 南寧 530000)

1 概述

隨著我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化進(jìn)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(zhì)也在多變復(fù)雜化，對環(huán)境不利影響也越來越嚴(yán)重。污水經(jīng)過一級預(yù)處理、二級生物處理后，水質(zhì)得到了一定的改善，但水中仍存在大量的細(xì)菌、病毒等病原體，若不經(jīng)有效消毒直接排入自然水體，將會對環(huán)境及人類健康產(chǎn)生不利影響。因此采用高效的水處理技術(shù)，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(jīng)廣泛地用于污水消毒中[1,2]。與傳統(tǒng)的化學(xué)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(xué)藥劑、不會形成有毒的消毒副產(chǎn)物、消毒耗時短和設(shè)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(nèi)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(yùn)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(xiàn)介紹了紫外線消毒應(yīng)用于污水處理的實例[6-10]，但缺乏對其機(jī)理、應(yīng)用及未來研究方向進(jìn)行歸納總結(jié)。本研究通過對紫外線消毒技術(shù)在污水處理中的作用機(jī)理和應(yīng)用情況的綜述，展望了紫外線消毒技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，為紫外線消毒在污水處理領(lǐng)域的發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。

2 紫外線消毒的機(jī)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(jìn)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(yùn)作必不可少的生物大分子，當(dāng)微生物的DNA或RNA分子吸收紫外線時，會導(dǎo)致生物體的死亡[13]，該過程為光化學(xué)反應(yīng)過程。許多科學(xué)家對紫外線引起的DNA損傷進(jìn)行了研究，根據(jù)微生物學(xué)實驗，紫外線照射引起的誘變DNA損傷產(chǎn)物主要有環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPDs)和6—4光產(chǎn)物，在誘變DNA損傷產(chǎn)物的檢測中，CPDs約占DNA損傷產(chǎn)物的75%，該反應(yīng)為主要誘導(dǎo)損傷反應(yīng)[14]，生物體產(chǎn)生CPDs時，DNA雙鏈結(jié)構(gòu)被破壞，RNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄就無法進(jìn)行，微生物生存和繁殖所需的蛋白質(zhì)也無法被合成，最終導(dǎo)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(xué)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(qiáng)，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(yuǎn)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(zhì)和細(xì)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(zhì)的性質(zhì)進(jìn)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(zhì)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(yīng)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(dá)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(shù)，無持續(xù)殺菌能力，水體通過紫外線反應(yīng)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(shù)的缺點之一。據(jù)文獻(xiàn)報道，微生物DNA修復(fù)是導(dǎo)致其復(fù)活的重要因素，而大多數(shù)的DNA修復(fù)，包括光修復(fù)和暗修復(fù)[22]。許多生物已經(jīng)進(jìn)化出光修復(fù)機(jī)制，例如大腸桿菌[23]。光修復(fù)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(fù)酶能將CPDs解聚為單體，使微生物生命活動恢復(fù)正常。暗修復(fù)不需要光，是用未受損的DNA取代受損的DNA核苷酸，從而進(jìn)行修復(fù)[24]。有研究表明，白色廣口瓶水樣中糞大腸桿菌復(fù)活率遠(yuǎn)高于棕色廣口瓶的復(fù)活率[25]，說明光修復(fù)是DNA修復(fù)的主要反應(yīng)過程。無論是光修復(fù)還是暗修復(fù)，均是由于消毒過程中紫外光劑量過低引起的，當(dāng)紫外線劑量大于100 mJ/cm2時，光修復(fù)作用不會發(fā)生，而且經(jīng)紫外線照射2 h后，部分微生物將完全喪失光修復(fù)能力[7]。故紫外線劑量的大小是發(fā)生光修復(fù)與否的關(guān)鍵。

3 紫外線消毒技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

3.1 紫外線消毒系統(tǒng)的組成

紫外線消毒系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(shè)備，用于安裝、清洗、更換紫外線模塊。配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(shè)置和運(yùn)行，可以將紫外線消毒系統(tǒng)的運(yùn)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?，調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。紫外光強(qiáng)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(dá)標(biāo)。低水位探頭和水位控制裝置用于保護(hù)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(jī)械清洗。人工清洗即人為將燈管拆出，對燈管進(jìn)行擦洗。機(jī)械清洗即在燈管上安裝清洗環(huán)，自動擦洗燈管表面結(jié)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(dǎo)致汞的激發(fā)，當(dāng)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(chǎn)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(qiáng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qiáng)紫外燈的光強(qiáng)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(qiáng)較強(qiáng)，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(fēng)險，科學(xué)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(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)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(dǎo)體材料，通過電子和空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光，發(fā)出光的波長取決于半導(dǎo)體材料的類型。不同波長的紫外光可以用不同的半導(dǎo)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(dú)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(fēng)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(yù)熱，可以高頻率開關(guān)；使用壽命更長，可達(dá)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(jìn)行調(diào)節(jié)變化，而UV-LEDs可以靈活的調(diào)整不同紫外光波長的搭配和通量，使得殺菌效果達(dá)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(shù)尚處于研究開發(fā)階段。若要系統(tǒng)化、規(guī)范化地應(yīng)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(yīng)用于污水處理中應(yīng)該通過什么樣的裝置來實現(xiàn)，應(yīng)該通過什么標(biāo)準(zhǔn)來判斷UV-LEDs的消毒效果等等。這將是未來紫外線消毒技術(shù)的重點研究方向。

5 結(jié)語

城市污水中含有細(xì)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(chǎn)物污染等優(yōu)勢，在經(jīng)濟(jì)性及對環(huán)境友好方面具有明顯的優(yōu)勢。紫外線消毒機(jī)理是通過破壞微生物的DNA和RNA結(jié)構(gòu)，使微生物無法合成生命活動所需的物質(zhì)進(jìn)而死亡來達(dá)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(chǎn)生微生物復(fù)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(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)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(fēng)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(shù)尚處于研發(fā)階段，形成全面、規(guī)范化的UV-LEDs消毒機(jī)制迫在眉睫。