紫外线消毒模块工艺在给水处理中的应用

摘要结合紫外线消毒器工艺在给水处理中应用的工程实例，通过调查研究，总结工程中存在的相关问题，提出合理化建议。
自20世纪初发现氯可以灭活水中的致病微生物后，氯消毒在给水处理中得到广泛应用，成为20世纪保护人类健康的重要技术进步之一。但是，随着社会的发展，传统的消毒方式面临新的严峻挑战。主要有几方面的问题，一是饮用水中存在抗氯性致病微生物，最典型的就是隐孢子虫和贾第鞭毛虫（俗称“两虫”），二是消毒副产物的问题，主要指三卤甲烷（trihalomethanes，THMs）、卤乙酸（haloacetic acids，HAAs）、溴酸盐等，三是公共安全问题，主要指消毒用的液氯在生产、运输、储存和使用过程中都有泄漏的风险。
2007年我国开始实施的《生活饮用水卫生标准（GB 5749－2006）》对消毒相关的水质指标提出了十分严格的要求，包括细菌学指标、“两虫”、消毒副产物和消毒剂余量。紫外线作为一种非化学性消毒技术，由于其消毒较好的广谱性以及不产生消毒副产物，近十年来在欧洲，北美等发达国家得到快速应用。
我国在2009年完成了国内第一座与净水工艺同时设计和投入生产的饮用水紫外线消毒示范工程——天津开发区净水厂三期工程（15万m3/d），目前国内还有上海临江水厂（60万m3/d）、天津开发区净水厂一二期工程（17.5万m3/d）、济南玉清自来水深度处理工程（21万m3/d）以及大庆自来水项目（5万m3/d）已经正式使用紫外线消毒器工艺。国外应用紫外线消毒的水厂有加拿大维多利亚水厂（58万m3/d）、美国西雅图水厂（68万m3/d）、荷兰PWN Andijk 水厂（10万m3/d）、荷兰Berenplaat水厂（47万m3/d）、纽约Catskill/Delaware水库（830万m3/d）等均采用了紫外线消毒器工艺。
国内饮用水源的不断污染、恶化以及新的饮用水卫生标准的实施，也让我们对当前饮用水的质量产生担忧，由于任何一种消毒工艺都有其自身的局限性,下面就对各种消毒工艺做出比较，列举部分已实施紫外线消毒器工艺的工程实例，并提出相关存在问题和建议。
1目前常用的消毒方法
1.1氯消毒和氯胺消毒
氯消毒主要是通过次氯酸的氧化作用来杀灭细菌，对于水中的病毒、寄生虫卵的杀灭效果较差，其主要问题就是活性氯与水中的有机物反应生成消毒副产物，如三卤甲烷和卤乙酸等，另外采用氯消毒的口感比采用其他消毒剂差。
氯胺消毒机理一般认为与氯消毒相同，但其能够减少消毒过程中的THMs的产生，且在管网中的持续时间更长，在控制管网中细菌的再次繁殖和生物膜也比氯更为有效。
氯和氯胺消毒的共性是对水中的贾第鞭毛虫和隐孢子虫的去除效果非常差。
1.2二氧化氯消毒
二氧化氯是一种强氧化剂，对细菌的细胞壁有较好的吸附和穿透性能，可以有效地氧化细胞酶系统，快速控制细胞酶蛋白的合成，因此在同样的条件下，对大多数细菌表现出比氯更高的去除效率。
由于生产二氧化氯的工艺均会产生一定量的自由氯，故采用二氧化氯消毒仍然存在着产生含氯有机消毒副产物的可能，只是浓度比液氯低得多。二氧化氯消毒所产生的主要消毒副产物为亚氯酸盐和氯酸盐，它们对人体健康有潜在的危害。
1.3臭氧消毒
臭氧消毒工艺的优点比较明显，对致病菌尤其是耐氯的隐孢子虫和贾第鞭毛虫在低投加量的情况下就能够达到很好的杀灭效果，消毒后水的口感明显好于氯消毒水。臭氧消毒所要解决的主要问题是消毒副产物（甲醛和溴酸根离子）的控制问题，另外臭氧的生产设备庞大、造价高、流程复杂，需要较高的运行管理水平，同时臭氧易分解，单独采用臭氧消毒难以保证持续的杀菌效果，容易产生细菌的增值问题。
1.4膜消毒
膜消毒是将细菌从水中隔离出来，从而可以有效防止水中的死细菌再次成为热源。其优越性主要有：处理后的水质优良，不需要消耗化学药剂或仅需要少量的化学药剂，低能耗，低运行费用，消毒效果不受原水水质影响，出水水质稳定等等。膜消毒存在的主要问题是膜的堵塞问题，膜的完整性破坏后滤后水质变坏问题等。
1.5紫外线消毒
利用波长为250～270nm电磁波，改变两种重要的遗传物质DNA和RNA内含氮的杂环物质，在相邻的核苷之间产生新建，形成二聚物，这种作用导致微生物不能进行自我复制，从而达到消毒的目的。
紫外线消毒技术的优点比较明显，在很低的消毒剂量和很短的停留时间的条件下，就能够有效杀灭致病菌，消毒后的水中不会产生消毒副产物。
紫外线消毒所面临的主要问题就是消毒后的水中无余氯作用，在管网内细菌容易重新繁殖，从而造成二次污染。
2采用紫外线消毒器工艺的工程实例
2.1 加拿大维多利亚Japan Gulch水厂
维多利亚是加拿大省会城市，也是北美著名旅游胜地，位于风景秀丽、气候温和的温哥华岛上。Japan Gulch水厂处理规模约58万m3/d，是BC省第二大市政水厂，服务人口约为32万。该水厂原水水质很好(浊度小于1 NTU)，只有消毒工艺，水厂改造前采用氯胺消毒，消毒目标为病毒99.99%的去除率，运行中出厂水总余氯维持为1mg/L。1994年10月至1995年5月间，温哥华岛上报告了100多起因饮用水中的弓形虫引起的寄生虫传播急性病例，并大约有2900 – 7000居民受到感染。政府于1995年时开始考虑对Japan Gulch水厂实施更为严格的消毒标准以提高水安全性，要求水厂对病毒、贾第鞭毛虫、隐孢子虫的去除率分别达到99.99%、99.9%、99%，原有工艺不能满足新的消毒目标，因此提出三级多屏障组合式消毒工艺：第一级为紫外线，主要用于控制寄生虫，第二级为氯，主要用于控制细菌和病毒，第三级为氯胺，主要用于保证管网余氯，通过多屏障消毒策略来提高微生物消毒的广谱性，从而保证供水的安全性。
该水厂设计峰值流量为58万m3/d，水体最低紫外透光率为85%；紫外剂量＞40mJ/cm2。
2.2美国西雅图Cedar水厂
Cedar水厂是西雅图市两座水厂之一，由西雅图公用事业局管理，处理规模为68万m3/d。1992年，西雅图市严重缺水，Cedar厂原水水质的11项指标中大肠菌群超标，为使 Cedar水厂实现隐孢子虫99.9%的去除率、贾第鞭毛虫99.99%的去除率和病毒99.999%的去除率，最终选择臭氧和紫外线多屏障组合式消毒工艺，其中臭氧分工用来去除99.99%的贾第鞭毛虫，99.999%的病毒，同时用来解决由于藻类引起的季节性嗅味问题；紫外分工用来去除99.9%的隐孢子虫，并对细菌和病毒控制，提供2级消毒屏障。臭氧与紫外的投加量或剂量根据这一分工原则制定，紫外消毒工艺剂量定为40mJ/cm2，水体紫外透光率为90%。