紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用研究

刘杰

摘 要：利用紫外线消毒技术对饮用水进行净化处理，是目前饮用水净化处理的新技术方向。文章首先对紫外线消毒技术原理及相关研究情况进行较少，分析紫外线消毒技术相比于现有饮用水处理技术的应用优势。在此基础上，结合青阳县城南水厂给水建设工程案例，探讨紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用及实现。

关键词：紫外线;消毒技术;饮用水处理

饮用水安全是人们普遍关心的话题，在各大水厂的饮用水净化处理过程中，通过积极研发新型消毒技术，不仅能够改善饮用水净化效果，还有利于降低系统运行维护成本。紫外线消毒技术是目前饮用水处理的重点研究方向，具有无毒害副产物、投入成本低、灭菌能力强等应用优势，应推广其研究与应用。

一、紫外线消毒技术原理及特点

紫外光波长在100nm～400nm之间，其中具有杀菌作用的波长分布在200nm～300nm范围内。紫外线杀菌技术主要是利用其光化学原理，破坏细菌的遗传物质核酸。在细菌核算吸收紫外线辐射时，其临近核苷会形成新结合物，导致核酸中出现二倍结构或二聚物，其中胸腺嘧啶二聚物最为常见。如果细菌和病毒中的DNA产生大量胸腺嘧啶二聚物，可有效阻止其DNA复制，导致细胞无法分裂。破坏细胞数量主要取决于微生物吸收紫外线剂量及其自身抗辐射能力，对于多数细菌和病毒而言，只需要少量灭活剂量即可达到杀菌效果[1]。

根据这一原理，目前紫外线消毒技术在市政饮用水、食品工业、制药工业、市政污水等的水处理过程中都得到了应用。关于紫外线消毒技术的研究和应用可追溯到1877年关于太阳辐射灭菌的报道。紫外线消毒技术在水处理中的首次应用是在1910年，当时法国马赛市在一地下水源水厂中构建了一套完整的紫外线消毒系统。经过一百多年的研究，目前紫外线消毒技术的理论体系已经较为完善，具体的工艺实现方案也有多种形式。相比于液氯消毒、臭氧消毒等传统技术手段，紫外线不仅具有更好的细菌灭火效果，而且无有害副产物，系统构建和运行较为简单，经济成本低，具有较高的综合应用效益[2]。

二、紫外线消毒对国内饮用水问题的适用性

（一）适用于水厂微生物的广谱控制及耐氯微生物控制

紫外在40mJ/cm2的标准剂量下，可对水体中已知的所用微生物如病毒，细菌，原生动物有效灭活，对耐氯微生物的控制效果更为突出。文献与研究证明：原水中存在大量治病耐氯微生物，如贾第鞭毛，隐孢子虫，鞘胺醇单胞菌，枯草芽孢菌，军团菌，鸟型枝杆菌等。

历史上的多次饮用水安全恶性事件已经证实了对耐氯微生物控制的重要性，加拿大的Walkertion市由于水厂单一消毒单元失效，造成2300人住院，7人死亡，美国Milwaukee市水厂由于隐孢子虫的存在，氯消毒无法有效控制，造成5万多人染病住院108人死亡，在中国内蒙古赤峰，由于水厂单一消毒单元失效导致4322人住院。有些水厂不但大肠菌超标，而且THMS也超标，而且THMS也超标，传统的单一消毒单元和氯消毒不能解决新认识下的供水安全。

多屏障消毒中，紫外可以作为水厂的消毒主工艺，对出厂水中的微生物进行广谱控制，少量的氯或氯胺起到维护管网余氯的作用即可。

（二）适用于水厂消毒副产物超标控制

从1974年Book等人发现饮用水加氯消毒可产生三卤甲烷（THMS）后，短短几十年间，人类对消毒副产物的认知与了解有了突飞猛进的发展，据国际卫生组织报道，自来水中含已知消毒副产物达1000多种，其中20种已确认为致癌物，24种为可疑致癌物，18 种确认为促癌物，47种确认为突变物。这1000多种副产物里还有很多未被研究过，一半以上身份不明。

消毒副产物生成量取决于氯等消毒药剂的投放量与原水本体中消毒副产物前驱体含量。近年受水体污染影响，国内水厂水源消毒副产物前躯体呈逐年增长趋势，消毒副产物超标也成为水厂亟待解决的重要课题。

紫外作为多屏障消毒中的一环，在物理消毒中不产生任何消毒副产物。紫外的使用也可以降低消毒药剂的投加与副产物的生成。

（三）适用于水厂氨氮偏高

国内原水氨氮偏高呈普遍现象，氯与水中氨氮结合为氯胺，单纯的氯胺消毒效果差，无法起到微生物广谱控制的效果，而折点加氯易形成消毒副产物超标。

多屏障消毒方式的使用，可使紫外作为水厂的消毒主工艺，对水厂微生物进行有效全面控制，而氯可以与水中氨氮形成氯胺，维护管网的生物稳定性，这将在确保水厂消毒效果的情况下减少消毒药剂的消耗与消毒副产物的生成。

三、紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用及实现

笔者通过自身设计的工程案例进行叙述和分析。

（一）工程概况

青阳县城南水厂给水建设工程近期建设规模4.0万m3/d，工程总投资5499.08万元。主要建设内容为净水厂厂区，目前已完成取水和输水工程建设任务。其供水水源为牛橋水库，进水水质的浊度为15NTU，出水水质目标浊度值为0.5NTU，个别情况也要小于3NTU。青阳县城已经完成的城市取水和输水工程，主要包括调节坝和输水管线等建设内容，供水调节坝建立在牛桥水电站的下游330m处，为自控溢流翻版坝，库容9.31万m3。输水工程按总规模7.0万m3/d设计，输水管线长9.0km，分两期建设，目前一期工程已经投入使用。在净水厂工程建设中，可直接利用取水和输水工程的现有设施。

（二）总体工艺流程

该水厂净水处理工艺总体流程为牛桥水库取水→管式静态混合器混合→折板反应平流沉淀池沉淀→V型滤池过滤→清水池→送水泵房→城市管网。其中，在牛桥水库水至管式静态混合器环节进行加药，在V型滤池至清水池处理环节进行加氯和紫外线杀毒。因此，总体工艺流程实际上是在常规净水工艺的基础上，增加紫外线消毒环节，提高饮用水处理质量。

（三）详细工艺设计

1、混合及沉淀处理工艺

根据总体工艺流程设计，原水首先进入管式静态混合器中进行混合处理，投药后可形成连续均布紊动，使混凝剂可以均匀扩散及混合。需要使用2台混合器，直径为DN600，单台混合器的流量为0.254m3/s，流速为0.90m/s。然后进入折板絮凝平流沉淀池进行沉淀处理，共设计2组折板絮凝池，单日处理量为20000m3/池，每组面积59.50m2，每组分为8段，包括3段相对折板段、3段平行折板段和2段直板段，采用穿孔管进行排泥。折板絮凝池有效水深4.5m，絮凝时间为17.5min，各板段的竖向设计流速如表1所示。此外还设计有2组平流沉淀池，单日处理规模为20000m3/池，沉淀时间为2.0h，有效水深为3.3m，设计流速为12mm/s，在每个平流沉淀池中设置一台泵吸式刮吸泥机。

2、V型滤池处理工艺

V型滤池包含紫外消毒装置，设计流量为1833.33m3/h，滤速为6.8m/h，共设计8个V型滤池，总过滤面积为270m2。V型滤池采取气、水反冲洗方式，气冲为15.3L/s.m，冲洗时间3min。水冲为5.6L/s.m，时间为5min。气水反冲的气冲为15.3L/s.m2，水冲为3.13L/s.m2，时间均为4min。其中需要使用的设备主要包括反冲洗水泵和反冲洗鼓风机等。在V型滤池运行过程中，进水管和出水管以及反冲洗进出水管均设计有电动蝶阀，出水管设计有电动了解发，反冲洗排水管设计有电动双调节阀。整体在PLC控制下运行，可根据滤池水位变化调节阀门开关。紫外消毒装置设计在滤池出水管处，采用DN600管道连接管式紫外消毒设备，功率为30kW。滤池出水经过紫外线消毒后，进入清水池。

3、清水池及泵房处理工艺

清水池溶剂按照日供水量14%进行设计，共有2组，单个平面尺寸为30.0×28.40m2，有效水深3.3m，总容积为5600m3。在每个清水池进出水管道上都设计有阀门，运行控制和检修较为方便。送水泵房的采用半地下式设计形式，吸水井设计规格为23×3.4×3.5m3，水泵采用3台单行布置方式，整体按5台泵位置进行设计，近期安装3台，2用1备。变电所和泵房合建，变电所的面积为530m2。

4、加药间和加氯间处理工艺

该工程的加药间主要投加固体聚合氯化铝作为絮凝剂，采用湿式投加方法，最大投加量为20mg/l，单日最大需要量为880kg，药剂投加浓度小于10%。在加药间需要布置的设备主要为2套全自动药液制备系统，1备1用，且每套系统中包含2个搅拌器。此外需要设置3台隔膜计量泵，2用1备，单泵流量为4901/h，扬程为50m。在该工程中，滤池出水管道安装的紫外消毒装置，是水厂主要消毒措施，后段则设计液氯全真空自动消毒系统，分3处加氯。其中1处在管式静态混合器入口处加氯，防止构筑物池体中滋生藻类生物。另外2处在2组清水池清水端加氯，补充管网余氯。加氯间具体有加氯机房、氯瓶间、控制室等部分组成，需要设置全真空加氯机和漏氯吸收中和装置。同样采取PLC控制技术，对复合环进行自动控制，根据滤池出水流量和余氯检测信号对加氯机运行进行自动调节，以保持最佳的投氯量。

四、结语

综上所述，相比于传统的液氯、臭氧消毒技術，紫外线消毒技术具有多方面的应用优势。通过对其工艺流程和关键技术设备进行研究，可以为水厂引进紫外线消毒技术提供参考。而且这种饮用水处理技术具有较强的杀毒灭菌能力，运行维护成本低，适合大范围推广，促进水厂饮用水处理技术水平的进一步提升。

参考文献：

[1]姚振兴，王明泉，孙韶华.紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用[J].城镇供水，2013（02）：14-17.

[2]张轶群.紫外线消毒技术在饮用水中应用的影响因素[J].城镇供水，2011（04）：35-36+9.