适用于电厂再生水处理的中压紫外线杀菌技术研究*

2024-01-07葛银海刘贵喜杨志杰

化学工程师 2023年12期

葛银海，刘贵喜，杨志杰，袁弘，宋茹

（1.内蒙古京能盛乐热电有限公司，内蒙古呼和浩特 011517；2.北京紫宣工程设计有限公司，北京 100000）

中国的煤炭资源储量十分丰富，同时我国的煤炭消费需求也较大，大部分的电力资源和供热所需的能源都来自于煤炭[1-3]，其中火力发电仍是我国主要的发电方式，火力发电不仅需要大量的煤炭资源，同时也需要消耗大量的水资源用于热力循环和锅炉冷却等[4，5]。我国大部分的火电厂已广泛应用再生水（中水）作为电厂的生产水源，长期以来，电厂行业普遍都采用传统的化学药剂对水源进行杀菌处理，以此减少微生物对水处理设施的污染，但由于化学杀菌剂的大量使用不可避免的会造成二次污染，并且随着环保制度越来越健全，化学杀菌技术的应用受到越来越多的限制[6-9]。因此，需要研究更加高效、节能环保的物理杀菌技术，以满足电厂再生水杀菌处理的需求。

中压紫外线杀菌技术是一种新型的物理杀菌技术，其作用原理是利用适当波长的紫外线破坏细菌等微生物机体细胞中的DNA 或RNA，使菌体蛋白发生光解、变性，从而达到杀灭细菌等微生物的效果[10-12]。中压紫外线比低压紫外线具有更加优良的杀菌效果（微生物灭活后无法复活），并且中压紫外线杀菌技术所需要的设备也比较小，近年来，已逐步开始推广到食品饮料、水产养殖以及电厂水源处理等方面。在电厂水处理领域，中压紫外线杀菌技术代替传统的化学杀菌技术已是未来发展的趋势，其高效、环保节能的物理杀菌方式不仅能够全面杀灭水中的微生物，并且不会对后续水处理设备造成不良的影响[13-15]。因此，本文以某电厂再生水为研究对象，开展了中压紫外线杀菌技术研究，考察了紫外剂量、进水流量以及处理时间对杀菌效果的影响，对比评价了中压紫外线杀菌技术与常规化学杀菌技术的处理效果，并对其经济效益、社会效益和安全效益进行了评估。

1 实验部分

1.1 主要材料及装置

实验用水为目标电厂再生水（具体水质指标见表1）；NaClO、非氧化型杀菌剂S1、S2、S3，均为工业级，山东昊锐化工有限公司。

表1 实验用水水质参数Tab.1 Experimental water quality parameters

QSR 型全反射中压紫外线杀菌装置（主要包括4.2kW 高强度中压紫外灯、智能数控系统、石英套管、过滤器以及各种密封件和电子元器件等，厂家定制）；JC-1000A 型生化恒温恒湿培养箱（青岛精诚仪器仪表有限公司）。

1.2 实验方法

水样中菌落总数的测定方法参照国家标准GB/T 5750.12-2006《生活饮用水标准检验方法微生物指标》中的相关规定进行，主要测定中压紫外线杀菌装置进水口和出水口的菌落总数，并按式（1）计算杀菌率η。

式中 η：杀菌率，%；S1：中压紫外线杀菌装置进水口的菌落总数，CFU·mL-1；S2：中压紫外线杀菌装置出水口的菌落总数，CFU·mL-1。

2 结果与讨论

2.1 紫外剂量的影响

选择再生水进水流量为250m3·h-1，控制紫外灯的强度来调节不同紫外剂量，考察不同紫外剂量对再生水杀菌效果的影响，实验结果见图1。

图1 紫外剂量对杀菌率的影响Fig.1 Effect of ultraviolet dose on sterilization rate

由图1 可见，随着紫外剂量的不断增大，中压紫外线杀菌装置对再生水的杀菌率呈现出逐渐增大的趋势，紫外剂量为10mJ·cm-2时，杀菌率可达95%以上，紫外剂量继续增大至50mJ·cm-2时，杀菌率可达到100%。这是由于紫外剂量越大，紫外线对再生水中的细菌等微生物的作用强度就越大，能够彻底破坏微生物机体细胞中的DNA 或RNA，导致DNA 变性，从而细菌菌体的氨基酸、核酸、酶遭到破坏至死亡。因此，建议在目标电厂再生水系统采用中压紫外线杀菌处理技术时，选择紫外剂量为50mJ·cm-2。

2.2 进水流量的影响

选择紫外剂量均为50mJ·cm-2，控制进水阀门调节进水流量，考察不同进水流量对再生水杀菌效果的影响，实验结果见图2。

图2 再生水进水流量对杀菌率的影响Fig.2 Effect of regenerated water influent flow rate on sterilization rate

由图2 可见，当再生水系统的进水流量为150~400m3·h-1时，进水流量的增大对杀菌率没有影响，杀菌率均可达到100%，而当再生水的进水流量大于400m3·h-1时，随着再生水流量的增大，杀菌率则有所降低。但当进水流量为600m3·h-1时，杀菌率仍能达到99.6%，这说明在紫外剂量为50mJ·cm-2、进水流量控制在150~600m3·h-1时，中压紫外线杀菌技术均能达到良好的杀菌效果。另外，由于目标电厂再生水系统设计的进水流量为350m3·h-1，因此，选择紫外剂量为50mJ·cm-2时杀菌率能够达到100%，可以满足电厂再生水处理的要求。

2.3 长时间处理效果评价

选择再生水进水流量为350m3·h-1，紫外剂量为50mJ·cm-2，考察中压紫外线杀菌装置长时间运行对再生水杀菌处理效果的影响，实验结果见图3。

图3 长时间处理对杀菌率的影响Fig.3 Effect of long-term treatment on sterilization rate

由图3 可见，当处理时间为30~120d 时，中压紫外线杀菌装置对再生水的杀菌率均能达到100%，具有良好的杀菌处理效果。而当处理时间大于120d时，随着处理时间的不断延长，中压紫外线杀菌装置对再生水的杀菌率则呈现出逐渐降低的趋势，但降低的幅度比较小。当处理时间为180d 时，杀菌率仍能达到99.8%，杀菌效果较好。因此，选择中压紫外线杀菌技术对目标电厂再生水进行处理不仅能够起到良好的杀菌处理效果，还能满足设备长时间运行的需求。

2.4 与常规杀菌剂处理效果的对比

选择再生水进水流量为250m3·h-1，紫外剂量为50mJ·cm-2，对比中压紫外线杀菌处理效果与其他常规杀菌剂的处理效果，实验结果见图4。

图4 不同类型杀菌剂处理效果的对比Fig.4 Comparison of treatment effects of different types of fungicides

由图4 可见，随着处理时间的不断延长，中压紫外线杀菌处理技术对目标电厂再生水的杀菌率基本保持不变，而采用其他常规杀菌剂进行处理时，杀菌率则随着处理时间的延长而不断降低，并且降低的幅度较大。当处理时间达到180d 时，中压紫外线杀菌技术的杀菌率仍能达到99.8%，而NaClO、杀菌剂S1、S2 和S3 的杀菌率则分别降低至89.1%、94.3%、95.4%和93.2%，杀菌效果明显减弱。因此，中压紫外线杀菌技术的杀菌处理效果更加高效和持久，能够代替现有的NaClO、非氧化杀菌剂等传统加药方式，满足电厂再生水系统高效长期杀菌的需求。

2.5 经济效益评估

表2 为目标电厂再生水处理系统采用中压紫外线杀菌处理技术所产生的经济效益评估结果。

表2 中压紫外线杀菌处理技术应用经济效益评估结果Tab.2 Evaluation results of economic benefits of the application of medium pressure ultraviolet sterilization treatment technology

中压紫外线杀菌技术通过环保的物理杀菌方式替代目前采用的NaClO 和非氧化性杀菌剂的化学杀菌技术，能够节约药品使用量、保安过滤器滤芯更换量、设备由药剂腐蚀修复所带来的成本等，产生较好的经济效益。

由表2 可见，目标电厂再生水处理系统前期采用NaClO 和非氧化杀菌剂的化学杀菌处理技术，每年需要使用大量的化学药剂，并且由于使用化学药剂会对滤膜、滤芯产生污染，同时会对设备产生一定的腐蚀，设备维护和维修的成本也比较高。而采用中压紫外线杀菌处理技术后能够大大减少化学药剂的使用量，并且滤膜和滤芯更换清洗的数量和次数也大大减少，每年能够累计节约94.22 万元，具有良好的经济效益。

2.6 社会效益评估

常规化学杀菌技术所使用的杀菌剂NaClO 和NaHSO3均为危险化学品，NaClO 具有强氧化性和强腐蚀性，长期接触对人体的危害较大，NaClO 与可燃性、还原性物质反应很剧烈，加热时，可能导致容器爆炸。另外，NaClO 对水生生物的毒性极大，且具有长期持续影响。NaHSO3具有强还原性，受高热分解放出有毒的气体，具有腐蚀性，对皮肤、眼、呼吸道具有刺激性，可引起过敏反应，并且NaHSO3对环境有危害，对水体也可造成污染。通过减少NaClO 和NaHSO3的用量，降低危险化学品在生产和运输过程的泄漏率以及在厂内发生NaClO 和NaHSO3的泄漏率，可提高电厂的安全管理水平。本研究通过中压紫外线杀菌装置（物理杀菌技术）来代替危险化学品杀菌，具有积极的社会效益。

2.7 安全效益评估

中压紫外线杀菌技术的使用，能够减少NaClO和非氧化杀菌剂的使用量，减少厌氧型微生物的滋生，降低工业水管道中的NaClO 对金属管道、阀门、垫片的腐蚀速率，延长地下工业水管网的使用寿命，减少地下工业水管网的泄漏率，提高工业水供水的可靠性，保障使用工业水进行冷却的主机循环水泵、热网循环水泵、浆液循环泵、引风机油站运行可靠性。降低了反渗透处理装置微生物污染堵塞的可能性，提高再生水、水处理设备的安全性，减少后续水处理超滤反渗透化学清洗的频次，并节约设备维护费用和降低运行加药操作次数，减少运行人员劳动强度。提高了再生水处理的可靠性，增强了水处理除盐水制水能力，为下一步电厂大规模工业供汽提供安全可靠的保障，具有良好的安全效益。