紫外线消毒系统的设计.pdf

紫紫紫 外外外 线线线 销销销 毒毒毒 系系系 统统统 的的的 设设设 讣讣讣 张辰l张欣l吕东明2肖卫星3 （l 上海市政工程设计研究院， 上海200092； 2 加拿大 Tro an 公司， 多伦多N5V4T7； 3 深圳海！实业股份有限公司， 深圳5l8040） 摘要介绍了紫外线消毒技术的发展， 消毒设备的类型及持点。着重对明渠式紫外线消毒系统 的灯管排布形式、 灯管类型及其运行维护进行了系统介绍， 并对紫外污水消毒的应用前景作了简单 的预测分析。 关键词紫外线消毒类型灯管结垢清洗 !紫外线消毒型式的发展 20 世纪 80 年代初， 紫外线污水消毒技术在美 国环保局 （EPA） 的创新和取代技术资金项目支持 下， 在美国的城市污水处理中开始得到应用。但早 期的紫外线消毒系统全为封闭管道式 （见图 l） ， 污 水容易污染设备， 维护麻烦， 灯管清洗更换时需要停 机， 故需要备用设备， 还需要泵、 管道、 阀门等配套设 备， 成本很高， 不适合大规模应用， 使得紫外线消毒 技术在城市污水处理中难以有效推广。 图 l 封闭管道式紫外线消毒系统 l982 年加拿大特洁安 （Tro an） 技术公司开发了 世界上第一套明渠式安装的紫外线消 毒 系 统 UV2000， 并引进了模块化紫外线消毒系统概念， 即 系统可由若干独立的紫外灯模块组成 （见图 2） ， 且 水流靠重力流动， 不需要泵、 管道以及阀门等配套设 备。系统维护可对单个模块进行， 紫外灯模块可轻 易地从明渠中直接取出进行维护， 维护时系统无需 停机， 因而无需备用设备， 从而使得系统维护简单方 图 2 明渠式模块化紫外线消毒系统 便， 大大降低了紫外污水消毒的成本。同时， 当污水 处理厂在扩建或改造时， 只需适当增加紫外灯模块 的数量， 而无需添购整套系统。 目前在世界各地已经有 3 000 多家城市污水处 理厂安装使用了紫外线污水消毒系统， 在北美地区 经过 20 多年的发展， 已成为成熟、 可靠、 实用的污水 消毒技术。 “紫外线消毒装置的发展 （l） 紫外线灯管。早期是适用于小规模污水消 毒处理的常规低压紫外灯； 20 世纪 90 年代中期出 现了所有灯管类型中紫外线发射能量最强的中压紫 外灯， 使大规模污水处理应用紫外设备成为可能； 90 年代末又出现了低压高强紫外灯， 可作为常规低压 紫外灯和中压灯消毒技术应用的过渡或备选， 为污 水处理厂提供适合各种情况的最佳消毒方案。低压 灯管使用寿命也从早期的 l 000 3 000 h 提高到 8 000 l2 000 h 左右。 （2） 清洗方式。接触式消毒装置无法避免灯管 的结垢， 需频繁的清洗。最早采用人工清洗液化学 给水排水Vol.30No.3200425 清洗的方式， 工人劳动强度非常大； 随后发明了机械 清洗方式， 减轻了清洗工作量， 90 年代中期发明的 高效机械化学式灯管自动清洗装置， 完全取代了人 工清洗液化学清洗方式， 大大降低了消毒系统的维 护需求和劳动强度。 !明渠式紫外线消毒系统的型式 目前全球安装使用的紫外线污水消毒系统 95%以上采用 20 世纪 80 年代发明的明渠式紫外线 消毒系统， 该系统将若干独立的紫外灯模块安装在 开放的明渠中， 水流靠重力流经消毒装置， 在明渠可 直接插入或取出紫外灯模块进行维护检修。 3.1灯管排布形式 紫外消毒器中灯管的排布可分为顺流式和横流 式。顺流式指的是灯管彼此平行且与水流方向平 行， 而横流式排布灯管彼此平行但与水流方向垂直。 90%的城市污水紫外线消毒系统采用顺流式， 这主 要是由于横流式不利于流体形成理想的均匀流动， 紫外能量浪费较大， 在灯管和渠壁或水面间容易形 成消毒短流区， 使通过的微生物得不到足够的紫外 照射剂量而影响消毒效果。简单来说， 如果短流区 的容积占总消毒容积的 1%， 那么该消毒系统所能 达到的最好消毒效果为 99%， 二级生化处理的出水 中大肠菌群含量一般在 106 107个/ L， 要达到 104 个/ L 的国家标准就会有困难。 3.2紫外灯管的类型 目前污水紫外线消毒系统中常用的紫外灯管 有： 低压灯 （LP） 、 低压高输出灯 （LPHO，又称作低 压高强灯） 和中压灯 （MP） 。这些灯管的主要性能参 数及适用范围见表 1。 表 “ 鲁种紫外灯性能参数及适用范围 项目低压灯低压高输出灯中压灯 输出波长/ nm253.7， 单波 253.7， 单波230300， 多频谱 单灯紫外输出/ W30 60 90 100420 25 000 光电转换效率/ %30 40 30 4015 灯管运行温度/ C40 100600 850 灯管保证寿命/ h8 000 12 0008 000 12 000 5 000 灯管老化系数/ %50 80 50 8050 80 适用范围 小型污水处理厂常 规处理污水和再生 水消毒， 处理流量 一般5万 m3 /d以下 中型污水处理 厂常规处理污 水和再生水消 毒 大型污水处理厂 常规处理污水、 再 生水消毒或低质 污水消毒 中压灯是所有紫外灯中单根灯管紫外能输出最 高的， 因此可以用很少的灯管数量达到消毒效果， 占 地最少， 可以大大减少设备与征地、 土建等投资， 具 有规模效益， 比较适合于大型城市污水处理厂的消 毒处理， 特别是用地紧张的污水处理厂。另外由于 中压灯光强最强， 穿透力高， 所以比较适合低质污水 的消毒处理。当然， 中压灯的光电转换效率较低， 电 耗较高， 但由于灯管数目很少， 灯管更换费用较低。 一个设计优良的紫外线消毒系统的运行维护费用主 要是电费和灯管更换费用。灯管数量减少， 可减少 与灯管数量相关部件的更换数量和费用。 表 1 中各类灯管的适用范围只具有参考意义， 污水处理厂应结合实际和特殊情况对不同灯管类 型的紫外线消毒系统进行全面详细的可行性和技 术经济比较， 选用适合的方案。在方案比较时， 还 应全面考虑占地、 土建、 辅助设备设施以及其他相 关因素。 3.3镇流器 早期的紫外线消毒系统使用电磁式镇流器。20 世纪 90 年代初电子镇流器首先应用在低压灯紫外 消毒系统， 90 年代中叶又解决了用电子镇流器控制 中压灯管的难题， 现在各类污水紫外线消毒系统使 用的镇流器基本都是电子镇流器。 镇流器的布置一般分为两大类， 一类是将镇流 器密封后和紫外灯模块一体化， 另一类是镇流器与 紫外灯模块或灯组分离， 放在明渠外， 离灯管有一 定的距离。后者需要空气排风冷却镇流器等电控 元件， 从而会导致空气中的灰尘、 水汽和污染物侵 蚀， 降低镇流器等敏感电控元件寿命， 带来额外的 系统维护， 增加与更换镇流器有关的设备运行费 用， 而且需要单独的房屋和空调来安放镇流器等电 控部件。镇流器远离紫外灯管会增加镇流器到灯 管间电压降， 因此降低灯管的输入功率和灯管的紫 外能输出， 从而降低紫外线消毒系统效率并影响消 毒效果。 3.4石英套管的清洗方式 清洗方式可分为两大类： 人工清洗和自动清洗。 人工清洗就是将灯管从明渠中取出， 用清洗液 喷淋到套管上， 然后用棉布擦拭清洁； 或将几个紫外 灯模块放到移动式清洗罐中用清洗液同时搅拌清 26给水排水Vol.30No.32004 洗， 清洗罐中带有曝气搅拌装置； 当灯管数量较多 时， 也可一次将整个灯组 （由若干个模块组成） 从明 渠中起吊出来放入固定的清洗池内用清洗液清洗， 池中带有曝气搅拌装置。从劳动强度和经济性上分 析， 人工清洗比较适合小型或中型污水处理厂。 自动清洗还可分为纯机械式自动清洗和机械加 化学式自动清洗， 纯机械式自动清洗系统实际上是 用铁氟龙环来回刮擦套管表面； 而机械加化学式自 动清洗系统则是在清洗头内装有清洗液， 在清洗头 机械刮擦套管表面的同时通过清洗头内的清洗液去 掉难以通过刮擦有效去除的污垢。 纯机械式自动清洗系统需要频繁 （10 30 min 一次） 的来回刮擦以减缓套管表面污垢的积累， 清洗 头磨损快， 寿命短， 一般半年到一年就需要更换， 维 护要求劳动强度和清洗成本较高； 机械加化学式自 动清洗一般一天清洗一次， 清洗头寿命在 5 年左右， 清洗效果较好。 机械加化学式自动清洗装置发明于 90 年代中 叶， 并应用到污水紫外线消毒中， 清洗效果好。常用 磷酸作清洗液， 会进入污水处理系统， 但由于其用量 极少， 不会造成二次污染。机械加化学式自动清洗 在排放标准严格的北美地区的污水再生利用消毒处 理中广泛使用， 未产生不良影响。当然也可使用食 品等级的清洗剂以适应更高的需求。 !应用前景 加氯消毒是城市污水消毒处理中使用最为普遍 的方法， 但随着氯消毒的大规模使用， 人们对该方法 的认识和了解也不断加深， 对其使用中产生的间题 也越来越关注。这主要是余氯对受纳水体中的鱼类 有害， 在处理过程中会产生三致副产物。在氯消毒 已知的 500 多种消毒副产物中， 只有为数很少的被 研究并证实对人类健康有影响， 尚有 500 多种消毒 副产物有待查明身份， 而且更令人担心的是使用中 缺乏对这些副产物的风险分析和管理计划。正是由 于对这些间题的担心， 世界各国和地区对氯消毒的 使用制定了各种法律规定， 限制或控制使用。例如： 荷兰、 德国、 加拿大魁北克等地已禁止使用氯消毒； 欧美等地有脱氯要求； 美国加利福尼亚、 佛罗里达等 州根据污水处理厂具体情况要求零余氯排放； 除此 之外， 污水处理厂必须实施严格的安全生产条例和 措施， 有关部门对加氯消毒的通风和安全生产设施 严格控制， 必须有完善的氯泄漏收集措施； 在国外还 有风险管理计划， 包括污水处理厂附近居民的撤离 计划； 而公民知情权法则要求污水处理厂应将氯消 毒的使用及情况通报给附近居民等等。这些法律、 规定和法规大大增加了氯消毒成本， 也使得氯消毒 越来越不受欢迎。另外氯作为危险化学药品， 有关 部门对其运输和储存的安全间题和审批控制非常严 格， 我国的一些污水处理厂在建成加氯接触池后常 常因此而无法正常运行使用， 现在越来越多的城市 污水处理厂已开始考虑使用紫外线消毒技术替代氯 消毒。 紫外线消毒技术作为物理消毒方式， 无二次污 染； 运行维护安全、 简便； 消毒时间短 （一般 1 10 S） ， 无需接触池， 占地小， 结构简单， 设备安装快， 在 各种消毒方法中对微生物最具广谱性， 消毒效果不 受水体p 和温度影响。图 3 为各种消毒方法在城 市污水处理中的应用程度， 可以看出紫外线消毒技 术正得到越来越多的应用。 图 3 各种消毒方法在城市污水处理中的应用份额 “结语 由于氯消毒技术的负面影响逐步显现， 选择绿 色的消毒技术越来越受到大众的关注。紫外线消毒 技术在国内的应用刚刚起步， 在设计紫外线消毒系 统时， 必须结合当地的各种条件， 选择合适的紫外线 消毒系统。不同类型的灯管、 镇流器和清洗方式直 接影响工程投资、 运行费用和处理效果。通过进行 广泛的技术经济比较确定合适的工艺方案， 是取得 最佳消毒效果的必要条件。 !电话： （021） 65026848 收稿日期： 2003-6-13 给水排水Vol.30No.3200427 紫外线消毒系统的设计紫外线消毒系统的设计 作者：张辰， 张欣， 吕东明， 肖卫星 作者单位：张辰,张欣(上海市政工程设计研究院,上海,200092)， 吕东明(加拿大Trojan公司,多伦多 ,N5V4T7)， 肖卫星(深圳海川实业股份有限公司,深圳,518040) 刊名： 给水排水 英文刊名：WATER & WASTEWATER ENGINEERING 年，卷(期)：2004,30(3) 被引用次数：8次 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条) 1. 张永吉.刘文君.ZHANG Yong-ji.LIU Wen-jun 紫外线消毒对光复活时大肠杆菌活性的影响期刊论文-中国给水排 水2006,22(17) 2. 李绍秀.彭勃.LI 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