分光化学技术

光化学氧化技术（TechnologyofPhotochemistryOxidation),所谓光化学反应，就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应的活化能来源于光子的能量。在自然环境中有一部分的近紫外光（290400nm）极易被有机污染物吸收，在有活性物质存在时就发生强烈的光化学反应使有机物发生降解。光降解通常是指有机物在光作用下，逐步氧化成低分子中间产物，最终生成CO2、H2O及其它的离子，如NO3-、PO43-、卤素等的过程。分为直接光降解和间接光降解。,光化学氧化,紫外光消毒UV/H2O2氧化,紫外线定义,波长为10400nm的电磁波。紫外线按波长范围分为A、B、C（又称为消毒紫外线）、D（又称真空紫外线）四个波段，A波段320nm400nm，B波段275nm320nm，C波段200nm275nm，真空紫外线10nm200nm。消毒用的是波段紫外线。,紫外光消毒定义,紫外光消毒技术是基于现代防疫学、医学和光动力学的基础，利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的C波段紫外光照射流水，将水中各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，达到消毒目的的技术。目前，世界上已经安装运行的大型污水处理厂紫外光消毒装置有4000多套，其中，最大的是新西兰曼努高污水处理紫外光消毒装置，日处理能力为121万吨。,紫外光消毒原理,光量子理论认为，光是物质运动的一种特殊形式，是一粒粒不连续的粒子流。每一粒波长253.7nm的紫外线光具有4.9eV的能量。DNA和RNA对紫外线中波长为250270nm光波最灵敏，且具有最大的吸收作用。UV对微生物的核酸可以产生光化学危害。自由基状态的活性氧可使微生物体内DNA损伤。,UVC处于微生物吸收峰范围之内，可在1s之内通过破坏微生物的DNA结构杀死病毒和细菌。,环境工程中所说的紫外光消毒实际上就是指UVC消毒。,DNA双螺旋结构,DNA和RNA，对UV中波长为255260nm光波最灵敏，且具有最大的吸收作用，UV穿透微生物的细胞壁，能与核酸及其它重要的细胞成分反应，细胞在DNA链上的相邻的胸腺嘧啶将相互纠缠，新的二聚物会阻碍正确的DNA遗传代码复制及蛋白质的合成，从而使细胞死亡。水分子在UV辐照下，可产生O2、H2O2，以及OH，水中溶解氧在UV作用下也会产生O2。这些自由基状态的活性氧可使微生物体内DNA损伤，受到氧化损伤后的DNA将发出错误信息，造成细胞代谢发生紊乱，或作用于细胞中的蛋白质使其失去活性功能，从而导致细胞死亡。,人工汞（合金）灯光源，根据点亮后的灯管内汞蒸气压的不同和UV输出强度的不同，分为三种：低压低强度汞灯、低压高强度汞灯和中压高强度汞灯。杀菌效果是由微生物所接受的照射剂量决定的。,照射剂量(J/平方米)=照射时间(s)UVC强度(W/平方米),紫外光源,汞灯光源比较,处理同样流量达到相同指标情况下，低压低强灯数量大约10倍于中压灯，低压高强灯数量大约34倍于中压灯,低压低强汞灯系统,照射剂量越大，消毒效率越高。在城市污水消毒中，一般平均照射剂量在300J/平方米以上。杀菌效率要求越高，所需的照射剂量越大。影响微生物接受到足够紫外光照射量的主要因素是透光率（254nm处），当UVC输出强度和照射时间一定时，透光率的变化将造成微生物实际接受剂量的变化。,紫外光源,紫外光消毒优点,（1）杀菌效率高，运行安全可靠，不会对水体和周围环境产生二次污染。（2）较低的紫外线剂量下对隐孢子虫和贾第虫就可以达到较高的灭活效果。（3）不产生有毒有害副产物，不增加饮用水的AOC含量。（4）能降低臭味和降解微量有机物。（5）占地面积小，运行维护简单、费用低。（6）消毒效果受水温、pH值影响小。,（1）颗粒的庇护作用地表水中的微生物，如孢子、大肠杆菌通常被粘附在颗粒表面或被颗粒包覆，故其灭菌效率会受到影响。标准规定过滤处理后再加以紫外消毒。,紫外光消毒技术存在的问题,（2）石英套管的结垢问题石英套管外壁的清洗工作是运行和维修的关键。无机杂质会沉淀、粘附在套管外壁上尤其当污水中有机物含量较高时更容易形成污垢膜，微生物容易生长形成生物膜必须根据不同的水质采用合理的防结垢措施和清洗装置，开发研制具有自动清洗功能的紫外线消毒器。,紫外光消毒技术存在的问题,（3）光复活现象紫外线消毒法不能提供剩余的消毒能力，当处理水离开反应器之后，一些被紫外线杀伤的微生物在光复活机制下会修复损伤的DNA分子，使细菌再生。要进一步研究光复活的原理和条件，确定避免光复活发生的最小紫外线照射强度、时间或剂量。,紫外光消毒技术存在的问题,（4）灯管的使用寿命目前国产紫外灯执行直管型石英紫外线低压汞消毒灯的国家行业标准，灯的最大功率为40W，且有效寿命一般为10003000h，而进口低压灯管的有效运行时间可达800012000h，中压灯管也可达50006000h。相比之下，使用国产灯管会增加维修费用。研制生产寿命长的紫外灯或直接引进国外先进的紫外灯生产技术是目前亟待解决的问题。,紫外光消毒技术存在的问题,紫外消毒与其他消毒技术比较,紫外透光率：可以通过延长接触时间或增加紫外消毒系统中的紫外灯的数目来加以补偿；悬浮固体：悬浮固体浓度不超过20mg/L；粒子尺寸分配率：去除大粒子之后再进行消毒处理；无机化合物：加铝盐降低磷含量并控制气味；复活的影响：增加消毒剂量、控制排放条件、与其他化学药剂联合消毒；微生物的类型和数量：选择合适的UV剂量。,影响紫外光消毒的因素,消毒部分微生物的UV参考量,污水处理厂使用的紫外光消毒系统主要包括：（1）紫外灯及镇流器构成的消毒系统;（2）传感器与PLC构成的实时调节系统;（3）自动清洗系统;（4）供配电系统。敞开式紫外消毒系统和封闭式紫外消毒系统,紫外光消毒系统,设备选择灯管的选择,单支灯管的UVC输出强度越高，所需要的灯管数量越少，运行维护费用越低。高强度汞灯优于低强度汞灯UVC电光转换效率(253.7nm)。（1）灯管消耗的电能转换为光能的效率（2）光能为253.7nm波长(即UVC)部分所占的比例低压高强度汞灯的电光转换效率高于中压高强汞灯,设备选择传感器及实时调节系统的选择,污水处理厂水量、水质波动较大，进行UVC输出强度的实时调节对节约电耗和延长灯管寿命意义重大。灯管的可变输出和传感器的真实反馈来实现。传感器的位置和波长的选择性极为重要。能真实反应微生物实际接受的UVC照射强度的传感器应是放置在水中（与微生物处于同一位置），并且只监测253.7nm波长强度。,设备选择自动清洗系统的选择,污水处理人工清洗、自动机械清洗和自动化学清洗三种。自动清洗系统的选择与所使用的灯管有关。对于中压高强度灯管，温度在600850之间，结垢严重，必须采用机械、化学清洗。对于低压高强度灯管，温度低于110，结垢量和速度都远远低于中压高强灯管，在12次/h的清洗频率内，不会形成结垢。,敞开式紫外消毒系统,原理及问题：将紫外灯置入水中，水从石英套管的周围流过，紫外辐射能的利用率高，灭菌效果好。当灯管(组)需要更换时，使用提升设备将其抬高至工作面进行操作，比较复杂。注意事项：系统运行的关键在于维持恒定的水位，若水位太高则灯管顶部的部分进水得不到足够的辐射，可能造成出水中的微生物指标过高；若水位太低则上排灯管暴露于大气之中，会引起灯管过热并在石英套管上生成污垢膜而抑制紫外线的辐射。可采用自动水位控制器(滑动闸门)来控制水位。在自动化程度要求不高的系统中，也可以采用固定的溢流堰来控制水位。适用于中、大水量处理，多用于污水处理厂,一种敞开式消毒器构造图,中压汞灯消毒系统,封闭式紫外消毒系统,封闭式UV消毒器属承压型，用金属筒体和带石英套管的紫外灯把被消毒的水封闭起来。筒体常用不锈钢或铝合金制造，内壁多作抛光处理以提高对紫外线的反射能力和增强辐射强度，还可根据处理水量的大小调整紫外灯的数量。有的消毒器在筒体内壁加装了螺旋形叶片以改变水流的运动状态而避免出现死水和管道堵塞，所产生的紊流以及叶片锋利的边缘会打碎悬浮固体，使附着的微生物完全暴露于紫外线的辐射中，提高了消毒效率。适用于中、小水量处理,UV/H2O2反应机理,1.H2O2+h2OH（300nm）2.OH对有机物的氧化作用（夺氢、加成、电子转移）,UV/H2O2氧化,UV/H2O2系统的应用,1.目标物：二氯乙烯（TCE),四氯乙烯（PCE），三氯甲烷，多种醛类，卤代脂肪烃，硝基苯，苯，苯酚等等2.去除蒸馏水和自来水中天然存在的有机物3.处理重度污染工业废水4.降解制革废水及其中溶解的角蛋白5.处理漂白纸浆及石油炼制的废水；6.处理纺织业废水,UV/H2O2系统的工业应用,CalgonUV/H2O2系统是美国应用光化学过程的一个典型商业装置，该系统由一些可提的、装在滑动底板上的操作单元组成：一个氧化单元、一个H2O2供应模块、一个酸供应模块、一个碱供应单元。,图CalgonUV/H2O2系统流程图1-硫酸；2-H2O2分流器；3-氢氧化钠；4-UV灯；5-反应器；6-氧化单元；7-静态混合器,UV/H2O2法能将污染物彻底的无害化；这一系统不仅能处理多种污染物，且较为经济；这一系统还有可移动性及在短时间内即可装配用于不同地点废水处理的优点。,CalgonUV/H2O2系统的优点,UV/H2O2系统的缺点,某些无机化合物，如Ca和Fe盐可能在过程中沉淀下来，阻塞光管，降低UV光的穿透率。因此，必须对污染水体进行预处理；悬浮污泥和一些有色的无机、有机污染物对于UV/H2O2系统有负面影响，在去除悬浮固体及混浊物时先采取过滤及澄清的预处理可以提高效率。在处理含有干扰性的有机或无机物的废水时，为了能够有效处理，需将UV/H2O2系统与其他操作联合使用；,UV/H2O2系统的缺点,控制pH值对于防止氧化过程的金属盐沉淀及避免沉淀物所造成的效