污水處理紫外線消毒的影響因素

張克峰，潘春雨，徐 展，王洪波

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 山東濟南 250101)

消毒工藝是污水處理最后把關(guān)的一個單元，是必不可少的工藝。目前我國大部分污水處理廠消毒工藝主要采用加氯消毒的方式，但是氯氣具有毒性，另外加氯消毒容易生成對人畜、魚類均有毒害的消毒副產(chǎn)物[1]。因此有必要為城市污水消毒尋求一種新的安全可靠且經(jīng)濟有效的方法。紫外線消毒技術(shù)是一種物理消毒方式，不會產(chǎn)生二次污染；殺菌效果好、操作維護方便簡單；消毒效果不受水體 pH 和溫度的影響[2-4]。城市污水經(jīng)二級生物處理后，水質(zhì)雖有較大改善，但細菌的絕對數(shù)量仍然較高，并有存在病原菌的可能，潛在的健康危害較大[5]。開展污水處理中紫外線消毒影響因素的試驗研究，可以豐富紫外線消毒技術(shù)的研究，并進一步支撐及拓展其在污水處理中的應(yīng)用，有利于保障紫外線消毒的安全性。研究發(fā)現(xiàn)[6]紫外線劑量、配水水質(zhì)及微生物等因素對紫外線消毒有一定的影響，紫外線劑量對紫外線消毒的影響較大。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的要求，糞大腸桿菌指標控制在1 000 CFU/L以內(nèi)，才可排入受納水體。因此，試驗以糞大腸桿菌為受試菌種，以山東建筑大學(xué)中水站砂濾池的出水為研究對象，研究了紫外線劑量、紫外線穿透率、濁度以及糞大腸桿菌的初始濃度對紫外線消毒的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原水

試驗研究的原水采集自山東建筑大學(xué)中水站。該中水站污水處理采用的核心工藝流程為“曝氣調(diào)節(jié)→水解酸化→生物氧化→沉淀→生物曝氣→砂濾→ClO2消毒”。將消毒前的砂濾池出水作為試驗原水，檢測后的原水水質(zhì)指標如表1所示。

表1 試驗原水水質(zhì)指標

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。原水箱、變頻驅(qū)動的潛水泵、電磁流量計和圓柱形消毒容器這四個主要部分構(gòu)成了大部分試驗裝置。原水箱和消毒容器柱體的底部用有機玻璃制成；消毒容器的上蓋可拆卸，使用了PUC材料，圓柱內(nèi)徑為6 cm，高為50 cm，紫外線燈管放置到圓柱中心的位置。試驗原水由原水箱從由潛水泵進入圓柱形消毒容器中，中間安裝一個流量計，可以控制水流速度，水流方向為向上流，圓柱體每隔一定距離設(shè)一個取樣口，紫外線的照射時間由流量控制。紫外燈管選用飛利浦單端四針直管，型號為TUV364P-SET5。紫外燈的初始紫外光強度由紫外燈本身的特性決定。經(jīng)計算，試驗過程中的紫外線光強度為9.48 mW/cm2。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experiment Device

1.3 檢測指標及方法

試驗中，主要的檢測指標、檢測方法和儀器等如表2所示。

常規(guī)水質(zhì)指標：濁度、COD、pH、水溫等；微生物指標：糞大腸桿菌群數(shù)。

表2 檢測指標、方法和儀器

1.4 消毒效果評價

紫外線的消毒效果用糞大腸桿菌的滅活率來評價，如式(1)。

滅活率=(N0-N)/N0×100%

(1)

其中：N0—紫外線消毒前水樣中糞大腸桿菌群個數(shù)；

N—紫外線消毒后水樣中剩余糞大腸桿菌群個數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外線劑量對消毒效果的影響

與化學(xué)劑消毒不同，紫外線的滅菌過程是一個光化學(xué)反應(yīng)，通過對微生物的照射，誘導(dǎo)微生物體內(nèi)DNA雙鏈結(jié)構(gòu)中一條鏈上相鄰的兩個胸腺嘧啶(T)相互糾纏，成為一個新的二聚體，致使DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)被破壞，RNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄也就無法正常進行，微生物的生存與繁殖所需要的蛋白質(zhì)也無法被合成，最終微生物失去細胞功能而衰退或死亡，從而達到消毒殺菌的效果。因此，微生物能否被滅活取決于是否有充足的紫外光能被微生物吸收[7]。然而紫外線照射并不是時間越長、強度越大效果越好，當紫外線劑量超過一定值后將不會有明顯數(shù)量的微生物被滅活，再繼續(xù)增加照射劑量，只會增加不必要的成本，因此有必要為特定的微生物群體找到一個合理的紫外線照射劑量值。

紫外線劑量是光強與照射時間的乘積[8]。試驗過程中，紫外線光強度為9.48 mW/cm2，選取一定范圍內(nèi)不同的照射時間，通過糞大腸桿菌滅活率的變化來研究紫外線劑量對消毒效果的影響。紫外線照射時間對滅活糞大腸桿菌效果的影響如圖2所示。

圖2 紫外線照射時間對消毒效果的影響Fig.2 Effect of UV Irradiation Time on Disinfection

由圖2可知，在特定光強下，紫外線照射時間逐漸增加，糞大腸桿菌的滅活率先迅速升高后逐漸持平。當照射時間小于5 s時，糞大腸桿菌的滅活率就已經(jīng)達到95 %以上，說明紫外線消毒對糞大腸桿菌的滅活作用較高。不過由于照射時間較短，污水容易撞在邊壁造成短流，致使一部分糞大腸桿菌無法被紫外線充分均勻地照射而被滅活，不能保證消毒效果。隨著照射時間升高到10 s，紫外線對糞大腸桿菌的滅活率上升趨勢明顯，變化幅度較大，說明在這個范圍內(nèi)，紫外線照射對糞大腸桿菌的去除影響比較大，隨著照射時間的增加，糞大腸桿菌的滅活率相應(yīng)升高。當照射時間超過10 s時，糞大腸桿菌的滅活率變化趨勢逐漸平緩并接近100 %。照射時間達到35 s時，這時的紫外線劑量高達248.39 mJ/cm2，水中糞大腸桿菌的剩余菌數(shù)已經(jīng)很少了，滅活率為99.999 %，但水體中還是有極少部分的糞大腸桿菌能被檢測到，并沒有被徹底殺滅。這可能是由于照射時間太長，紫外線照射不均勻或者少部分糞大腸桿菌被水中雜質(zhì)顆粒遮擋沒有受到足夠的照射，導(dǎo)致沒有被紫外線所殺滅。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，照射時間為10 s時，水中糞大腸桿菌群的滅活率達到了99.98 %，剩余菌數(shù)為395 CFU/L，少于1 000 CFU/L，達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準[9]。那么可以認為，10 s的照射時間是一個可以保證消毒效果，且經(jīng)濟有效的紫外線照射劑量值。

2.2 紫外線穿透率對消毒效果的影響

紫外線穿透率一般是指紫外線照射水樣介質(zhì)后，出射紫外線強度與入射紫外線強度的比值[10]。它反映了紫外光在液體中的浸透深度。水層厚度的增加會導(dǎo)致紫外線穿透率的降低，而水中某些可溶性化學(xué)物質(zhì)也會吸收紫外光，使穿透率降低。理論上分析，紫外線穿透率若降低，那么紫外光能夠照射到微生物的幾率就越少，微生物被滅活所需要的紫外線劑量就越多，會增加一些不必要的成本。因此，需要研究穿透率與消毒效果的關(guān)系，并尋找一個合理的穿透率。

試驗期間，紫外線照射時間為10 s。不同紫外線穿透率下糞大腸桿菌的滅活情況如圖3所示。

圖3 紫外線穿透率對消毒效果的影響Fig.3 Effect of UV Transmittance on Disinfection

由圖3可知，糞大腸桿菌的滅活率隨著紫外線穿透率的升高，總體呈上升趨勢，說明紫外線穿透率對糞大腸桿菌的滅活是有一定影響的，提高紫外線穿透率對紫外線的消毒效果有增強作用。由紫外線穿透率與糞大腸桿菌的滅活率關(guān)系曲線中可知：紫外線穿透率在62 %以下時，曲線較平緩，糞大腸桿菌的滅活率變化較?。淮┩嘎试?2 %～77 %時，糞大腸桿菌的滅活率上升速度較快，變化幅度較大；穿透率提高到77%以上時，曲線升高幅度漸趨平緩，且滅活率已經(jīng)高于99.4 %，剩余菌數(shù)低于1 000 CFU/L。這說明紫外線穿透率在62 %～77 %時，對糞大腸桿菌的滅活作用較明顯，影響較大，并在77 %之后影響逐漸減弱。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，在今后的污水廠實際消毒工藝中，污水的紫外線穿透率盡量控制在77 %以上，可以保持一個較好的消毒效果。提高紫外線的穿透率還可以相應(yīng)地降低紫外線照射劑量，降低成本。

2.3 污水的濁度對消毒效果的影響

水中有很多雜質(zhì)成分，當污水受到紫外線照射時，其中有些物質(zhì)會把紫外光吸收或者反射出去，那么能受到紫外光照射的細菌就減少了[11-13]。不僅如此，水中的這些物質(zhì)也會起到對細菌的保護作用，細菌可以依靠甚至進入這些懸浮固體，躲避紫外線的輻射，因此很難被殺滅。

經(jīng)檢測，試驗原水的濁度在3.9～11.0 NTU。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于原水濁度范圍內(nèi)剩余菌數(shù)變化趨勢不明顯，因此需要擴大濁度范圍，進而考察濁度對紫外線消毒效果的影響。通過投加一定量的無菌硅藻土來配置不同濁度的試驗水樣。試驗期間，紫外線照射時間為10 s。不同濁度時糞大腸桿菌群滅活情況如圖4所示。

圖4 濁度對消毒效果的影響Fig.4 Effect of Turbidity on Disinfection

由圖4可知：在試驗濁度范圍內(nèi)，糞大腸桿菌群的滅活率都在99.7 %以上，隨著濁度的增加，滅活率逐漸降低。濁度從最初的3.93 NTU升高到91.2 NTU，糞大腸桿菌群的滅活率也從99.94 %降到了99.73 %，降幅并不大，且總體對糞大腸桿菌的滅活率都較高。可見，污水的濁度對紫外線消毒效果有一定的影響，但是影響并不大?？赡苁怯捎谠囼炦x取的照射時間較長，糞大腸菌的滅活率太高，沒有反映出濁度對消毒效果的影響。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)充分發(fā)揮沉淀、過濾等設(shè)施的效用，盡量降低出水濁度，以提高紫外線消毒的效果。當濁度升到14 NTU以上時，滅活率降到99.9 %以下，因此實際工程中的濁度可以控制在14 NTU以內(nèi)。

2.4 污水中糞大腸桿菌的初始濃度對消毒效果的影響

微生物初始濃度是影響紫外線消毒效果的因素之一，除了水中懸浮固體等物質(zhì)，微生物自身也會引起水樣吸光度和濁度的變化。因此，水樣中微生物的初始濃度不同，對消毒效果也會有一定的影響。研究認為，較高的微生物量必然要求更高的紫外線劑量[14]。

試驗以糞大腸桿菌為研究對象，以糞大腸桿菌的初始濃度為變量，研究糞大腸桿菌初始濃度的改變在不同紫外線照射時間的情況下對紫外線消毒效果的影響。試驗設(shè)定紫外線照射時間分別為4.5、7.2、10 s，結(jié)果如圖5所示。

圖5 污水中糞大腸桿菌初始濃度對消毒效果的影響Fig.5 Effect of Initial Concentration of Fecal E.coli on Disinfection

由圖5可知，不同的紫外線照射時間下，不同初始濃度糞大腸桿菌的剩余濃度總體水平差距很大，照射時間由少到多，剩余濃度的變化趨勢越來越弱，初始濃度對于剩余濃度的影響也越來越不明顯。尤其是照射時間為10 s時，糞大腸桿菌的剩余菌數(shù)基本都在400 CFU/L以下，雖然其隨著糞大腸桿菌初始濃度的降低而有所減少，但變化幅度非常小。說明與糞大腸桿菌的初始濃度相比，照射時間的變化對紫外線消毒效果的影響更加明顯。經(jīng)分析研究，這樣的現(xiàn)象主要是由于紫外線的照射是使糞大腸桿菌失活的主要因素，若紫外線的照射時間長，紫外線劑量充足，那么雖然水中糞大腸桿菌的初始濃度很高，但都能有機會受到紫外線照射，從而失去活性。因此，當紫外線劑量足夠多，初始濃度對消毒效果的影響就微乎其微了。

當照射時間為4.5 s時，糞大腸桿菌的剩余濃度隨初始濃度的增加呈緩慢增長趨勢。說明，糞大腸桿菌滅活率的變化趨勢與其初始濃度成反比，不同的糞大腸桿菌初始濃度對紫外消毒效果的影響較為明顯。這是由于紫外線照射時間太短，紫外線劑量不足，照射不均勻，少部分糞大腸桿菌在水中被雜質(zhì)顆粒遮蔽或者糞大腸桿菌之間相互遮蔽，以至于沒有充分受到紫外線的照射，那么當糞大腸桿菌的初始濃度越高的時候，沒有受到紫外線照射的糞大腸桿菌就越多，消毒出水中糞大腸桿菌的剩余濃度就隨之升高，減弱了消毒效果。因此，若紫外線照射不充足，那么紫外線消毒效果會因糞大腸桿菌初始濃度的增加而減弱，若能保持紫外線照射充足，那么初始濃度對消毒效果產(chǎn)生的影響就可以忽略，就能保證消毒出水的安全性。

3 結(jié)論

(1)在固定紫外線光強下，紫外線照射時間對糞大腸桿菌的滅活效果有很大的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著照射時間的增加，糞大腸桿菌的滅活率也在升高；照射時間為10 s時，出水糞大腸桿菌數(shù)可以達到一級A排放標準，繼續(xù)增加對消毒效果影響不大。

(2)污水紫外線穿透率對紫外線消毒的效果有著重要的影響。在今后的污水廠實際消毒工藝中，污水的紫外線穿透率建議控制在77 %以上，以保持一個較好的消毒效果。提高紫外線的穿透率還可以相應(yīng)地降低紫外線照射劑量，減少基建費用和設(shè)備投資。

(3)污水的濁度對紫外線滅活糞大腸桿菌效果有一定影響。在實際工程應(yīng)用中，建議消毒前污水的濁度應(yīng)盡量控制在14 NTU以內(nèi)。

(4)照射時間不足時，初始濃度越高消毒效果越差；當照射時間達到10 s時，糞大腸桿菌的初始濃度對紫外消毒效果的影響基本可以忽略。

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