紫外線技術在水處理領域的應用及未來趨勢

蔡曉涌 高明 張會敏

（北京安力斯科技發展有限公司）

摘要：本文概述了紫外線消毒技術的原理及發展概況，詳細介紹了紫外線技術在水處理領域的三大功效：即廣譜殺菌，有效殺滅賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲，以及高級氧化功能，這些功能分別解決了水處理領域的三大難題：消毒副產物問題，賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的抗氯性問題，以及難降解有機物污染問題。然后針對紫外線技術在應用中存在的一些問題提出了有效解決方案，并展望了紫外線技術在未來的應用和發展趨勢。

關鍵詞：紫外線消毒，廣譜殺菌，消毒副產物，組合消毒工藝，高級氧化

Application and Future Trend of Ultraviolet Disinfection Technology in Water Treatment

Xiao-yong Cai, Hui-min Zhang

（Beijing Onyx Technology Development Co., Ltd）

Abstract：This paper introduces the principle and history of Ultraviolet(UV) Disinfection Technology and its main functions, such as broad-spectrum sterilization，Effectively killing of giardiasis and Cryptosporidium Hominis， and advanced oxidation process，which respectively solved a difficult problem in water treatment domain, namely By-products of disinfection, threat of Giardiasis and Cryptosporidium Hominis, and refractory biodegradation organic compounds pollution。Then aiming at some limitation of UV Disinfection, gives some effective measures, and prospects the future of UV Technology.

Key Words：Ultraviolet Disinfection，Broad-spectrum Sterilization，By-Products of Disinfection，Union Disinfection，Advanced Oxidation Processes

1 概述

　　紫外線是波長在100-380nm的電磁波，根據其波長及功能的不同，又分為四個波段，即UV-A（315-380nm），UV-B（280-315nm），UV-C（200-280nm）和V-UV（真空紫外線，100-200nm）。UV-A能使人的皮膚產生黑色素；UV-B可令皮膚起皺紋老化，有致癌作用；UV-C是具有有效殺菌效果的紫外線；V-UV中的185nm波長的紫外線能產生臭氧。
　　 紫外線消毒是一種基于現代防疫學、光學、生物學和物理化學的消毒技術，利用特殊設計的紫外發生裝置，產生的UV-C照射流水（空氣或固體表面），當水（空氣或固體表面）中的各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其它病原體受到一定劑量的UV-C輻射后，其細胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）結構受到破壞，使其喪失復制和繁殖能力，因細菌、病毒的生命周期一般都很短，不能繁殖的細菌、病毒就會迅速死亡，從而在不使用任何化學藥物的情況下達到消毒和凈化的目的。
　　 紫外線技術用于水處理領域的歷史很早，1910年法國馬賽的一家自來水廠就采用過紫外消毒工藝。之后由于紫外消毒本身的技術問題（如燈管壽命短、穿透率低），以及投資和運行成本較高等原因，紫外線技術在水處理領域的應用一直進展緩慢。
　　 從20世紀70年代開始，UV消毒技術逐步開始應用在給排水消毒領域，這主要是由于人們認識到了消毒副產物危害的認識。同時由于紫外光燈關鍵技術的突破，使得UV消毒系統的可靠性大大提高，設備使用壽命長，能耗降低，運行費用也大為下降。因此20世紀90年代紫外消毒技術在歐美國家得到了迅速的發展和推廣應用。
　　 我國國家環境保護總局和國家質量監督檢驗檢疫總局于2002年12月24日頒布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB l8918-2002)中首次將微生物指標列為基本控制指標，要求城市污水必須進行消毒處理，該標準的頒布為紫外消毒技術的推廣應用提供了契機。2003年5月4日，國家環境保護總局要求城鎮污水處理廠出水應結合實際采取加氯或紫外線、臭氧等消毒滅菌處理，由此可見紫外消毒已成為污水處理廠出水消毒的規范化手段之一。中國建設部于2005年11月通過《城市給排水紫外線消毒設備》標準，規范了紫外消毒設備的應用和技術要求，同時也為紫外消毒技術在生活飲用水、飲用凈水、城鎮污水處理廠出水、城市污水再生利用水、工業廢水處理等領域的應用奠定了基礎。

2 紫外線的功效

　　紫外線的作用很廣，在水處理領域的主要功能包括三個方面：即廣譜殺菌、有效殺滅賈第鞭毛蟲與隱孢子蟲，以及高級氧化功能。
　　 紫外線屬廣譜殺菌射線，在足夠的照射劑量下，能殺死一切微生物，包括細菌、結核菌、病毒、芽孢和真菌，并且殺菌速度快，大多數都是在1秒之內。
　　 另外，紫外線消毒技術對近些年發現的致病性病原微生物賈第蟲和隱孢子蟲也具有良好的滅活效果。使用低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱孢子蟲，38mJ/cm²的輻射劑量就能達到99.99%的殺滅率。
　　 紫外線還具有高級氧化功能。波長為185nm的真空紫外線（V-UV）能產生臭氧，臭氧是一種強氧化劑，能破壞存在于空氣中或水中的微生物的細胞壁，使微生物立刻死亡。另外紫外線近年來被廣泛應用于光催化氧化和光化學氧化。

3水處理領域的三大技術難題

　　隨著人們安全意識、環保意識的提高和水質標準的不斷嚴格，傳統的水處理技術（包括消毒技術）已經難以滿足新的水質要求，目前存在的技術難題主要有三個方面：一是廣泛應用的氯消毒所產生的消毒副產物問題；二是賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的抗氯性問題；三是水中的有機物特別是難降解有機污染物越來越多，常規的生物處理方法難以去除。
3.1 消毒副產物
　　 給排水領域的消毒技術大體上可以分為物理消毒和化學消毒兩大類。物理消毒法有紫外線消毒、膜過濾、加熱、冷凍、輻射和微波消毒等；常用化學消毒劑有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺等。
　　 氯對細菌的作用是破壞其酶系統，導致細菌死亡，對病毒的作用主要是對核酸破壞的致死性作用。20世紀70年代后，人們發現飲用水氯消毒后，水中含有具有致癌、致畸、致突變的THMs等有害消毒副產物，從而影響飲用水水質安全性。至今已知的消毒副產物已經有500種以上，但是絕大多數的濃度只有微克/升，其中對于THMs的致癌性已有共識，其它大部分具有一般毒性，部分具有致突性。
　　 臭氧消毒主要是利用其強氧化性，破壞微生物的細胞壁使其立刻死亡。臭氧消毒本身不產生鹵代烷，但是生成的其它消毒副產物如醛、酮、醇等若經氯化，也會產生三鹵甲烷。
　　 為了避免有害消毒副產物的產生，采取的主要途徑有：(1) 預處理去除THMs前驅物(主要是富里酸和腐殖酸等有機物，徹底清楚難度非常大)；(2) 采用其它消毒方法。
　　 為此，人們把目光集中到紫外線消毒上。紫外線消毒不向水中增加任何物質、不增加水的嗅和味、沒有副作用、不產生有毒有害的副產物、消毒速度快、效率高、操作簡單、便于運行管理和實現自動化運行，這都是它優于化學消毒的地方。
3.2賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲問題
　　 隱孢子蟲為孢子蟲類的原生動物，寄生于哺乳動物、烏類及魚類的胃腸道及呼吸道內，傳染方式為經口腔攝入了隱孢子蟲的卵囊，水是最重要的傳播途徑。隱孢子蟲繁殖很快，從體內排出后又形成新的污染源。通常的人感染癥狀為腹痛、嚴重腹瀉、食欲不振等。免疫力弱時嚴重的還會失去生命。賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲一樣寄生在人和動物中，感染賈第鞭毛蟲的癥狀包括腹瀉、胃漲、腹痛腹脹、惡心嘔吐等。
　　 據美國自來水協會統計，美國發生隱孢子蟲事故10次，英國發生21次，加拿大發生4次，日本發生1次。水中賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲引起的疾病爆發，被歸因為市政自來水廠的加氯消毒。賈第蟲和隱孢子蟲具有抗氯性，特別是隱孢子蟲，常規氯消毒幾乎不起作用，欲滅活90%，需要80mg/L濃度的氯接觸90分鐘，因此采用新的有效的消毒方式以保證飲用水安全性十分必要。
3.3 難降解有機物污染問題
　　 冶金、化工、造紙與制藥等行業所排放的難降解的有機污染物多含有多環芳烴、有機氯化物、氯代酚類及一些高分子物質，導致廢水毒性大、難以被微生物降解、處理難度大等一系列問題，如何有效地處理這些廢水是我國環境保護領域一直以來的重要研究課題. 高級氧化技術是一種可以有效地處理難降解有機廢水的方法。 即利用在一定條件下產生的具有很強氧化能力的自由基，如羥基自由基（·OH），其氧化電位非常高（3.06V），氧化能力強于臭氧（2.07V）和氯氣（1.36V），能強化分解水中的有機污染物，可用于水源污染較重和水質要求較高的情況。

4 紫外線技術在水處理領域的應用——問題與挑戰

　　紫外線消毒雖然具有很多化學消毒無法比擬的優點，但也存在著一些制約其發展的因素，其中最突出的是紫外線無持續殺菌能力，另外紫外消毒對水體要求高，技術本身存在的一些限制使紫外線技術在應用中面臨著諸多問題，如何有效地解決這些問題，是紫外線技術在水處理領域的推廣應用所面臨的巨大挑戰。
4.1 采用組合消毒工藝實現持續殺菌
　　 紫外消毒利用UV-C輻射破壞細菌和病毒的核酸物質，不會向水中增加任何化學物質，因此當處理水離開反應器之后，特別使對于遠距離傳輸的飲用水，在管網傳輸過程中一些被紫外線殺傷的微生物有可能會修復損傷的DNA分子，使細菌再生，也可能在沿途滋生新的細菌和病毒。因此，要維持持續的消毒效果，紫外線需要與其它消毒技術聯用。如紫外與氯胺的組合消毒工藝，即可以利用紫外線的廣譜殺菌能力和高效殺滅賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的能力，又可以利用氯胺消毒持久性最長和消毒副產物鏈很小的優勢，不失為一種值得推廣的多屏障消毒工藝。
4.2飲用水消毒的安全屏障
　　 我國新的飲用水法規已加強了對賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的監控。紫外線能高效殺滅賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲，因此紫外消毒是飲用水水質的一道安全屏障，供水處理中應增加紫外消毒工序，保障飲用水安全性。
4.3 高級氧化功能處理難降解有機污染物
　　 利用紫外線高級氧化功能而發展起來的光化學氧化和光催化氧化都是近年來新興的水處理技術。光化學氧化法是在光的作用下進行化學反應，采用臭氧或過氧化氫作為氧化劑，在紫外線的照射下使污染物氧化分解，從而達到水中污染物質的高效降解。光化學氧化系統組合工藝主要有UV/H₂O₂系統，UV/O₃系統和UV/O₃/H₂O₂系統。
　　 一般認為UV/H₂O₂的反應機理是：1分子的H₂O₂在紫外光的照射下產生2分子的HO•自由基，如下所示：

H₂O₂ + hυ → 2 HO•

H₂O₂ + hυ → HO₂•+H•

HO• + H₂O₂ → H₂O•+ H₂O

H•+ H₂O₂ → HO•+ H₂O

HO₂•+ H₂O₂ → HO•+ H₂O+ O₂

　　其它光化學氧化系統的反應原理與UV/H₂O₂系統相似，都是通過紫外光子的激發產生羥基自由基。
　　 光催化氧化就是利用半導體催化劑（納米二氧化鈦被認為是綜合性能最好的催化劑）結合具有一定能量的光輻射（紫外光），利用紫外產生的光量子激發催化劑，產生的羥基自由基以其特有的強氧化能力，可將許多化學法、生物法無法氧化的有機物，完全氧化為CO₂、H₂O及相應的無機酸，而且不造成二次污染。
　　 紫外線的高級氧化功能適用于處理有機物濃度高、可生化性差的工業廢水，尤其適合于處理難降解的大分子有機物，如農藥、有機氯代物、多環芳烴等。
4.4 加強監控應對來水水質變化
　　 在水處理消毒中，殺菌效率要求越高，所需的照射劑量就越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射劑量的主要因素是紫外線穿透率（UVT），當UV-C輸出強度和照射時間一定時，UVT的變化將造成微生物實際接受劑量的變化。設計中，一般要求1cm水樣透光率≥65％。若實際透光率低于設計值，將達不到預期消毒效果，必需提高紫外線輸出強度或增加照射時間，以達到需求輻射劑量；反之，若設計值低于實際值，則又造成紫外設備和電能的浪費。為此，國內外較為先進的紫外消毒設備，如安力斯的紫外消毒模塊，在設計中加入了較為靈活的自動控制系統，隨時監測來水水質，隨著透光率的變化，自動控制系統可以隨時調整紫外燈輸出強度或開啟臺數，從而保證良好的消毒效果。
4.5紫外消毒技術可滿足大規模水處理工程需求
　　 從20世紀七八十年代，人們開始了對UV消毒技術的深入研究和工程應用，但是當時的紫外線技術相對比較落后，紫外燈管的功率只有幾十瓦，建設大規模的水廠或污水處理廠，需要安裝的紫外模塊太多，而且紫外燈壽命很短，只有一千多小時，燈管更換頻繁，因此，大規模的水廠如果采用紫外消毒技術，投資和維護費用相對較高。所以紫外消毒一般只用于水質要求高且規模不大的水廠。
　　但當時人們已經意識到了紫外消毒技術的優勢，為了改善上述限制條件，開始了更加深入的理論研究和技術開發，促進了紫外光燈關鍵技術的進展，現在155w和320w的紫外光燈已經開始普遍應用，國外一些機構正在研制800W的高強紫外燈。2萬t/d的污水處理廠可以僅用50支紫外光燈，20萬t/d的污水處理廠（一級B出水）可以用300支燈完成消毒任務，而且水力停留時間只需要幾秒種，比氯法消毒節約了很大的占地面積。現在紫外光燈的壽命也可以達到12000-20000小時，使得UV消毒系統的可靠性大大提高，運行費用也大為下降。所以，現在紫外消毒完全可以滿足大規模水廠的消毒需求，不再受處理量的限制。
4.6 結垢問題
　　 石英套管外壁的清洗工作是運行和維護的關鍵。當污水流經UV消毒器時，其中有許多無機雜質會沉淀、粘附在套管外壁上。尤其當污水中有機物含量較高時更容易形成污垢膜，這些都會抑制紫外線的透射，影響消毒效果。因此，石英套管的清洗問題也曾經是影響紫外消毒系統應用的一個關鍵技術問題。
　　 目前，手動清洗、在線自動清洗和化學清洗技術都已經非常成熟，對于大規模的紫外模塊，普遍采用機械清洗+化學清洗的方式，即在紫外模塊中安裝在線自動清洗裝置，定期（周期較短，根據系統反饋的透光率確定）自動循環清洗，如機械清洗不徹底，可以一個月或幾個月后將模塊吊出，放入化學清洗池或清洗車用低濃度的有機酸進行清洗。

5 紫外線技術在未來的應用趨勢

　　目前，紫外線技術的功能和優勢已經得到了廣泛的認可和推廣，隨著水質標準的不斷嚴格和人們安全意識的提高，紫外線消毒在以下領域將有著更加廣闊的應用前景。
　　 1、 污水消毒，紫外線用于污水處理和中水回用的終端消毒已經有了并將擁有更多的工程應用實例。
　　 2、 高級氧化。針對濃度高、可生化性差的工業廢水，光催化氧化和光化學氧化將充分發揮其強氧化能力，無選擇性地降解大分子有機物。
　　 3、 泳池等工、商業工藝用水的氧化及消毒處理，油田回注水、醫院廢水等特殊領域的消毒處理。
　　 4、 飲用水消毒，紫外線能有效殺滅賈第蟲和隱孢子蟲，是飲用水處理的一道安全屏障。
　　 5、 降低TOC，主要用在高技術產業和實驗室裝置中。
　　 6、 消除臭氧。254nm波長的紫外線對于破壞剩余臭氧非常有效，它可以把臭氧分解成氧氣，消除水中臭氧對后續工序的影響。
　　 7、 消除余氯。185nm和254nm的紫外線都被證實可以有效破壞余氯和氯氨的化學鍵。
　　 8、 表面消毒。在食品和飲料生產業中，大部分原料都是很容易被細菌所利用的食物，因此很容易促成細菌繁殖，但是，食品業的安全性又不允許添加化學物質進行殺菌，因而紫外線表面消毒技術成為首選的消毒工藝之一。
　　 9、 空氣消毒。紫外設備用于醫院、診所的空氣消毒已有幾十年的歷史。隨著人們生活質量的提高，在不久的將來，工廠、辦公室和家庭也會開始使用紫外空氣消毒設備。特別是空調系統的送風和排風管道中，時間長了很容易滋生細菌，進行空氣消毒也是非常必要的。
　　 10、 其它工業領域，包括食品業、飲料業、制藥業、化妝品業、制造業、高技術產業等。
　　 總之，UV-C殺菌效率高，紫外消毒技術對提高供水安全性、改善水環境質量、保障人體健康等方面都具有十分重要的意義。未來在水處理、工業應用、體和空氣消毒領域都將具有非常廣闊的應用前景。