明渠水下照射式紫外線消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要: 針對(duì)常用的明渠水下照射式污水紫外線消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探討了明渠水下照射式污水紫外線消毒系統(tǒng)的紫外燈型式的選擇、紫外劑量的確定方法以及設(shè)計(jì)流量的確定，介紹了消毒明渠及其水位控制器的設(shè)計(jì)方法。
隨著對(duì)氯消毒缺陷的認(rèn)識(shí)，人們?cè)趯で舐认镜奶娲夹g(shù)。紫外線消毒由于具有殺菌快速高效、安全、易操作及占地小等優(yōu)點(diǎn)，在美國和加拿大已廣泛應(yīng)用，目前大部分的紫外線污水消毒系統(tǒng)都采用明渠水下照射式。在我國，紫外線消毒在污水處理中的應(yīng)用剛剛起步，對(duì)明渠水下照射式的污水紫外線消毒技術(shù)的研究及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)道不多。
1 系統(tǒng)組成
明渠水下照射式紫外線消毒系統(tǒng)的組成如圖1所示。
紫外燈平行放置于支架上并浸沒在水中。各模塊之間彼此獨(dú)立。每個(gè)模塊可配置2、4、6、8或16支紫外燈管[ 1 ] 。紫外線消毒系統(tǒng)若采用自動(dòng)清洗則還要安裝有清洗設(shè)施。污水重力流經(jīng)紫外燈，渠道下游設(shè)水位控制器。
圖1 明渠水下照射式紫外線消毒系統(tǒng)
Fig. 1 Submerged radiation type ultraviolet disinfection system in open channel
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2. 1 紫外燈型式的選擇
紫外消毒燈有低壓低強(qiáng)燈、低壓高強(qiáng)燈和中壓高強(qiáng)燈3種。低壓低強(qiáng)燈和低壓高強(qiáng)燈均發(fā)出單色光，輸出波長為253. 7 nm，燈管的壽命為8 000 ～12 000 h，而中壓高強(qiáng)燈發(fā)出復(fù)色光，波長為230～300 nm，燈的壽命為5 000 h。低壓高強(qiáng)燈單根燈管紫外能輸出(90～100 W)要比低壓低強(qiáng)燈(30～60W)高，但比中壓高強(qiáng)燈的(420～25 000 W)低。在照射到微生物上的紫外劑量相同的條件下，三種類型紫外燈的消毒效果是相同的[ 2 ] 。但低壓低強(qiáng)紫外燈的光強(qiáng)相對(duì)較弱，穿透力不高，對(duì)總懸浮固體>30 mg/L的二級(jí)處理出水消毒效果不好[ 3 ] 。而中壓紫外燈的光強(qiáng)最強(qiáng)、穿透力高，比較適合低濃度污水的處理。處理相同的水量時(shí)，若采用中壓高強(qiáng)燈系統(tǒng)則需要的燈管數(shù)最少，低壓高強(qiáng)燈次之。燈管數(shù)量少，相應(yīng)地設(shè)備占地也省，基建費(fèi)用和燈管維護(hù)費(fèi)用少。但中壓高強(qiáng)燈的光電轉(zhuǎn)換率低(只有15%左右) 、能耗大、電費(fèi)高;而低壓低強(qiáng)燈和低壓高強(qiáng)燈的光電轉(zhuǎn)換率為30% ～40%。目前，污水處理廠多采用低壓高強(qiáng)燈和中壓高強(qiáng)燈系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。
2. 2 紫外劑量的確定
紫外燈數(shù)量取決于滅活微生物所需的紫外劑量。微生物的滅活與紫外照射劑量的關(guān)系可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。若大腸桿菌數(shù)量在通常的消毒范圍內(nèi)，則滅活速率與紫外劑量的關(guān)系表達(dá)如下：
dN/dt= - kN2 I (1)
經(jīng)積分，得到:
1 /N - 1 /N0 = k It (2)
式中 N ———某時(shí)刻t的大腸桿菌含量，最大可能數(shù)量/100 mL
N0 ———初始大腸桿菌含量，最大可能數(shù)量/100 mL
k ———速率常數(shù)，大腸桿菌數(shù)/ s
I ———消毒反應(yīng)器中紫外平均強(qiáng)度，mW / cm2
t ———消毒時(shí)間， s
大腸桿菌初始含量常常比消毒后大得多，以致1 /N0 項(xiàng)可以忽略不計(jì)，故式(2)可以簡化為：
1 /N = kIt 或 N = ( kIt) - 1 = ( kD ) - 1 (3)
式中 D———紫外劑量，為紫外平均強(qiáng)度與消毒時(shí)間的乘積， (mW•s) / cm2
式(3)可以用于計(jì)算在已知速率常數(shù)下不同紫外強(qiáng)度與消毒時(shí)間時(shí)的大腸桿菌數(shù)。另外， Scheible等的研究表明，紫外劑量和糞大腸菌群含量之間的關(guān)系符合如下經(jīng)驗(yàn)公式[ 4 ] ：
消毒后糞大腸菌群含量= ( 1. 26 ×1013 ) (紫外劑量) (4)
此外，Loge等研究得到可以用來計(jì)算糞大腸菌群在紫外光照下數(shù)量變化的經(jīng)驗(yàn)公式[ 5 ] ：
N =A ( SS) a (N0 ) b (UFT) c ( I) n ( t) n (5)
式中 N ———在紫外輻射后的糞大腸菌群含量，最大可能數(shù)量/mL
I ———紫外平均強(qiáng)度，mW / cm2
t ———消毒時(shí)間， s
SS———水中懸浮固體濃度，mg/L
N0 ———糞大腸菌群的初始含量，最大可能數(shù)量/100 mL
UFT———在253. 7 nm處的紫外透射率， %
A、a、b、c、n———經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別是102. 919、1. 947、0. 323 3、0、- 2. 484式(3) ～ (5)表達(dá)了紫外劑量與消毒后污水中的大腸桿菌或糞大腸菌群濃度的關(guān)系。其中式( 5)考慮了懸浮固體、透射率等因素對(duì)紫外線消毒的影響，能較合理地預(yù)測(cè)達(dá)到一定的糞大腸菌群殺滅指標(biāo)時(shí)所需的紫外劑量。例如，美國國家污染物排放系統(tǒng)(NPDES)的消毒標(biāo)準(zhǔn)要求糞大腸菌< 200 個(gè)/100 mL，對(duì)于總懸浮固體TSS < 20 mg/L、65%透射率的二級(jí)處理出水，在通常的消毒范圍內(nèi)，用式(5)計(jì)算得到的紫外劑量與報(bào)道的20～30 (mW • s) /cm2 基本一致。我國的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)將糞大腸菌群列為基本控制項(xiàng)目，可以根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)糞大腸菌群的最高允許排放濃度以及污水廠的具體水質(zhì)來計(jì)算紫外線劑量。
確定紫外劑量的另一種方法是根據(jù)微生物對(duì)紫外劑量的響應(yīng)所得到的響應(yīng)曲線來確定[ 6 ] 。不同種類的微生物對(duì)于相同紫外劑量的響應(yīng)是不同的，因?yàn)樗鼈儗?duì)紫外線的敏感程度不同。由紫外平行光束儀測(cè)定不同紫外劑量下某種微生物的存活含量，從而得到紫外劑量與存活微生物含量的關(guān)系曲線，即響應(yīng)曲線。該法排除了消毒反應(yīng)器中流體動(dòng)力學(xué)對(duì)微生物接受紫外劑量不均勻的影響。
確定紫外劑量時(shí)，應(yīng)考慮紫外燈管老化和燈管的石英套管表面結(jié)垢問題。使用壽命周期終點(diǎn)時(shí)的紫外輸出與新燈管紫外輸出之比為燈管的老化系數(shù)。大多數(shù)燈管的老化系數(shù)在0. 5左右。另外，污水中的某些成分會(huì)使燈管的石英套管表面結(jié)垢而影響紫外透射率。結(jié)垢系數(shù)與燈管的清洗方式有關(guān):人工清洗為0. 7，純機(jī)械清洗為0. 8，機(jī)械加化學(xué)清洗為1. 0。因此，在確定紫外劑量時(shí)通過上述方法求得的紫外劑量還應(yīng)計(jì)入燈管老化系數(shù)以及結(jié)垢系數(shù)，才能得到在燈管壽命周期內(nèi)達(dá)到微生物消毒標(biāo)準(zhǔn)所需要的紫外劑量。
2. 3 設(shè)計(jì)流量及光照時(shí)間
紫外消毒系統(tǒng)必須在紫外燈的壽命期內(nèi)按最大流量設(shè)計(jì)，否則，當(dāng)流量增大時(shí)將不能保證消毒要求。同時(shí)，也必須滿足最小流量時(shí)的消毒要求。許多較小的污水處理廠在晚上流量接近于零，這期間在石英套管周圍的污水會(huì)升溫而在套管上產(chǎn)生沉積，也有可能使石英套管露出水面而暴露在空氣中，留在套管上的物質(zhì)會(huì)被烤干，從而形成沉積物。因而，設(shè)計(jì)時(shí)必須確定最大與最小流量。
光照時(shí)間也是個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。在相同的紫外強(qiáng)度下滅活不同種類的微生物需要的光照時(shí)間不同。目前的設(shè)計(jì)是采用高強(qiáng)度的紫外能而取較短的光照時(shí)間，例如光照時(shí)間為6～10 s[ 1 ] 。
2. 4 消毒明渠的設(shè)計(jì)
消毒明渠可根據(jù)紫外消毒系統(tǒng)的大小用混凝土或不銹鋼建成。國外的經(jīng)驗(yàn)是， 16 根或更少燈管的紫外消毒系統(tǒng)應(yīng)采用不銹鋼渠道，但也可以采用混凝土渠道。當(dāng)渠道中有多個(gè)紫外燈組時(shí)，紫外燈組的最佳距離是1. 22 m[ 1 ] 。如果渠道流量變化大，則渠道最好不少于1 道，這樣可根據(jù)流量變化開通或關(guān)閉某些渠道，以節(jié)省電耗和延長燈的壽命。
渠道需用水位控制器來控制水位，以防燈管以上的水層厚度太大而影響消毒效果，或避免低于設(shè)定的流量范圍時(shí)紫外燈暴露于空氣中。在任何流量時(shí)位置最高的紫外燈石英套管頂以上的水層厚度需維持在1. 9～2. 54 cm[ 1 ] ，污水不應(yīng)超出這一厚度，否則紫外強(qiáng)度太小而不能使所有的病原體滅活。兩種基本的水位控制器是銳頂堰和水力自動(dòng)控制翻板閘門( flap gate) [ 1 ] 。銳頂堰既可保持高峰流量時(shí)間的最高水位，也可保證在零流量時(shí)紫外燈浸沒在水中，其缺點(diǎn)是在堰的上游底沉積固體，這可通過安裝沖洗閥來解決。水力自動(dòng)控制翻板閘門是通過重力和污水流過渠道的沖力進(jìn)行工作的，以翻板閘門上放置的重錘來限制閘門的開啟度，合理設(shè)計(jì)的翻板閘門將使水位保持在一個(gè)較寬的流量變化范圍內(nèi)。其缺點(diǎn)是在零流量或接近零流量時(shí)會(huì)發(fā)生滲漏以致紫外燈露出水面，影響消毒效果。翻板閘門與紫外燈組的最小距離為2 m。在兩種水位控制器中，采用使紫外燈在零流量時(shí)仍能保持完全浸沒的堰可能更好。一般地，堰用于小于20根紫外燈的小型消毒系統(tǒng)，而翻板閘門則用于大型的紫外消毒系統(tǒng)[ 1 ] 。
3 結(jié)語
明渠水下照射式污水紫外線消毒系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是紫外線消毒技術(shù)在污水處理中應(yīng)用的關(guān)鍵，選擇合適的紫外燈型式有利于節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用，正確確定紫外劑量、最大和最小流量以及合理設(shè)計(jì)水位控制器是保證消毒效果的重要方面。
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