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紫外线消毒技术、优势与前景

发布者: 重庆达尔源环保科技有限公司|发布时间:2015-04-03
  目前,给排水消毒方法可分为两大类,即化学消毒法和物理消毒法。化学消毒法有加氯消毒和臭氧消毒等;物理消毒法有紫外线消毒等。化学消毒法一般都会产生消毒副产物,而紫外线消毒是早在1878年人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。人类对紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用则始于20世纪60年代中叶,并于70年代到80年代初对紫外线消毒在城市污水处理中的应用进行了大量早期的研究,这主要是由于当时人们已认识到被广泛使用的加氯消毒工艺中的余氯对受纳水体中的鱼类等生物有毒,而且发现并确认了氯消毒等化学消毒方法会产生如三卤甲烷(THMs)等致癌、致基因,致畸变的副产物。这些发现促使人类寻求一种更好的消毒方法,不会产生消毒副产物的方法,也不会造成二次污染问题。于是,人们开始关注紫外线在消毒方面的应用。

    紫外线,英文名Ultravioletray或(Ultravioletradiation,简,是由德国科学家里特发现的,紫外线是电磁波谱中波长从100-400nm(纳米)辐射的总称。紫外线的波长愈短,对人类皮肤危害越大。短波紫外线可穿过真皮,中波则可进入真皮。

    紫外线是一种肉眼看不见的光波,波长范围为100-40nm(纳米)存在于光谱紫外线端的外侧,故称之为紫外线,依据不同的波长范围,被割分为A、B、C三种波段,其中的C波段紫外线波长在240-260nm之间,为有效的杀菌波段,波段中之波长点是253.7nm。

    自然界中的紫外线主要由太阳发出的,按照波长不同分为UVA、UVB、UVC三个波段;

    UVA是生活紫外线,波长范围315-400nm,可透过窗户玻璃和云层射入人的肌肤;

    UVB是户外紫外线,波长范围280-315nm,人们在室外活动时直接射入皮肤。没有被臭氧层吸收掉的UVA和UVB会照射到地球表面,给我们的肌肤带来伤害。

    UVC是紫外线C波段波长范围为在200-280nm之间,自然界中太阳发出的紫外线C段几乎全部被高层大气的臭氧层过滤掉了。UVC能够穿透微生物和人类细胞并对细胎中的DNA造成损伤,正是利用VUC的这这一点特性,对水中的微生物进行灭活消毒。UVC有效的杀菌波段,波段中之波长点是253.7nm。

    紫外线消毒法早应用于美国(1970年美国环保局完成了个污水紫外线消毒的示范工程),现已在美国和加拿大普遍应用。紫外线消毒技术为物理消毒方式的一种,具有广谱杀菌能力,无二次污染,经过30多年的发展,已经成为成熟可靠环保的消毒技术,在国外各个领域得到了广泛的运用。进入21世纪后,随着对污水尾水消毒的日益重视和运行经验的积累,紫外线消毒技术将得到推广,预计今后有条件的污水处理厂中50%将会采用紫外线消毒,并成为取代传统化学消毒方法的主流技术。紫外线消毒技术是上90年代末兴起的一代消毒技术。它集光学、微生物学、电子、流体力学、空气动力学为一体,具有率、广谱性、低成本、长寿命、大水量和无二次污染的特点,是上公认的21世纪的主流消毒技术

    二、紫外线消毒市场分析

    ◆在经济迅猛发展的今天,的水资源愈发显示得短缺,这也就更加突显出水处理行业的重要性。作为水消毒的重要“武器”,杀菌消毒是紫外线技术在水和废水领域中的主要功用。今天,几乎所有的工业都将紫外线技术应用到水处理系统中,包括食品和饮料业、制药业、化妆品业、保健品业、制造业、高新技术产业等等。

    ◆预测,我国3万多家各类污水处理厂进行消毒杀菌工艺改造,作为当前优势的杀菌消毒技术—紫外线消毒技术,无疑将在这一领域抢占先机,并将在城市污水处理应用中成为取代传统化学消毒方法的主流技术。预计今后有条件的污水处理厂中50%将会采用紫外消毒,其间蕴藏的商机至少在2000亿元以上,所以在污水消毒领域这一技术将有着广阔的市场前景。

    三、紫外线消毒原理

    紫外消毒的杀菌原理是利用紫外线光子的能量破环水体中各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA结构。主要是使DNA中的各种结构键断裂或发生光化学聚合反应,例如使DNA中胸腺嘧啶二聚体,从而使各种病毒、细菌以及其它致病体丧失复制繁殖能力,达到灭菌的效果。     

紫外线消毒前DNA--所有复制所需的分子链都是完整的

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紫外线消毒后的DNA-断裂分子链和胸腺嘧啶二聚体阻止细胞的复制,从而使生物体和人免受疾病的感染

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    紫外线杀菌波段主要介于200~300nm之间,其中以253.7nm波长的杀菌能力。当水或空气中的各种细菌病毒经过紫外线(253.7nm波长)照射区域时,紫外线穿透微生物的细胞膜和细胞核,破坏核酸(DNA或RNA)的分子键,使其失去复制能力或失去活性而死亡,从而在不使用任何化学药物的情况下杀灭水或空气中所有的细菌病毒。     

紫外线的消毒效果曲线

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    研究表明:紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体)的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死,从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等,从而改变了DNA的生物活性,使微生物自身不能复制,这种紫外线损伤也是致死性损伤。

 紫外线消毒是一种物理方法,它不向水中增加任何物质,没有副作用,这是它优于氯化消毒的地方,它通常与其它物质联合使用,常见的联合工艺有UV+H2O2、UV+H2O2+O3、UV+TiO2,这样,消毒效果会更好。     

    四.紫外线消毒器的结构形式

    UV消毒器按水流边界的不同分为敞开式和封闭式。

    1.敞开式系统

    在敞开式UV消毒器中被消毒的水在重力作用下流经UV消毒器并灭活水中的微生物。敞开式系统又可分为浸没式和水面式两种。

    浸没式又称为水中照射法,其典型构造如图1所示。将外加同心圆石英套管的紫外灯置入水中,水从石英套管的周围流过,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。该方式构造比较复杂,但紫外辐射能的利用率高、灭菌效果好且易于维修。     

敞开式UV消毒器构造图

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    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。图1中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。

    水面式又称为水面照射法,即将紫外灯置于水面之上,由平行电子管产生的平行紫外光对水体进行消毒。该方式较浸没式简单,但能量浪费较大、灭菌效果差,实际生产中很少应用。

    2.封闭式系统

    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线灯把被消毒的水封闭起来,结构形式如图2所示。     

封闭式UV消毒器构造图

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    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。

    封闭式也划分为敞开式和浸没式。敞开式消毒器适用于中、大水量处理,多用于污水处理厂。封闭式消毒器一般适用于中、小水量处理或有必要施加压力且消毒器不能在明渠中使用的情况。

    各种系统中外罩密封石英套管的紫外线灯管都可以与水流方向垂直或平行布置。平行系统水力损失小、水流形式均匀,而垂直系统则可以使水流紊动,提高消毒效率。

 五、现代UVC消毒技术的优势

    UVC水消毒技术对细菌病毒以及其它致病体的消毒效果已得到全世界的公认。UVC水消毒技术具有下列明显的优点。

    1.杀菌广谱性

    UVC技术在目前所有的消毒技术中,杀菌的广谱性是的。它对几乎所有的细菌,病毒都能率杀灭。并且对一些对人类危害极大的,而氯气以至臭氧无法或不能有效杀灭的寄生虫类(例如隐性包囊虫cryptosporidium,贾第鞭毛虫giardia等)都能有效杀灭。

    2.率杀菌

    UVC消毒技术具有其它技术无可比拟的杀菌效率。杀菌效率可达99%-99.9%。表1列出紫外C技术对常见几种细菌病毒的杀菌时间一般只需1秒以内。而传统氯气、臭氧等化学消毒方法要达到紫外C的杀菌效果一般需要20分钟至1小时的时间。     

    表1 UVC技术对常见细菌病毒的杀菌效率(紫外辐射强度:30,000μW/cm2

种类

100%杀灭需的时间(秒)

细菌类

炭疽杆菌

0.3

破伤风杆菌

0.33

痢疾杆菌

0.15

大肠杆菌

0.36

沙门氏菌属

0.51

志贺氏菌属

0.28

病毒类

流感病毒

0.23

噬菌胞病毒

0.2

轮状病毒

0.52

乙肝病毒

0.73

爱柯病毒

0.73

霉菌孢子

曲霉属

0.73-8.80

大粪真菌

8

毛霉菌属

0.23-4.67

黑曲霉

6.67

水藻类

蓝绿藻

10-20

线虫卵

3.4

草履虫属

7.3

原生动物属类

4-6.70

鱼类病

白斑病

2.67

病毒性出血病

1.6

    3.无二次污染

    由于UVC技术可以被控制为仅仅是杀菌,并且不加入任何化学药剂,因此它不会对水体和周围环境产生二次污染。不改变水中任何成分。对氯消毒来说,其与水中有机物产生的有机氯已被公认为对人体有致癌作用,并且水中含有的氯化合物在某些场合下会起到反作用,对水中生物以及水环境产生毒害。臭氧方法也有类似的问题。大量难闻的未溶解到水中的臭氧挥发到空气中,有害于附近工作人员的身心健康。

    4.运行安全、可靠

    传统的消毒技术如采用氯化物或臭氧,其消毒剂本身就是属于剧毒、易燃、易爆的物质。这些物质的使用对操作现场人员以及周围环境和居民安全产生潜在的威胁,需要特别小心。我国的公安、消防及环保等部门对这些高危物质的使用有严格的运输、保存和操作规定。这些都极大地增加了基层使用单位、操作人员和周边居民的心理负担和不安全感。现代紫外消毒系统不存在这样的安全隐患,是一种对周边环境以及操作人员相对安全可靠得多的消毒技术。

    5.运行维护费用低

    通常一种率的技术总是和高成本,高运行费用联系在一块。但是,UVC技术却是例外。由于九十年代对UVC核心技术的完善,UVC消毒技术不仅消毒效率是所有消毒手段中的,而且消毒运行维护简单,运行成本,在千吨处理量水平可达到每吨水4厘人民币甚至更低,因此,其性能价格比是所有消毒技术中的。它既具有其它消毒技术无法比拟的率,又具有成本和运行费低的优点。在千吨水处理量水平,它的成本只是氯消毒的1/2,是氯加脱氯消毒的2/5,更只有臭氧消毒成本的1/9。即使在十万吨处理量水平,UVC的投资及运行成本也远远低于其它消毒技术。

    6.安装、操作简便

    紫外C消毒系统为模块化设计,安装简便,适合任何的安装现场条件,不破坏现场的设备、管线和建筑结构。系统只需接上电源,即可一年365天,每天24小时连续运行,清洗灯管时无需停机,除定期需1-2小时例行维护外,均可不间断地使用。而氯和臭氧消毒操作复杂,对操作人员质素要求高,任何疏忽都可能使消毒效果下降,甚至造成严重的事故。

    7.占地小,无噪音

    日处理万吨净水的紫外C消毒设备仅需4平方米的运行操作空间,日处理5万吨污水的UVC消毒系统仅需1条(10米×2米)水渠。而化学消毒方法则需要几倍于此的药剂接触池用地。另外,紫外C消毒设备靠自流式供水(无需水泵),不产生任何噪音。

    8.连续大水量消毒

    目前紫外消毒技术在实际应用中已达到日处理150万吨水量,如实际需要还可以更大,这是氯加脱氯及臭氧消毒方法难以做到的。   

    六、紫外线消毒与四种化学消毒方法的比较

    消毒方法大体上可以分为物理方法和化学方法两类。

    物理方法主要有机械过滤、加热、冷冻、辐射、微电解、紫外线和微波消毒等方法;

    化学方法主要有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺、卤素、金属离子、阴离子表面活性剂及其它杀生剂等。化学消毒方法中有关氯、臭氧、二氧化氯以及氯胺的研究及应用多,近年来由于有关化学消毒副产物的报道的增多和人们对水质标准要求的不断提高,物理消毒方法特别是紫外线消毒引起了人士的高度重视。

    1.氯消毒

    氯与水反应时,一般产生“歧化反应”,生成次氯酸(HOCL)和盐酸(HCL),其反应方程式为:

紫外线消毒

    氯的灭菌作用主要是次氯酸,因为它是体积很小的中性分子,能扩散到带有负电荷的细菌表面,具有较强的渗透力,能穿透细胞壁进入细菌内部。氯对细菌的作用是破坏其酶系统,导致细菌死亡。而氯对病毒的作用,主要是对核酸破坏的致死性作用。

    自从二十世纪初,氯化法就广泛地应用于水消毒工艺。目前,氯化法消毒仍是应用广的化学消毒方法,其主要特点是:(1)处理水量较大时,单位水体的处理费用较低;(2)水体氯消毒后能长时间地保持一定数量的余氯,从而具有持续消毒能力;(3)氯消毒历史较长,经验较多,是一种比较成熟的消毒方法。

    但是自从1974年陆克和伯勒分别在荷兰与美国的城市自来水中检出了氯仿等三卤甲烷(THMs)有机物,1976年美国癌肿研究所通过对大鼠和小鼠进行口服氯仿实验确定其为致癌物质,人们发现饮用水氯消毒后,水中含有具有致畸、致癌、致突变的THMs等有害消毒副产物。随着对THMs危害性研究的深入,引起了对其它消毒副产物的研究。至今已知的消毒副产物已经有500种以上,但是绝大多数的浓度只有微克/升(μg/L)级,且许多消毒副产物未作进一步的研究。在大量的消毒副产物中,目前集中研究的只有三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈、卤代酮、卤代醛、卤代酚等20余种,其中对于THMs的致癌性已有共识,其它大部分具有一般毒性,部分具有致突性。THMs等卤化有机物的产生主要是水体中的有机物与氯作用的结果,而城市生活污水中含有大量的有机物,经氯消毒后,会生成卤化有机物等消毒副产物,随污水进入地面水体,污染水源,并对鱼类等水生生物产生毒害作用。

    为了避免有害消毒副产物的产生,采取的主要途径有:(1)预处理去除三卤甲烷前驱物(主要是富里酸和腐殖酸);(2)采用代用消毒剂或消毒方法,近年来对用臭氧、二氧化氯和氯胺代替氯为消毒剂进行了大量的研究。

    2.臭氧消毒

    臭氧是强氧化剂,臭氧化和氯化一样,既起消毒的作用,也起氧化作用,但是臭氧的消毒能力和氧化性都比氯强,能氧化水中的有机物,并能杀死病毒、芽孢及细菌。臭氧都是在现场用空气或纯氧通过臭氧发生器制取,产率分别为1%-3%和2%-6%。

    臭氧作为消毒剂的历史几乎和氯一样长,1906年法国尼斯的水厂使用臭氧对饮用水进行消毒,美国的工程师于20世纪70年代初开始用臭氧代替氯消毒污水。根据目前的研究可以发现:(1)臭氧消毒反应迅速,杀菌效率高,同时能有效地去除水中残留有机物、色、嗅、味等,受PH值、温度的影响很小。(2)臭氧能够减少水中THMs等卤代烷类消毒副产物的生成量。(3)臭氧消毒可以降低水中总有机卤化物的浓度。

    虽然臭氧消毒本身不产生卤代烷和总有机卤,但是生成的其他消毒副产物如醛、酮、醇等若经氯化,会产生三卤甲烷。据报道,在世界各种水体中已检测出的有机化合物共有2221种。臭氧能和多种有机物反应,生成一系列中间产物,大体可分为有机副产物和无机副产物两类。有机副产物以甲醛为代表,有报道说甲醛是致癌物质。受关注的无机副产物是溴酸根,癌研究部门(IARC)将溴酸根分类为致癌性2B,即可能致癌物。因为臭氧在水中的溶解度极小,且易分解、稳定性差,几乎没有残余消毒能力,所以普遍将臭氧与其它消毒剂联合使用作为控制THMs等有害消毒副产物的方法。据1982年的报道,全世界采用臭氧化处理的水厂在1100座以上,其中用臭氧做消毒剂的,除欧洲有少数外,美国和加拿大仅各有一座,其它都辅以氯或氯胺消毒,以水中的剩余消毒剂。另外由于臭氧稳定性差容易分解为氧气,故不能瓶装贮存和运输,必须现场制备及时使用,设备投资大,电耗大,成本较高;运行管理比较复杂。

   5.紫外线消毒

    虽然传统的化学消毒方法在给水和污水处理中被普遍采用,但是由于向水中投加化学消毒剂或多或少会产生有害的消毒副产物,广大水处理界的人士把目光集中到紫外线消毒法上。

    根据生物效应的不同,将紫外线按照波长划分为四个部分:A波段(UV-A),又称为黑斑效应紫外线,波长范围为400nm~320nm;B波段(UV-B),又称为红斑效应紫外线,波长范围为320nm~275nm;C波段(UV-C),又称为灭菌紫外线,波长范围为275nm~200nm;D波段(UV-D),又称为真空紫外线,波长范围为200nm~10nm。水消毒主要采用的是C波段紫外线,即C波段紫外线会使细菌、病毒、芽孢以及其它病原菌的DNA丧失活性,从而破坏它们的复制和传播疾病的能力。

    大量的研究和实验证明:紫外线对水的消毒灭菌主要是通过紫外线对微生物的辐射,生物体内的核酸吸收了紫外线的光能,损伤和破坏了核酸的功能使微生物致死,从而达到消毒的目的。生命科学揭示了核酸是一切生命体的基本物质和生命基础。核酸是一种生物高分子化合物,是由许多个不同的核苷酸通过磷酸二脂键连接而成。核酸根据组成的不同,分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类,其共同点是由磷酸二酯键按嘌呤与嘧啶碱基配对的原则而连接起来的多核苷酸链。核酸存在于一切生物的细胞内,对生物的新陈代谢、遗传、变异等生命过程起着决定性作用。微生物受到了紫外线辐射,吸收了紫外线的能量,实际是核酸吸收了紫外线的能量。DNA和RNA对紫外线的吸收光谱范围为240nm~280nm,对波长260nm的吸收达到值。紫外线能够改变DNA和RNA中的含氮杂环,以导致形成新的键结分子。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等。二聚体的形成破坏了嘧啶与嘌呤的正常配对,改变了DNA的生物学活性,使微生物自身不能复制,这就是微生物重要的紫外线损伤,也是致死性损伤。大量研究证实,嘧啶二聚体的增加与细菌死亡率有直接的正比关系。

    大多数紫外线装置利用传统的低压紫外灯技术,也有一些大型水厂采用低压高强度紫外灯系统和中压高强度紫外灯系统,由于产生高强度的紫外线可能使灯管数量减少90%以上,从而缩小了占地面积,节约了安装和维修费用,并且使紫外线消毒法对水质较差的出水也适用。

    不论哪一种紫外灯都是基于相同的物理现象,由荧光灯内汞等离子区放电时释放出电磁射线。

    紫外线消毒法具有很多化学法无法替代的优点:在一些产业中例如水产养殖和食品工业等,不需要化学消毒剂的持续性,否则会由于化学药剂的影响造成水生物死亡﹑食品中产生嗅味等副作用,况且氯化消毒会形成三卤甲烷等有害的消毒副产物;在一些生物技术例如发酵中,需要对水进行消毒后接种工艺需要的菌种,这样持续性的消毒效果显然是不需要的;在循环水系统中,经常使用氯消毒会造成腐蚀问题,例如游泳池,还有在石油开采的地下水回灌中,如果采用化学药剂消毒,细菌容易产生抗药性而在土壤中继续繁殖从而堵塞地层,形成二次污染;消毒速度快﹑效率高﹑占地面积小;设备操作简单,便于运行管理和实现自动化等,近年来用于水处理的紫外线消毒设备逐渐得到广泛的应用。经过紫外线消毒的污水可以在很多领域再利用,以实现污水资源化。将其用于灌溉农田、林地和草坪等可避免化学消毒剂对植物的损伤;用于地下水回灌可以防止微生物对化学消毒剂产生适应性而再度繁殖造成的地层堵塞。    

    七、结论

    紫外线水处理中的应用已经有几十年的历史。但是由于其技术复杂,成本昂贵,使其应用受到限制。上世纪70年代,由于水污染的加剧和公众健康意识的提高,迫使人们在传统水处理工艺的基础上采用新的手段,供水水质符合更加安全的饮用水标准。经过近二十年的研究和实践,以紫外线为主组成的复合应用技术,以其良好的处理效果成为给水深度净化技术的。

    (1)紫外光用于城市污水二级处理出水的消毒可以满足目前国内景观及绿化用水要求。

    (2)该技术具有无二次污染的特点,应用前景广阔。

    (3)能耗低、运行费用低;自动化程度高;维护简便。

    (4)在设备选用方面,低压高强度紫外灯的综合技术经济指标优于中压高强度紫外灯。

    随着对紫外线消毒机理的深入研究、紫外线技术的不断发展以及消毒装置在设计上不断完善,紫外线消毒法有望成为代替传统水体消毒的主要方法之一。

标签: 消毒