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城市污水再生水回用紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用效果

1.1.1 水資源概況

水資源是人類生活的zui關(guān)鍵資源，可是如今，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，水體污染嚴(yán)重，水資源的保護(hù)和水污染的治理成為現(xiàn)代社會zui關(guān)注的問題。

中國是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家。淡水資源總量為28000億立方米，占水資源的6％，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居*四位，但人均只有2200立方米，僅為世界平均水平的1／4、美國的1／5，是13個人均水資源zui貧乏的國家之一?？鄢y以利用的洪水涇流和散布在偏遠(yuǎn)地區(qū)的地下水資源后，我國現(xiàn)實(shí)可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億立方米左右，人均可利用水資源量約為900立方米，并且其分布極不均衡。到20世紀(jì)末，全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題，其中比較嚴(yán)重的缺水城市達(dá)110個，全國城市缺水總量為60億立方米。

    我國江河流域普遍遭到污染，且成發(fā)展趨勢。據(jù)國家環(huán)?？偩?jǐn)?shù)據(jù)顯示，七大水系劣V類水所占比例為27.9%，比2003年下降了1.8個百分點(diǎn),但這并不意味著水污染得到了有效控制,七大水系I-V類水質(zhì)類別比例分別為4.6%，20.9%，16.3%，21.6%，8.7%。

2 水資源匱乏的北方河流比水資源豐沛的南方河流污染嚴(yán)重，七大水系按水污染嚴(yán)重程度排序，劣V類水質(zhì)比例zui高者為海河的56.7%，其后是遼河的37.9%、淮河的32.6%、黃河的29.5%、松花江的24.4%、長江的9.6%和珠江的6.1%。

1.1.2 污水再生回用概況

    1.1 國外的污水回用現(xiàn)狀 美國再生水利用的范圍涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、地下水回灌和娛樂等方面，其比例大致為62％用于各種灌溉和景觀，31.5％用于工業(yè)， 5％用于地下回灌，1.5％用于娛樂、漁業(yè)等。美國回用水利用模式的突出特點(diǎn)是集中處理回用，很少直接用于城市生活雜用。這大概與美國市政管網(wǎng)和污水處理廠普及、生活用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格有關(guān)。再生水利用工程主要分布于水資源短缺、地下水嚴(yán)重超采的西南部和中南部的加利福尼亞、亞利桑那、德克薩斯和佛羅里達(dá)等州。

    1.2國內(nèi)的污水回用現(xiàn)狀 長期以來，我國城市污水回用一直進(jìn)展緩慢，主要原因是水 價過低和體制問題。另外， 由于水資源危機(jī)感和節(jié)水意識不強(qiáng)，認(rèn)為水取之不盡、用之不竭的觀念還根深蒂固，同時，污水回用方面的科技投入相對不足，政策也不夠*，導(dǎo)致全國大型污水回用項(xiàng)目數(shù)量不多，且回用率不高，與發(fā)達(dá)國家相比有明顯的差 距。這些問題也造成了大多數(shù)污水處理廠在選址、 規(guī)模上未考慮回用的要求，給日后污水回用在管線布置、回用水量平衡等方面帶來了困難，城市污水回用工作的有效開展受到了很大的限制。

    根據(jù)北京市政府在《2008年奧運(yùn)會申辦報告》中的承諾，北京市2008年城市污水處理率達(dá)到90%以上，污水再生回用率達(dá)到50%，到時將有更多更廣的領(lǐng)域使用再生水，而目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。因此，研究、節(jié)能、安全、實(shí)用的再生水處理和再生水消毒技術(shù)是我國科技工作者面臨的迫切任務(wù)。

1.1.3再生水消毒技術(shù)簡介

    《建筑中水設(shè)計規(guī)范》（GB 50336-2002）中規(guī)定“中水處理必須設(shè)有消毒設(shè)施”。給水和污水消毒技術(shù)在理論上均可應(yīng)用于再生水消毒。但由于水質(zhì)情況不同，在技術(shù)要求上也有所不同。消毒技術(shù)有很多種：氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外線消毒等。

1、傳統(tǒng)的氯（Cl2）消毒技術(shù)須優(yōu)化

    20世紀(jì)70年代起，氯消毒在飲用水處理中遇到了三方面的問題。首先是飲用水中不斷發(fā)現(xiàn)新的病原微生物，其中有一些如隱孢子蟲不能被氯殺死。其次，很多研究表明，如果水中含有足夠多的可降解有機(jī)物，即使維持足夠的余氯，細(xì)菌仍會在給水管網(wǎng)內(nèi)再繁殖。只有減少水中的有機(jī)營養(yǎng)物，才能抑制細(xì)菌的生長。zui嚴(yán)重的還是消毒副產(chǎn)物問題。1974年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氯消毒時，氯與水中殘余的有機(jī)物發(fā)生化學(xué)作用，生成三氯甲烷、溴仿、溴二氯甲烷和氯二溴甲烷等一系列有害的“消毒副產(chǎn)物”。為了控制消毒副產(chǎn)物，各國都制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

    飲用水是否應(yīng)放棄氯消毒？事實(shí)證明目前還不能放棄。1991年底，秘魯出現(xiàn)了絕跡多年的霍亂病例，造成大面積的疫情，甚至還蔓延到鄰近國家。公共衛(wèi)生專家把原因歸咎為出于害怕氯消毒的副產(chǎn)物致癌而放棄了對飲用水進(jìn)行消毒。英國近50年間發(fā)生過10次飲水造成的疫情，其中有8次是加氯消毒不良所致。因此在考慮飲用水的安全性時，首先需要考慮的是確保消除微生物對人體健康的影響，然后才是考慮減小消毒副產(chǎn)物對人體的危害。

優(yōu)化的氯消毒技術(shù)不斷被研究開發(fā)，主要的優(yōu)化方式包括：（1）將氯胺投加到出廠水中；（2）低氯預(yù)處理，即在滿足控制微生物生長的前提下，盡量減少預(yù)氯化的投氯量或取消預(yù)氯化；（3）用預(yù)處理氧化劑如二氧化氯等處理源水，進(jìn)行初級消毒和氧化，過濾后再用氯消毒。通過這種處理，THM前體物被二氧化氯氧化；（4）設(shè)置新的投氯點(diǎn)；（5）使游離氯的接觸時間從原來數(shù)小時或數(shù)十小時縮短到1小時以內(nèi)甚至10分鐘。同時，新型的消毒技術(shù)日益受到青睞，主要包括臭氧、二氧化氯和紫外線及相關(guān)組合技術(shù)等。

2、臭氧（O3）消毒技術(shù)應(yīng)用增多

    臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，其氧化能力僅次于氟，能氧化分解水中多種有機(jī)物，在低濃度下可瞬時完成氧化反應(yīng)，而且其溶解度大，殺菌速度為氯的600～3000倍，是目前加藥消毒法中zui有效的消毒劑，能同時控制水中鐵、錳、色、味、嗅，無三鹵甲烷、鹵乙酸類消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生，但有產(chǎn)生溴酸鹽等副產(chǎn)物的可能。臭氧是通過直接氧化和產(chǎn)生自由基的間接氧化來破壞微生物的結(jié)構(gòu)，達(dá)到消毒的目的。一般維持剩余臭氧濃度為0.4mg/L，接觸時間為15min，可得到良好的消毒效果。近20年來，由于臭氧制備技術(shù)的發(fā)展，成本降低，特別是發(fā)現(xiàn)氯消毒存在的問題后，臭氧的消毒應(yīng)用增多，在歐洲使用zui多。臭氧消毒的缺點(diǎn)是難聞的未溶解到水中的臭氧揮發(fā)到空氣中有害于工作人員的健康。

3、二氧化氯（ClO2）消毒技術(shù)方興未艾

    二氧比氯的殺菌速度快，消毒能力超過氯但是次于臭氧，可殺死隱孢子蟲，具有廣譜性的消毒效果，有剩余消毒效果但無氯味。二氧化氯的消毒機(jī)理主要是氧化細(xì)胞內(nèi)酶系統(tǒng)和生物大分子，殺滅細(xì)菌、病毒，且不對動植物產(chǎn)生損傷，殺菌作用持續(xù)時間長，受pH影響小，可除臭、去色。經(jīng)二氧比氯氧化的有機(jī)物多降解為含氧基團(tuán)（羧酸）為主的產(chǎn)物，無氯代產(chǎn)物出現(xiàn)。美國EPA推薦它是一種強(qiáng)有力的潛在替代氯消毒的氧化型消毒劑，以控制自來水中的三氯甲烷。二氧化氯用于污水廠的出水，產(chǎn)生的副產(chǎn)物量不到氯消毒產(chǎn)生的10%。因此20世紀(jì)80年代后二氧化氯消毒應(yīng)用迅速增長。

    二氧化氯性質(zhì)不穩(wěn)定，只能采用二氧化氯發(fā)生器現(xiàn)場制備。二氧化氯同氯氣混合使用時，具有協(xié)同消毒作用，二氧化氯較氯氣活潑，優(yōu)先于氯氣與有機(jī)物發(fā)生氧化分解反應(yīng)，可有效抑制處理后水中三鹵甲烷等氯化致癌物的生成。用于回用水消毒時，消毒劑投加點(diǎn)一般在濾后，有效氯投加量一般為1.5～3mg/L。二氧化氯現(xiàn)場制備，投加方便，避免了運(yùn)輸儲存一系列問題及安全隱患，且成本較臭氧成本低，它是我國中小水廠替代液氯、次氯酸鈉及漂白分等的較好消毒方式。

4、紫外線（UV）消毒技術(shù)異軍突起

    紫外線消毒實(shí)質(zhì)是光化學(xué)反應(yīng)，細(xì)胞的遺傳物質(zhì)核酸（RNA或DNA）吸收紫外線能量，在光致二聚作用下化學(xué)鍵和鏈斷裂，破壞了核酸的正常功能，引起微生物死亡，達(dá)到消毒的目的，其反應(yīng)速率不受溫度和pH的影響。當(dāng)紫外強(qiáng)度為3×104 μW/cm2時，紫外線殺滅病毒及細(xì)菌約需0.1～1s的接觸時間、殺滅霉菌孢子需1～8s、殺滅藻類需5～40s，而氯消毒則需30～60min的接觸時間，臭氧消毒需15～30min?，F(xiàn)代的紫外線消毒裝置可以很容易達(dá)到（3～30）×104 μW/cm2的光強(qiáng)度，因此常見細(xì)菌、病毒、霉菌、藻類、孢子甚至原生動物都可以迅速被有效殺滅。根據(jù)目前的文獻(xiàn)報道，還沒有發(fā)現(xiàn)紫外線（特別是在253.7 nm附近）在消毒過程中會產(chǎn)生足夠量的對人體有害的物質(zhì)。水的色度、濁度和SS等影響紫外線的吸收，從而影響消毒效果。

    在目前所有的消毒技術(shù)中，紫外線殺菌的廣譜性是zui高的，并且對一些對人類危害極大的，而氯氣以至臭氧無法或不能有效殺滅的寄生蟲類如隱性包囊蟲和賈第鞭毛蟲等都能有效殺滅，且沒有消毒副產(chǎn)物，也不增加損害管網(wǎng)水生物穩(wěn)定性的副產(chǎn)物，同時由于關(guān)鍵技術(shù)的突破，紫外線消毒系統(tǒng)的可靠性大大提高，設(shè)備使用壽命長，能耗降低，運(yùn)行費(fèi)用大為下降，因此20世紀(jì)90年代紫外線消毒技術(shù)在發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)用。歐洲許多國家以及北美的加拿大和美國已分別修改了環(huán)境立法，在廢水處理后的消毒，以及飲用水的消毒上，推薦采用紫外線消毒技術(shù)。

5、消毒技術(shù)的發(fā)展趨勢

    消毒是水處理的重要環(huán)節(jié)，各種消毒技術(shù)各有特點(diǎn)。從效果比較，氯對部分細(xì)菌、病毒不能殺滅，臭氧的殺菌效果比氯好，但是化學(xué)消毒因受濃度控制而無法在水中提供可能的大劑量，故對孢子、藻類以及各種原生動物的殺滅效果較差。在二氧化氯、氯和臭氧三種消毒劑中，綜合考慮有效性和穩(wěn)定性，可認(rèn)為二氧化氯的消毒效果。紫外線消毒技術(shù)對采用化學(xué)消毒難以殺滅的病原體能在幾秒或幾十秒內(nèi)殺滅，但是沒有余氯，缺乏持久的消毒能力。

氯和臭氧本身就是高危物質(zhì)，使用中安全隱患較多。采用紫外線消毒工藝與加氯消毒工程投資相差不多，處理速度快，占地小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用約為氯消毒方式的2/3，總體經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)于氯消毒系統(tǒng)，將是今后數(shù)年zui有前途的消毒技術(shù)。

1.1.4紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用再生水/中水回用消毒

    紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用再生水消毒，是在充分利用紫外線消毒技術(shù)的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，為解決氯消毒引起的水質(zhì)安全問題，提供更安全衛(wèi)生的再生水。

    紫外線消毒是解決氯消毒法中氯在水中積累、管道腐蝕等問題的有效技術(shù)手段。以往紫外線消毒主要在醫(yī)院等場所進(jìn)行室內(nèi)消毒使用，經(jīng)過上網(wǎng)檢索，在水處理消毒方面尤其是再生水消毒方面的研究報道甚少。

1.1.4.1紫外線消毒可行性

    CODcr對消毒效果的影響

    CODcr即化學(xué)需氧量，是指用強(qiáng)氧化劑重鉻酸鉀使被測廢水中有機(jī)物進(jìn)行氧化時所消耗的氧量。

    水中的有機(jī)物會吸收紫外光，從而使得照射到微生物的紫外線劑量減少，會影響消毒效果。水中的CODcr對水體的細(xì)菌滅菌率有一定的影響，CODcr越高的水體的細(xì)菌滅菌率就越低，但對于CODcr低于30mg/L的水體，CODcr對細(xì)菌滅菌率的影響很小。

1.1.4.2紫外線對水中有機(jī)物的微量降解 

    在飲用水中，紫外線可以用來降解水中微量的有機(jī)物。紫外線通過裂解有機(jī)物的碳鍵而使其降解。例如，紫外線用來去除水中微量的苯，由于苯對230~270nm的紫外線有較強(qiáng)的吸收能力，在紫外線的作用下，苯可以異構(gòu)化或與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到去除水中微量苯的目的。因此紫外線不僅具有殺菌消毒的功能，還可以降解微量的有機(jī)物。

    總有機(jī)碳（TOC），是以碳的含量表示水體中有機(jī)物質(zhì)總量的綜合指標(biāo)。由于DOC測定采用燃燒法，因此能將有機(jī)物全部氧化，它比BOD或COD更能直接表示有機(jī)物的總量。因此常常被用來評價數(shù)控體中有機(jī)物污染的程度。