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城市污水再生水回用紫外線(xiàn)消毒技術(shù)應(yīng)用效果

1.1.1 水資源概況

水資源是人類(lèi)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(huì)zui關(guān)注的問(wèn)題。

中國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)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(guó)的1／5，是13個(gè)人均水資源zui貧乏的國(guó)家之一。扣除難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(guó)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(guó)600多座城市中，已有400多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中比較嚴(yán)重的缺水城市達(dá)110個(gè)，全國(guó)城市缺水總量為60億立方米。

    我國(guó)江河流域普遍遭到污染，且成發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩?jǐn)?shù)據(jù)顯示，七大水系劣V類(lèi)水所占比例為27.9%，比2003年下降了1.8個(gè)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(lèi)水質(zhì)類(lèi)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(lèi)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(zhǎng)江的9.6%和珠江的6.1%。

1.1.2 污水再生回用概況

    1.1 國(guó)外的污水回用現(xiàn)狀 美國(guó)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(lè)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(lè)、漁業(yè)等。美國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)的污水回用現(xiàn)狀 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)城市污水回用一直進(jìn)展緩慢，主要原因是水 價(jià)過(guò)低和體制問(wèn)題。另外， 由于水資源危機(jī)感和節(jié)水意識(shí)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(shí)，污水回用方面的科技投入相對(duì)不足，政策也不夠*，導(dǎo)致全國(guó)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(guó)家相比有明顯的差 距。這些問(wèn)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(xiàn)布置、回用水量平衡等方面帶來(lái)了困難，城市污水回用工作的有效開(kāi)展受到了很大的限制。

    根據(jù)北京市政府在《2008年奧運(yùn)會(huì)申辦報(bào)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(shí)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(guó)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(jiǎn)介

    《建筑中水設(shè)計(jì)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(xiàn)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(wèn)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(chóng)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(huì)在給水管網(wǎng)內(nèi)再繁殖。只有減少水中的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，才能抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。zui嚴(yán)重的還是消毒副產(chǎn)物問(wèn)題。1974年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氯消毒時(shí)，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(guó)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(guó)家。公共衛(wèi)生專(zhuān)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(duì)飲用水進(jìn)行消毒。英國(guó)近50年間發(fā)生過(guò)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(shí)，首先需要考慮的是確保消除微生物對(duì)人體健康的影響，然后才是考慮減小消毒副產(chǎn)物對(duì)人體的危害。

優(yōu)化的氯消毒技術(shù)不斷被研究開(kāi)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(mǎn)足控制微生物生長(zhǎng)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(jí)消毒和氧化，過(guò)濾后再用氯消毒。通過(guò)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(shí)間從原來(lái)數(shù)小時(shí)或數(shù)十小時(shí)縮短到1小時(shí)以?xún)?nèi)甚至10分鐘。同時(shí)，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(xiàn)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(shí)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(shí)控制水中鐵、錳、色、味、嗅，無(wú)三鹵甲烷、鹵乙酸類(lèi)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(guò)直接氧化和產(chǎn)生自由基的間接氧化來(lái)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(shí)間為15min，可得到良好的消毒效果。近20年來(lái)，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(wèn)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(guò)氯但是次于臭氧，可殺死隱孢子蟲(chóng)，具有廣譜性的消毒效果，有剩余消毒效果但無(wú)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(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生損傷，殺菌作用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(wú)氯代產(chǎn)物出現(xiàn)。美國(guó)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(lái)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(zhǎng)。

    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(chǎng)制備。二氧化氯同氯氣混合使用時(shí)，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(shí)，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(chǎng)制備，投加方便，避免了運(yùn)輸儲(chǔ)存一系列問(wèn)題及安全隱患，且成本較臭氧成本低，它是我國(guó)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(xiàn)（UV）消毒技術(shù)異軍突起

    紫外線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，紫外線(xiàn)殺滅病毒及細(xì)菌約需0.1～1s的接觸時(shí)間、殺滅霉菌孢子需1～8s、殺滅藻類(lèi)需5～40s，而氯消毒則需30～60min的接觸時(shí)間，臭氧消毒需15～30min?，F(xiàn)代的紫外線(xiàn)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(jiàn)細(xì)菌、病毒、霉菌、藻類(lèi)、孢子甚至原生動(dòng)物都可以迅速被有效殺滅。根據(jù)目前的文獻(xiàn)報(bào)道，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)紫外線(xiàn)（特別是在253.7 nm附近）在消毒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生足夠量的對(duì)人體有害的物質(zhì)。水的色度、濁度和SS等影響紫外線(xiàn)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(xiàn)殺菌的廣譜性是zui高的，并且對(duì)一些對(duì)人類(lèi)危害極大的，而氯氣以至臭氧無(wú)法或不能有效殺滅的寄生蟲(chóng)類(lèi)如隱性包囊蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)等都能有效殺滅，且沒(méi)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(shí)由于關(guān)鍵技術(shù)的突破，紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)的可靠性大大提高，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，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(xiàn)消毒技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。歐洲許多國(guó)家以及北美的加拿大和美國(guó)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(xiàn)消毒技術(shù)。

5、消毒技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

    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(duì)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(wú)法在水中提供可能的大劑量，故對(duì)孢子、藻類(lèi)以及各種原生動(dòng)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(xiàn)消毒技術(shù)對(duì)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(méi)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(xiàn)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(xiàn)消毒技術(shù)應(yīng)用再生水/中水回用消毒

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

    紫外線(xiàn)消毒是解決氯消毒法中氯在水中積累、管道腐蝕等問(wèn)題的有效技術(shù)手段。以往紫外線(xiàn)消毒主要在醫(yī)院等場(chǎng)所進(jìn)行室內(nèi)消毒使用，經(jīng)過(guò)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(bào)道甚少。

1.1.4.1紫外線(xiàn)消毒可行性

    CODcr對(duì)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(cè)廢水中有機(jī)物進(jìn)行氧化時(shí)所消耗的氧量。

    水中的有機(jī)物會(huì)吸收紫外光，從而使得照射到微生物的紫外線(xiàn)劑量減少，會(huì)影響消毒效果。水中的CODcr對(duì)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(duì)于CODcr低于30mg/L的水體，CODcr對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響很小。

1.1.4.2紫外線(xiàn)對(duì)水中有機(jī)物的微量降解 

    在飲用水中，紫外線(xiàn)可以用來(lái)降解水中微量的有機(jī)物。紫外線(xiàn)通過(guò)裂解有機(jī)物的碳鍵而使其降解。例如，紫外線(xiàn)用來(lái)去除水中微量的苯，由于苯對(duì)230~270nm的紫外線(xiàn)有較強(qiáng)的吸收能力，在紫外線(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(lái)評(píng)價(jià)數(shù)控體中有機(jī)物污染的程度。