紫外线消毒应用于污水处理的经济技术分析
消毒是污水处理厂处理工艺的最后一个环节。国内外普遍采用的出水消毒技术有氯消毒（如次氯酸盐、氯气等），二氧化氯消毒等化学消毒方法。从工艺的经济性、运行管理的难易、消毒可靠性等方面，许多工艺都有其缺陷之处。当代科学技术证明，虽然氯气和次氯酸盐等消毒技术的成本都很低，这些处理工艺对人体健康和环境产生了危害。在水处理中使用这些化学消毒剂会在一定程度上形成有害的消毒副 产物，特别是水中的余氯会严重影响水生生物的生长繁殖。因此，人们在努力寻找能有效灭活水中有害微生物的物理消毒方法。在目前尚无更经济实用的方法推出前，许多污水厂出水都没有正常的消毒。随着研究的不断深入，紫外线消毒对水中细菌和病毒去除效果逐渐得到水处理界和广大用户的公认。世界上已经安装运行的大型污水处理厂紫外线消毒装置有4000多套，其中最大的是新西兰曼努高污水处理厂紫外线消毒装置，日处理能力为121万吨。其简单的工作原理和优良的性价比，体现了紫外线消毒工艺强劲的发展势头。
1与液氯、二氧化氯消毒的经济技术比较
1.1与液氯消毒的技术经济比较
氯与水反应时生成次氯酸(HOCl)和盐酸(HCl)。次氯酸是体积很小的中性分子，具有较强的渗透力，可以扩散到带有负电荷的细菌表面，穿透细胞壁进入细菌内部，破坏其酶系统，致细菌死亡。对病毒而言，氯主要是对核酸破坏的致死性作用。氯化法消毒应用最广，这是因为氯消毒历史较长，经验较多；处理水量较大时，单位水体的处理费用较低。但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。
以30×104m3/d城市污水处理厂为例，液氯与紫外线消毒经济指标如表1。电价按0.49元/Kwh ,灯管使用寿命为12000h/支。
表1 紫外线消毒与液氯消毒的技术经济比较
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项目 |
液氯消毒 |
紫外线消毒 |
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550万元 |
700万元 |
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其中 |
设备 |
200万元 |
685万元 |
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土建及安装 |
350万元 |
15万元 |
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2.运行及维护费用 |
0.025元/m3 |
0.018元/m3 |
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其中：电费 |
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0.0098元/m3 |
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灯管更换及维护费 |
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0.0086元/m3 |
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药剂费 |
0.022元/m3 |
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人工费 |
0.003元/m3 |
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3.年运行费用 |
274万元 |
197万元 |
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从表1可以看出：
（1）紫外线消毒的一次性投资要高出液氯消毒约150万元人民币，但液氯的年运行费用要高出紫外线消毒法77万元；
（2）经过2年运行之后，紫外线消毒与液氯消毒的一次投资与运行费用之和基本持平，之后每年紫外线消毒要比液氯消毒节约77万元；
（3）环境与社会效益上，液氯消毒产生的三致物质将对水环境和人体健康产生不良影响。
1.2与二氧化氯消毒的技术经济比较
二氧化氯是广谱型消毒剂，其氧化能力是氯的25倍。对水中的病原微生物包括病毒、芽孢、真菌、致病菌及肉毒杆菌均有很高的灭活效果，有剩余消毒能力。二氧化氯在控制THMs的形成和减少总有机卤方面，与氯相比具有优越性。二氧化氯去除水中的色度、嗅、味的能力也较强。
制备二氧化氯的起始原料有氯酸钠或亚氯酸钠，一般都由亚氯酸钠与氯反应制备。因亚氯酸钠不能贮存，必须现场制取及时使用，且亚氯酸钠价格昂贵，成本较高，且仅有20%二氧化氯在消毒过程中有效。当反应不完全时，自由性氯同样会与有机物反应，可能生成THMs。二氧化氯发生器规模较小，如何运用于加氯量较大的污水处理厂成为一个问题。
以3×104m3/d污水处理厂为例，二氧化氯与紫外线消毒经济指标如表2。电价按0.49元/Kwh ,灯管使用寿命为12000h/支。
表2 紫外线消毒与二氧化氯消毒的技术经济比较
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项目 |
二氧化氯（复合）消毒 |
二氧化氯（纯）消毒 |
紫外线消毒 |
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1.总投资 |
172万元 |
172万元 |
212.5万元 |
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其中 |
设备 |
30万元 |
30万元 |
210万元 |
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土建及安装 |
142万元 |
142万元 |
2.5万元 |
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2.运行及维护费用 |
0.103元/m3 |
0.063元/m3 |
0.018元/m3 |
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其中：电费 |
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0.0098元/m3 |
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灯管更换及维护费 |
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0.0086元/m3 |
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药剂费 |
0.10元/m3 |
0.06元/m3 |
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人工费 |
0.003元/m3 |
0.003元/m3 |
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3.年运行费用 |
112.8万元 |
68.89万元 |
19.7万元 |
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从表2可以看出：
（1）紫外线消毒的一次性投资要高出二氧化氯消毒约40.5万元人民币，但二氧化氯（复合）的年运行费用要高出紫外线消毒法49.2万元，二氧化氯（纯）要高出紫外线消毒法93.1万元；
（2）经过不到1年运行之后，紫外线消毒与二氧化氯消毒的一次投资与运行费用之和基本持平，之后每年紫外线消毒要比二氧化氯消毒节约49.2(或93.1)万元。
2工程设计应用
2.1消毒反应器的选用
紫外线消毒器按水流边界的不同分为敞开式和封闭式。在敞开式紫外线消毒器中，被消毒的水在重力作用下经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，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。
在开放式水渠中，系统设计上要采用模块式反应器，例如12只360W的灯管固定在一个灯架上，作为一个模块，易于安装。可以非常灵活地满足不同的水质情况（如初级、二级、三级处理后的污水）、不同的水量要求。
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。该方式虽简单，但能量浪费大，灭菌效果差，实际中很少应用。
2.2配套产品的选用
任何紫外光系统的成功运行都取决于维护的频率和修理的简易程度。通过先进技术、优质生产，可以简化维修的要求。选用长寿命的紫外光灯管、可靠耐用的电子镇流器、优质灯架和有效的自动清洗技术，体现出省时、省钱、节能和维护简易的理想特征。
(1)灯管和镇流器的选用。任何紫外光系统的设计都是从选择优良的灯管技术开始的。灯管和镇流器都十分重要。灯管和镇流器的结合以及采用的控制原理将决定紫外光系统的性能、运行成本及稳定性。由于紫外光灯必须在水中才能杀菌，因此整个紫外光系统的运行也取决于水中自动清洗系统的有效性和可靠性。系统的核心部分是紫外光灯。一般采用高强低压汞灯，这种灯管的耗能最经济而紫外光输出量可以达到最大。在耗电相同的情况下，好的紫外光灯发出的紫外光能是普通低压水银灯的四至五倍。这样就可以用更少的灯管，从而减少了设计运行费用，节省了运行维护费用，降低了安装成本。
选用可变输出式电子镇流器，即镇流器可以根据流量和水质的变化调节光能输出。以保证整个系统运行的可靠性最大化。
(2)自动清洗系统。一般采用易于维修不含化学剂的自动清洗系统。清洗环进行有效的特别设计，采取不间断操作方式，以防止石英管结垢，不影响消毒过程，保证紫外光能量最大限度地放射到水里，发挥杀菌消毒的作用。清洗频率根据污水特点自动调节。做到处于备用状态的灯管，也能保持清洁，随时可投入运行。使用气动和无扭力矩阵方式运行，即使在完全没有化学清洁剂的情况下也可以完全清洗灯管。
(3)选用自动化的剂量调节、监测及控制系统
紫外光系统中微生物失活的程度取决于该微生物吸收到的紫外光剂量：紫外光的强度主要取决于以下三点：紫外光有效输出功率、石英套管的洁净程度、污水水质的透光率。
在紫外光灯模块组中设计安装紫外线感应器（探头），根据监测紫外光强度数据和污水流量（决定曝光时间）自动运行。
为保证对紫外光强度的监测，采用可校验自动清洗紫外光强度感应器，具有紫外光波长选择性，并且具备操作稳定，使用寿命长的基本要求。
采用适时剂量调控的紫外线系统。这种技术以紫外光强度为基础，可对放射到微生物组织的紫外光剂量进行不间断监测和控制。它自动控制调节光强度，补偿因水质变化、灯管老化、灯管洁净度而受影响的光强度。
3结论
为有效地保护江河湖海的水源，最终保护人类的健康，城市污水处理后必须经消毒后才能排放到水体中。紫外线消毒技术应用于污水处理厂出水处理，具有其它消毒剂不可替代的许多优点。通过与液氯、二氧化氯的对比分析，虽然紫外线消毒一次性投资略高，但年运行费用低，在经济技术上可行。在工程应用上应针对设计对象进行紫外线消毒系统的高集成度和模块化设计，结构简单，实现全自动运转，并采用高寿命的元件，以使维护和管理的工作量大大降低。
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