紫外线消毒在北京第十水厂的应用

紫外线消毒在北京第十水厂的应用

殷波

殷波

（北京建工金源环保发展股份有限公司，北京100101）

摘要：紫外线消毒技术因为其消毒能力强的优势，在国外很多国家得以应用，但是在我国，其应用范围和应用技术还远远不够。其本文简述了紫外线（UV）消毒的原理、消毒特点和了紫外线消毒反应器选型的原则，并概述了紫外线消毒设备在国内外饮用水行业应用情况。通过北京地十水厂项目（规模50万m3/d）案例，介绍了紫外线消毒系统的设备选型参数、设计布局及清洗方式，希望紫外线消毒技术在我国得以广泛应用。

关键词：紫外线消毒；饮用水；设计布局；清洗方式

ApplicationofUvDisinfectionTechnologyintheTenthBeijingWaterworks

YINBo

(BeijingBCEGGoldenSourcesEnvironmentProtectionDevelopmentCo.，LtdBeijing100101)

AbstractThispaperbrieflyintroducestheprincipleoftheultraviolet(UV)disinfection，thecharacteristics，andtheprincipleofthetypeselectionforUVdisinfectionreactor.AnditdemonstratestheapplicationsofUVdisinfectionequipmentindrinkingwaterathomeandabroad.ThroughtheprojectcaseoftheBeijingNo.10waterworks（500000m3/dsize），thispaperalsointroducestheparametersoftheequipmentselection，designlayoutandcleaningmethodforUVdisinfectionsystem.

KeywordsUvdisinfectiondrinkingwaterdesignclaning

前言

消毒是给水处理工艺的重要组成部分，对此《室外给水设计规范》明确规定生活饮用水必须消毒。消毒剂可选择氯胺消毒、氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒以及紫外线消毒，也可利用以上方法进行组合，具体采用哪种方法，应该考虑出水水质要求、原水水质、消毒副产物形成的可能、消毒剂来源、净水处理工艺等情况，然后比较技术经济后进行确定。

就目前而言我国在水处理消毒工艺99.5%的水厂仍以氯消毒为主，即便是发达国家美国使用氯消毒的占有率亦为94.5%。然而自从上世纪70年代后人们发现使用氯消毒会产生的消毒副产物三氯甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）等会导致“三畸”的风险，在业内引起广泛的关注。近年来国内对用臭氧、二氧化氯和氯胺代替氯作为消毒剂也实施了大量探索。试验和具体经验表明，虽然通过上述替代消毒剂形成的消毒副产物比氯消毒少，但是无法避免地会存在各自的消毒副产物：臭氧消毒会形成醛类化合物、溴酸盐等消毒副产物，二氧化氯消毒会形成毒理性非常强的氯酸盐、亚氯酸盐等，氯胺消毒和氯消毒同样会形成高致癌风险的卤乙酸。

因上述几种消毒剂生成的副产物均会不同程度产生对人体侵害，而紫外线的消毒在常规剂量不会对人体毒害，并对有抗氯性的“两虫”（隐孢子虫和贾第鞭毛虫）具有很强的灭活能力，迄今为止，被认为是控制“两虫”最有效的措施。

1紫外线消毒的原理和特点

1.1紫外线消毒的原理

和化学消毒剂不一样，紫外线消毒并不是利用进行电子得失的氧化还原反应，而是利用由紫外光子辐射产生的光化学反应来实施的，紫外线消毒作为一种物理的消毒方式，紫外线消毒是抹杀其繁殖能力实施灭活，而并非是杀死微生物。对于紫外线消毒的原理，其重点是通过紫外光破坏微生物的遗传物质—核酸（DNA或RNA），导致其无法进行分裂和复制。另外，紫外线还能够造成微生物其他结构的摧毁，导致微生物不能在人体内进行繁殖，令其自然死亡，或者通过人体免疫系统被消灭，使人体免遭危害。

对于紫外线而言，其为波长200～400nm的电磁波，并且其具有4个波段，UV-D（100～200nm）也称远紫外线、UV-C（200～280nm）、UV-B（280～315nm）和UV-A（315～400nm）。其中具有杀菌消毒作用的紫外线波段存在于200～300nm，即UVC和UVB之间的部分。一般人们比较重视微生物对于紫外线的吸收频谱，一般认为253.7nm波段中紫外线的消毒能力最佳，且把紫外线消毒技术叫做紫外C消毒，是基于目前生产的紫外灯的最大紫外输出功率在波长为253.7nm处，该波长在世界顶级紫外灯中已占紫外能量的90%，且在最高杀菌消毒效率260nm波段附近。

1.2紫外线消毒的特点

（1）和化学消毒技术相比，紫外线消毒技术拥有更强的杀菌效率。通常紫外线对于病毒、细菌的杀菌效果在一秒以内。而原始的氯气包括臭氧方法，要实现相同的杀菌效果通常需要20分钟到一个小时的时间。

（2）高效杀菌广谱性。在现在的消毒技术中，紫外线消毒技术杀菌的广谱性非常高，它对几乎所有的细菌、病毒都能高效率杀灭，而且对人类，没有危害，对于氯气及臭氧常规浓度内难以有效杀灭的原生动物，诸如隐包子虫、贾第鞭毛虫都可以有效杀灭。

（3）无二次污染。因为没有任何化学药剂加入，所以它对水体以及周围环境不会产生二次污染。不会造成水中任何成分的改变。

（4）安全、可靠的运行。原始的消毒技术，如氯化合物以及臭氧的使用，这些消毒剂都是易燃易爆且剧毒、腐蚀性的物质，使用这些物质都一定要特别注意。紫外线消毒系统作为一种对四周环境包括操作人员都较为可靠、安全的技术。

（5）运行维护简单、费用低。

（6）占地小、土地投资省。

其土建工程投资不到氯消毒的1／6。如果处理水量减少，设备占地体积相应减少。

2紫外线消毒技术在国内外净水行业的应用现状

据报导曾在1993年美国威斯康星州密尔沃基市，全市160万人中有40万人因感染隐孢子虫而患病，4000余人住院，超过50人死亡。在澳大利亚土著社区，5岁以下儿童贾第鞭毛虫感染率高达50%，贾第鞭毛虫能影响幼儿的发育，部分出现体重低和发育不良的现象。自此以后紫外线消毒技术在国外发达国家备受青睐，这些国家对水质标准中对“两虫”的量化均有严格的规定，我国在现行《城市供水水质标准》以及《生活饮用水卫生标准》中也清楚说明了微生物学指标隐孢子虫、贾第鞭毛虫的标准限值为＜1个／10L。迄今，在北美和欧洲，紫外线技术在饮用水消毒中的应用已经存在几十年了。根据统计表明，在欧洲具有2000座以上的给水厂，在北美具有1000座以上的给水厂利用紫外线消毒技术。尤其是近几年，由于除掉消毒副产物（DBPs）和控制抗氯病原体（如隐孢子虫）的要求，在欧洲和北美给水厂中，紫外线消毒技术的使用，尤其是大中型给水厂，其使用率增长迅速。目前国内给水厂大多采用传统的氯消毒方式，由于新标准对水质的要求不断提高，作为一项投资效益高、更加安全的饮用水消毒技术，紫外线消毒技术也正逐步被同行认可并运用到实际工程当中。

3紫外消毒技术在北京第十水厂的应用

3.1净水工艺选择背景

该厂净水总规模为50万m3/d，水源以南水北调的原水为主，密云水库的水源作补给，但南水北调进京的原水经过约1200公里明渠及北京段长度约80km暗涵长距离输送到团城湖，途经700多座村庄和横跨各种大小桥梁，有可能遭到污染，甚至是突发水污染，水质情况具有很大不确定性。鉴于，原水微污染的发展趋势和南水北调过程中生物迁移带来的生物安全性隐患，本项目净水工艺总流程的选择重点侧重于预处理、强化常规处理、深度处理和安全消毒几个方面，工艺流程图见图1。

图1水处理工艺流程

3.2水厂紫外消毒工艺的设计

3.2.1消毒灯管选择原则

目前能够大规模应用于水处理工程中的紫外灯主要包括低压汞灯，低压高强汞灯和中压汞灯三种。低压和低压高强汞灯发射的是单一波段的波谱（253.7nm），中压汞灯发射多波段波谱。低压汞灯具有较少的能耗，但是灯管的数量较多、设备较为庞大、所占面积较大、维护量相对较大；中压汞灯单根灯管的功率较高，所以单根灯管的消毒能力更加强，其系统更加节约占地面积，可是其光电转化效率相对比较低，并且灯管的使用寿命相对非常短，所以单位水处理成本更高。本设计综合考虑紫外消毒间占地、消毒要求、消毒效果、管理方便等多方面因素，紫外消毒器选择了中压高强紫外灯。

3.2.2紫外消毒系统设计参数选定

（1）紫外线剂量和穿透率（UVT）

紫外线的杀菌作用强度由紫外线的辐射强度和照射时间的乘积来决定，即辐照剂量，单位是mJ／cm2。现行的《城市给排水紫外线消毒设备》标准（GB／T19837-2005）规定：城镇生活饮用水的技术标准为40mJ／cm2。

（2）水体紫外透光率（UVT）

为了确保安全消毒，通常紫外线的穿透率下限按90%实施设计。以后具体实施过程中，能够按照具体检测的滤后水UVT值合理进行消毒器输出功率的调低，保持实际UV剂量40mJ／cm2的目标值，另外针对检测出厂水的微生物学指标而言，目前具有新国标规定，可以达到节能的效果。

（3）紫外线消毒设备第三方认证

针对供货商所供给的整套紫外线消毒设备，一定要提供德国DVGW或者美国环保署生物验定剂量的报告认证，并且还有全部流量范围内的性能、生物验定曲线、紫外线剂量、紫外透光率值等。还应该提供紫外线消毒设备的水头损失、结垢系数、老化系数的认证报告。

图2紫外系统设计平面图

3.2.3紫外消毒间工艺管道及建筑设计

紫外消毒间为半地下式建筑。分成地上一层和地下一层，共两层。紫外消毒间上层地面标高为29.700m，为口字型布置。上层四周设走道板并设置栏杆，方便检修人员巡视，同时将紫外反应器电控柜置于该层平台。紫外消毒间底层标高为22.400m，在紫外反应器需要检修或更换紫外灯管时，可通过紫外设备间北侧的楼梯下至底层平台进行操作。

该系统选用6台紫外反应器，单台处理峰值流量为10万m3/d，总规模可达60万m3/d.由两根DN2200的总干管自活性炭吸附池出水渠接入，在紫外消毒间内分成两组管道，每组管道分别并联3根DN800管道，共计6根DN800的管道。来水经紫外消毒后，出水同进水相一致，每3根DN800管道并联接至一根DN2200出水管，送至清水池。为便于紫外反应器安装、检修和维护，紫外设备间设电动单梁悬挂式起重机1台，并在每台紫外反应器前后均设置DN800一台电动蝶阀和一台双法兰限位接头。

为了为保证水的流态稳定，确保消毒效果，本工程设计时反应器上、下游直管段长度分别取﹥5D和﹥3D（D为管道公称直径）。为方便紫外灯管在线取出，相邻反应器外壁的净距﹥2D。该水厂紫外消毒系统设计平剖面图见图2和图3。

图3紫外系统设计剖面图

4紫外反应器的组成及清洗

紫外消毒反应器主要包括：密闭型消毒腔体（材质为SS316L）、紫外灯、石英套管、镇流器、配电控制系统、紫外线强度传感器及套管清洗系统。

紫外消毒系统在运一段时间后，灯管的石英套管表面会结垢，降低灯管紫外线穿透率，因此需要对石英套管的表面污垢进行清除，恢复表面清洁和紫外透光性以保证紫外设备的消毒效果。一般在UV强度因表面结垢下降达20%时进行清洗。本工程采用全自动机械加化学在线清洗方式，清洗频率可在1次／h到1次／500h问调节，采用NSF认证的食品级清洗凝胶，实现了零污染清洗。

5结语

饮用水紫外线消毒优势明显，很有发展前景，但因其不具有持续消毒能力，得辅以氯消毒来维持饮用水卫生和安全性。如何将紫外线设备和氯协同作用，既能最大程度的灭活水中微生物尤其是“两虫”而消毒副产物最少，以求消毒效果最佳，运行和维护费用最低，还需进一步在实践中探索和研究，从而为我国饮用水紫外线消毒应用提供示范和借鉴作用。

参考文献：

[1]GB/T50013-2006室外给水设计规范[S]

[2]朱晓辉，郄燕秋，刘文君．新《生活饮用水标准》揭示了饮用水安全消毒的必要性[J]．给水排水，2008（11）