浅述紫外线消毒系统的类型与发展

文章介绍了紫外线消毒技术的发展，消毒设备的类型及特点，着重对明渠式紫外线消毒系统的灯管排布形式、灯管类型及其运行维护进行了系统介绍，并对紫外污水消毒的应用前景有所展望。

1、紫外线消毒型式的发展

20世纪80年代初，紫外线污水消毒技术在美*环保局（EPA）的创新和取代技术资金项目支持下，在美*的城市水处理中开始得到应用。但早期的紫外线消毒系统全为封闭管道式（见图1）污水容易污染设备，维护麻烦，灯管清洗更换时需要停机，故需要备用设备，还需要泵、管道、阀门等配套设备，成本很高，不适合大规模应用，使得紫外线消毒技术在城市水处理中难以有效推广。

1982年加拿大特洁安（Trojan）技术公司开发了世界上第一套明渠式安装的紫外线消毒系统UV2000，并引进了模块化紫外线消毒系统概念，即系统可由若干独立的紫外灯模块组成（见图2）且水流靠重力流动，不需要泵、管道以及阀门等配套设备。系统维护可对单个模块进行，紫外灯模块可轻易地从明渠中直接取出进行维护，维护时系统无需停机，因而无需备用设备，从而使得系统维护简单方便，大大降低了紫外污水消毒的成本。同时，当水处理厂在扩建或改造时，只需适当增加紫外灯模块的数量，而无需添购整套系统。

目前在世界各地已经有3000多家城市水处理厂安装使用了紫外线污水消毒系统，在北美地区经过20多年的发展，已成为成熟、可靠、实用的消毒处理技术。

2、紫外线消毒装置的发展

（1）紫外线灯管。 早期是适用于小规模水消毒处理的常规低压紫外灯；20世纪90年代中期出现了所有灯管类型中紫外线发射能量*强的中压紫外灯，使大规模水处理应用紫外设备成为可能；90年代末又出现了低压高强紫外灯，可作为常规低压紫外灯和中压灯消毒技术应用的过渡或备选，为水处理厂提供适合各种情况的*佳消毒方案，低压灯管使用寿命也从早期的1000h-3000h提高到8000h-12000h左右。

（2）清洗方式。 接触式消毒装置无法避免灯管的结垢，需频繁的清洗。*早采用人工清洗液化学清洗的方式，工人劳动强度非常大；随后发明了机械清洗方式，减轻了清洗工作量，90年代中期发明的高效机械化学式灯管自动清洗装置，完全取代了人工清洗液化学清洗方式，大大降低了消毒系统的维护需求和劳动强度。

3、明渠式紫外线消毒系统的型式

目前全球安装使用的紫外线污水消毒系统95%以上采用20世纪80年代发明的明渠式紫外线消毒系统，该系统将若干独立的紫外灯模块安装在开放的明渠中，水流靠重力流经消毒装置，在明渠可直接插入或取出紫外灯模块进行维护检修。

3.1 灯管排布形式

紫外消毒器中灯管的排布可分为顺流式和横流式。顺流式指的是灯管彼此平行且与水流方向平行，而横流式排布灯管彼此平行但与水流方向垂直。90%的城市水处理紫外线消毒系统采用顺流式，这主要是由于横流式不利于流体形成理想的均匀流动，紫外能量浪费较大，在灯管和渠壁或水面间容易形成消毒短流区，使通过的微生物得不到足够的紫外照射剂量而影响消毒效果。简单来说，如果短流区的容积占总消毒容积的1%，那么该消毒系统所能达到的*好消毒效果为99%，二级生化处理的出水中大肠菌群含量一般在10⁶—10⁷个/L， 要达到10⁴个/L的*家标准就会有困难。

3.2 紫外灯管的类型

目前污水紫外线消毒系统中常用的紫外灯管有：低压灯(LP)、低压高输出灯（LPHO，又称作低压高强灯）和中压灯（MP）这些灯管的主要性能参数及适用范围见表1。

中压灯是所有紫外灯中单根灯管紫外能输出*高的，因此可以用很少的灯管数量达到消毒效果，占地*少，可以大大减少设备与征地、土建等投资，具有规模效益，比较适合于大型城市水处理厂的消毒处理，特别是用地紧张的水处理厂。另外由于中压灯光强*强，穿透力高，所以比较适合低质水的消毒处理。当然，中压灯的光电转换效率较低，电耗较高，但由于灯管数目很少，灯管更换费用较低。一个设计优良的紫外线消毒系统的运行维护费用主要是电费和灯管更换费用。灯管数量减少，可减少与灯管数量相关部件的更换数量和费用。

表1中各类灯管的适用范围只具有参考意义，水处理厂应结合实际和特殊情况对不同灯管类型的紫外线消毒系统进行全面详细的可行性和技术经济比较，选用适合的方案。在方案比较时，还应全面考虑占地、土建、辅助设备设施以及其他相关因素。

3.3 镇流器

早期的紫外线消毒系统使用电磁式镇流器。20世纪90年代初电子镇流器首先应用在低压灯紫外消毒系统，90年代中叶又解决了用电子镇流器控制中压灯管的难题，现在各类水处理紫外线消毒系统使用的镇流器基本都是电子镇流器。

镇流器的布置一般分为两大类，一类是将镇流器密封后和紫外灯模块一体化，另一类是镇流器与紫外灯模块或灯组分离，放在明渠外，离灯管有一定的距离。后者需要空气排风冷却镇流器等电控元件，从而会导致空气中的灰尘、水汽和污染物侵蚀，降低镇流器等敏感电控元件寿命，带来额外的系统维护，增加与更换镇流器有关的设备运行费用，而且需要单独的房屋和空调来安放镇流器等电控部件。镇流器远离紫外灯管会增加镇流器到灯管间电压降，因此降低灯管的输入功率和灯管的紫外能输出，从而降低紫外线消毒系统效率并影响消毒效果。

3.4 石英套管的清洗方式

清洗方式可分为两大类：人工清洗和自动清洗。人工清洗就是将灯管从明渠中取出，用清洗液喷淋到套管上，然后用棉布擦拭清洁；或将几个紫外灯模块放到移动式清洗罐中用清洗液同时搅拌清洗，清洗罐中带有曝气搅拌装置；当灯管数量较多时，也可一次将整个灯组（由若干个模块组成）从明渠中起吊出来放入固定的清洗池内用清洗液清洗，池中带有曝气搅拌装置。从劳动强度和经济性上分析，人工清洗比较适合小型或中型水处理厂。

自动清洗还可分为纯机械式自动清洗和机械加化学式自动清洗，纯机械式自动清洗系统实际上是用铁氟龙环来回刮擦套管表面；而机械加化学式自动清洗系统则是在清洗头内装有清洗液，在清洗头机械刮擦套管表面的同时通过清洗头内的清洗液去掉难以通过刮擦有效去除的污垢。

纯机械式自动清洗系统需要频繁（10—30min一次）的来回刮擦以减缓套管表面污垢的积累，清洗头磨损快，寿命短，一般半年到一年就需要更换，维护要求劳动强度和清洗成本较高；机械加化学式自动清洗一般一天清洗一次，清洗头寿命在5年左右，清洗效果较好。

机械加化学式自动清洗装置发明于90年代中叶，并应用到水处理紫外线消毒中，清洗效果好。常用磷酸作清洗液，会进入水处理系统，但由于其用量极少，不会造成二次污染。机械加化学式自动清洗在排放标准严格的北美地区的水再生利用消毒处理中广泛使用，未产生不良影响。当然也可使用食品等级的清洗剂以适应更高的需求。

4、应用前景

加氯消毒是城市水处理消毒中使用*为普遍的方法，但随着氯消毒的大规模使用，人们对该方法的认识和了解也不断加深，对其使用中产生的问题也越来越关注。这主要是余氯对受纳水体中的鱼类有害，在处理过程中会产生三致副产物。在氯消毒已知的500 多种消毒副产物中，只有为数很少的被研究并证实对人类健康有影响，尚有500多种消毒副产物有待查明身份，而且更令人担心的是使用中缺乏对这些副产物的风险分析和管理计划。正是由于对这些问题的担心，世界各*和地区对氯消毒的使用制定了各种法律规定，限制或控制使用。例如：荷兰、德*、加拿大魁北克等地已禁止使用氯消毒；欧美等地有脱氯要求；美*加利福尼亚、佛罗里达等州根据水处理厂具体情况要求零余氯排放；除此之外，水处理厂必须实施严格的安全生产条例和措施，有关部门对加氯消毒的通风和安全生产设施严格控制，必须有完善的氯泄漏收集措施；在*外还有风险管理计划，包括水处理厂附近居民的撤离计划；而公民知情权法则要求水处理厂应将氯消毒的使用及情况通报给附近居民等等。这些法律、规定和法规大大增加了氯消毒成本，也使得氯消毒越来越不受欢迎。另外氯作为危险化学药品，有关部门对其运输和储存的安全问题和审批控制非常严格，我*的一些水处理厂在建成加氯接触池后常常因此而无法正常运行使用，现在越来越多的城市水处理厂已开始考虑使用紫外线消毒技术替代氯消毒。

紫外线消毒技术作为物理消毒方式，无二次污染；运行维护安全、简便；消毒时间短（一般1-10s），无需接触池，占地小，结构简单，设备安装快，在各种消毒方法中对微生物*具广谱性，消毒效果不受水体pH值和温度影响。图3为各种消毒方法在城市水处理中的应用程度，可以看出紫外线消毒技术正得到越来越多的应用。

结语

由于氯消毒技术的负面影响逐步显现，选择绿色的消毒技术越来越受到大众的关注。紫外线消毒技术在*内的应用也在不断发展，在设计紫外线消毒系统时，必须结合当地的各种条件，选择合适的紫外线消毒系统。不同类型的灯管、镇流器和清洗方式直接影响工程投资、运行费用和处理效果。通过进行广泛的技术经济比较确定合适的工艺方案，是取得*佳消毒效果的必要条件。