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第24卷第2期山东建筑大学学报Vol.24No.22009年4月JOURNALOFSHANDONGJIANZHUUNIVERSITYApr.2009文章编号:1673-7644(2009)02-0175-05紫外线技术在水处理中的应用与发展谭凤训,周峰,武道吉(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南250101)摘要:从紫外线的本质、特性入手,对紫外线消毒的优点进行了分析;对紫外线应用于给水的研究现状,如对自来水中微生物的灭活作用,降解藻毒素的作用及优化紫外线装置等进行了简要概述;对紫外线消毒在给水和污水中的具体应用进行了简要介绍;指出了紫外线消毒具有细菌复活现象,穿透力低,没有持续消毒能力等缺点;对紫外线消毒的应用前景,研究方向等进行了展望。关键词:紫外线;水处理;灭菌;消毒中图分类号:X703.1文献标识码:AInitialanalysisonultraviolettechnologyusedinwatertreatmentanditsdevelopmentTANFeng2xun,ZHOUFeng,WUDao2ji(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China)Abstract:Thispaperstartswiththeanalysisofsomeadvantagesofultravioletfromitsessenceandcharacteristics.Abriefoverviewisgivenonthecurrentstudyaboutultravioletusedinwatersupplyengineering,suchasitsinactivationofmicrobeindrinkingwater,thedegradationoftoxicalgaeandtheoptimizationofitsdevices.ThebriefconcreteapplicationisdiscussedaboutUVdisinfectionsinwatersupplyanddrain.TheshortcomingsofUVdisinfectionsarepointedout,suchasthephenome2nonofbacteriarevival,lowpenetration,nosustainabledisinfectingability.Theprospectsarealsoforecastfortheapplicationofultravioletdisinfection,andresearchdirections.Keywords:ultravioletradiation;watertreatment;sterilization;disinfection0前言THMS)。紫外线由于其高效、低成本,而且对环境无害,不会产生二次污染而被广泛关注。紫外线是在波谱中位于X射线与可见光之间随着水污染的加剧,传统的净水工艺已经不能的电磁波。紫外线杀菌是通过破坏微生物遗传物质适应水质的恶化;另一方面,人们对水中的污染物及DNA,干扰其复制和转录,使其失去繁殖能力进而对其对人类健康的影响的认识也越来越深,新的饮用[1]其灭活的。自1910年Cernovedeow和Henvi第一水标准的出台就说明了这一点。由此可见,加快新[2]次将紫外线消毒技术用于饮用水消毒,紫外线技的水处理技术和工艺的研发已经是迫在眉睫的事术在水处理领域得到了快速发展。在欧美许多国家情。而在消毒方面,氯消毒由于其使用方便,价格便的水处理厂中,紫外线消毒被广泛采用。如在芬兰宜等优点而被广泛使用,但其一旦与水中的有机物3的赫尔辛基,处理能力达310万m/d的紫外线消结合,将产生大量的致癌有机卤化物(如三卤甲烷,收稿日期:2008-09-26作者简介:谭凤训(1965-),女,山东文登人,山东建筑大学市政与环境工程学院副教授,硕士,主要从事水处理理论与技术、建筑给水排水理论与技术研究.\n176山东建筑大学学报2009年[3]毒装置已在一家企业投入使用。美国已将紫外囊虫cryptosporidium,贾第鞭毛虫giardia等)都能有[8]消毒工艺作为自来水消毒的最佳消毒方式写入供水效杀灭。[4]法规中。(5)其他优点与传统的消毒方式相比,紫外线还具有运行安1紫外线技术在水处理中的应用全性高、运行维护费用低、安装操作简便、占地小、可以连续大量消毒等优点。1.1紫外线技术在给水处理中的应用1.1.2紫外线消毒在给水中的发展在给水消毒技术中,氯消毒法因其使用方便、价基于紫外线以上优点及传统工艺的缺陷,紫外格便宜等优点而被广泛应用,但其存在着严重的二线消毒技术在给水领域得到了广泛的应用。在紫外[9]次污染问题,即水中的余氯和水中的有机物发生反线对自来水中微生物的灭活作用试验中,分别选应而产生具有致畸、致癌、致突变作用的卤代烷等副取大肠杆菌和枯草芽孢杆菌代表自来水中易被灭活[5]和不易被灭活的微生物,结果表明:紫外线对大肠杆产物。同时在研究中发现二氧化氯,臭氧消毒技[6]菌有良好的灭活作用,当紫外剂量为10mJ/cm2时,术的安全性也颇具争论,因此,给水中的消毒问题始终是一个难以解决的问题。与传统的技术相其灭活效果可以达到4.66个对数级;紫外线对枯草比,紫外线消毒法具有诸多优点。芽孢杆菌灭活效果明显高于氯,紫外剂量为40mJ/21.1.1紫外线消毒的优点cm时,对枯草芽孢杆菌的灭活率可达3.3个对数[7]级。(1)杀毒效率高[10]紫外线杀菌消毒技术具有其他消毒技术无法比紫外线降解藻毒素试验表明:紫外线可降解拟的杀菌效率,杀菌效率高达99%以上,而且杀菌藻毒素,降解效果与光强、时间有关。紫外线消毒作时间非常短,例如对霉菌孢子、水藻等几类常见细菌为城市给水的预处理工艺是可行的,试验中出水的病毒的杀菌时间在一秒之内,而传统的氯气、臭氧等除藻率为88.7%,且经过紫外线预处理后的原水,化学消毒方法要达到紫外线的杀菌效果需要半小时其CODMn有所降低。到一个小时左右。紫外线消毒技术在杀菌上有明显新的饮用水标准较之前的标准增加了71项水的优势。质指标。其中微生物指标增加了对贾第鞭毛虫、隐(2)不产生二次污染孢子虫的检测和限值,标准规定每10L水中,贾第鞭[11]从理论上讲,通过加入化学试剂来达到净水目毛虫、隐孢子虫的限值为<1。隐性包囊虫和贾的,或多或少都会对水质产生负面影响,例如采用第鞭毛虫是传统的氯气消毒以至臭氧消毒都不能有氯、氯胺、二氧化氯和臭氧消毒都会对水质安全性产效杀灭的寄生虫类,而紫外线能够有效杀灭隐性包生影响。紫外线消毒不向水体中加入任何化学药囊虫和贾第鞭毛虫。剂,因此它不会对水体及其周围环境造成二产污染。为了能更加充分地利用紫外能量,李丽艳等人(3)无生物免疫力依据节能思想设计出一种饮用水紫外线消毒器,其紫外线杀菌技术与化学杀菌不同,它不会使生与商用消毒器相比,节能效果明显,是商用消毒器的[12]物体产生免疫力。它只是简单的破坏DNA链状结2倍。这为我们在紫外消毒节能方面的研究提构的分子键,使细胞在有丝分裂的时候无法进行供了方向。DNA的复制。传统的消毒技术如氯化物消毒或臭1.1.3紫外线消毒在给水中的具体应用氧消毒,长期使用会使生物体产生免疫力,从而使消在欧洲目前已有2000多座饮水处理厂采用紫毒效果下降。外线进行消毒,在西欧的奥地利、荷兰、挪威和瑞士,[13](4)广谱性紫外线辐射消毒是饮用水生产的唯一方法;在英紫外线杀菌技术与其他消毒技术相比,有很好国,饮用水紫外线消毒装置的使用尤其广泛,其中世的杀菌广谱性。它几乎对所有的细菌,病毒都能高界上最大的饮用水紫外线消毒装置(处理量达3[14]效率的杀灭,同时对一些对人类危害极大,而氯气以66000m/d)就在英国的伦敦;在自来水中检测出至臭氧无法或不能有效杀灭的寄生虫类(如隐性包隐孢子虫属后,美国和加拿大已将UV消毒列为用\n第2期谭凤训等:浅析紫外线技术在水处理中的应用与发展177水终端、用户进水端及小型给水系统的首选方消毒能力等,只有对这些缺点进行深入分析并给出[15]法。一定的解决方案,才能为其更好地应用于实践扫清近些年来我国也有一些水厂采用或计划采用紫障碍。[16]外线进行自来水的消毒。紫外线消毒技术在小2.1光复活型供水系统中应用的较多,如北京“欧陆经典—万微生物自身具有修复机制,这使得已经被紫外兴苑”小区饮用净水工程等一些高层建筑中都采用线杀灭的细菌在光照条件下发生复活现象,从而导[20]紫外线消毒器处理水,从而防止高位水箱的二次污致出水的微生物指标不能达到标准。为了降低[17]染。在一些集团(如办公楼,宾馆,饭店等)或家微生物的光复活率,一般采用提高UV剂量的方法,庭用的小型净水器中也常见紫外线消毒装置,此外但此方法有增加消毒时间、增加投资等缺点。为了一些随身可携带的临时用紫外线杀毒装置在市场上解决这一问题,不少人在这一方面进行了大量试验,[21]也很常见。并提出一些解决的办法。试验表明:UV—氯消1.2紫外线技术在污水处理中的应用毒具有较好的灭活效果并能控制光复活;UV—PAA基于紫外线的杀菌原理,从理论上分析将其应(过氧乙酸)也具有较好的消毒效果并能控制光复[22]用于城市污水处理中是可行的。在1965年和1969活。刘文君等以大肠杆菌为受试菌种,研究了避年,加拿大某省水资源委员会对于紫外线消毒技术光处理对紫外线消毒后细菌光复活的影响,结果表在城市污水处理中的应用及其对受纳水体的作用作明,避光放置6h以内,见光后大肠杆菌的光复活能了研究和评估。其他研究人员也对紫外线的消毒效力即刻恢复,而延长避光时间至24h,大肠杆菌见光果、影响因素、消毒副产物以及技术经济可行性进行后,最大复活百分比减小到10%。由此可见避光处了大量研究工作。研究结果表明,紫外线应用于污理可以在一定程度上推迟或削弱大肠杆菌的光复水消毒是可行的,其效果可达到氯消毒的效果,甚至活,但还是存在较高的复活风险。虽然上述方法在更好,且无毒副作用,不产生消毒副产物。一定程度上能够控制光复活,但要用于实践还需更美国ViliageCreek污水处理厂采用了紫外线消系统的可行性试验及经济评价,另外对光复活机理3毒技术,其每天可对136万mCSO污水进行消毒。的深入研究将有助于对其控制技术的开发。该紫外线消毒系统是目前世界上最大污水消毒系2.2穿透力低[18]统。紫外线的穿透力低,这就使得其消毒效果受水1999年香港石湖墟污水处理厂投入运行,该厂质的影响比较大,水的色度、浊度、有机物和氨氮等3规模24万m/d,紫外消毒后粪大肠杆菌小于1000都会吸收紫外线而降低其透过强度,影响紫外线的个/100mL。2001年8月13日,黄浦江上游的上海消毒效果。另外水体中的生物群、悬浮物、矿物质等闵行水质净化厂引进了我国第一套大水量紫外线污容易积聚在灯套管的表面,影响紫外光的透出,从而水消毒处理设备,从而改变了过去单纯使用氯气对影响紫外线的消毒效果。因此,采用紫外线消毒时污水进行消毒易造成二次污染的状况。最近几年,需要对原水进行预处理,尽量降低水的浊度、有机物3深圳市龙岗大工业区污水处理厂(5.6万m/d)、上等对紫外线消毒的影响。在设计紫外线消毒工艺3海长桥污水处理厂(2.2万m/d)、上海松江北区污时,应尽可能把此工艺放在处理末端,并通过改变流3水处理厂(8万m/d)、无锡新区污水处理厂速,优化灯管布置等来提高水与紫外线的接触时间,3(3万m/d)、苏州新区第二污水处理厂以保证出水水质。另外还要注意要定期对灯套管进33(4万m/d)和上海龙华污水处理厂(10.5万m/行清洗,以减少灯套管表面的结垢对紫外线的吸收。[19]d)等都采用紫外线消毒系统。2.3没有持续消毒能力从紫外线消毒机理上分析,它属于物理瞬间消2应用中存在的问题毒技术,没有向水体中加入任何化学药剂,所以它不像氯气那样能够提供剩余消毒能力,即没有持续消[23]紫外线消毒虽然具有诸多优点,但在应用中也毒能力。研究表明:向紫外线消毒后的水中加入存在一些不足之处,如光复活、穿透力低、没有持续次氯酸钠,细菌总数明显减少,且增长缓慢,可保存\n178山东建筑大学学报2009年较长时间。可见在紫外线消毒后加入具有持续杀毒技术,或其与氢氧根自由基相结合,都具有破坏水中能力的化学药剂是一种弥补紫外线没有持续杀毒能的污染物的能力。紫外线技术已经被用来氧化处理力的可行方案。在实际应用中,为了保证自来水在亚硝基二甲胺、甲基叔丁基醚、杀虫剂、异嗅异味复市政管网中不受二次污染,许多自来水厂采用紫外合物和氯化溶剂等。另外紫外线光催化氧化也是很线后加氯的消毒工艺以防止自来水受到二次污染,好的研究方向。随着水中污染物质越来越复杂,而确保出水水质达标。传统的化学氧化法的种种弊端也暴露出来,相信随2.4紫外线消毒标准有待完善着研究的深入,紫外线的氧化能力会越来越被人们由于采用紫外线消毒是最近几年才在我国快速认可。发展起来的,所以其相关国家标准,管理办法等还不(5)新的饮用水标准(GB5749—2006)中的微健全,与紫外线消毒相关的标准目前只有《城市给生物指标增加了对贾第鞭毛虫、隐孢子虫的检测和排水紫外线消毒设备》(GB/T19837—2005),《生活限值,这无疑为紫外线技术在我国水处理中的应用饮用水紫外线消毒器》(CJ/T204—2000)等少数几起到了巨大的推动作用。具有诸多优点的紫外线消个而且主要是针对消毒设备的,没有完整的有关标毒技术一定会有广阔的市场前景,在我国的普及也准。只有出台系统的相关国家标准和管理办法,才会在不久的将来实现。能规范市场,促进其进一步发展。参考文献:[1]StevenTS.OzonationandUVirradiationanintroductionandex23展望amplesofcurrentapplications[J].AquaculturalEngineering,2003,28(2):21-36.(1)对于紫外线消毒后的细菌复活现象,一方[2]沈健.高纯水与紫外线技术[J].给水排水,1998,24(12):41-面我们可以通过优化工艺如增加水与紫外线的接触43.时间,加大紫外线剂量,改变紫外线灯的类型(如电[3]程德孝.紫外线消毒饮用水[J].西南给排水,2001,23(1):45压,波长等)等来解决;另一方面可考虑紫外线消毒-48.[4]FrederickWP.Regulationsin2000andbeyond[J].JAWWA,与其他工艺联用,将它们的优点有机结合起来以达2000,92(3):40-53.到较好的处理效果。当然这方面需要进行更多的研[5]布多.微污染水UV2C消毒的探讨[J].西藏科技,2004(9):26究工作。-28.(2)为了减少运行成本,可以将新的技术应用[6]边凌飞,杜璋璋.饮用水的消毒技术及发展[J].济宁师范专科于紫外线消毒,如采用发光二极管(LED)作为新的学校学报,2004,25(6):9-11.[7]HavelaarAH,MeulemansCCE,Pot2HogeboomWM,etal.In2紫外线光源,LED的优点是它们能集中所有的电能activationofbacteriophageMS22inwastewatereffluentwithmono2又具有很长的使用寿命,如果能够成功应用将大大chromaticandpolychromaticultravioletlight[J].WatRes,1990,减少运行及维护成本。另外如果能将日益发达的自24(11):1387-1393.动控制技术应用于紫外线消毒中,则可减少大量人[8]安得利.紫外线杀菌器[J].制冷技术,2006(2):59-60.力并可以提高运行效率。[9]张永吉,刘文君.紫外线对自来水中微生物的灭活作用[J].中(3)紫外线消毒的工艺需要进一步优化,以降国给水排水,2005,21(9):1-4.[10]樊杰.紫外线预处理城市给水高藻水的试验研究[D].武汉:低能耗,提高效率,这在全球能源紧缺及我国创建节华中科技大学环境工程与科学学院,2005.约型社会的大前提下显得尤为重要。我们可以从多[11]GB5749—2006,生活饮用水卫生标准[S].个方面对紫外线消毒工艺进行优化,如优化紫外装[12]李丽艳,冯娜,王明连,等.一种节能型饮用水紫外线消毒器置的安装调配和合理布局以最大程度地使紫外光得结构的研究[J].西南给排水,2008,30(4):36-38.到利用;在紫外线剂量与水质关系等方面也需要进[13]TapasK.Das,ultravioletdisinfectionapplicationtoawastewatertreat2mentplant[J].CleanProdProcesses,2001,3(3):69-81.一步优化,有必要对其运行参数进行系统的优化试[14]杨辉,金成清,史文华,等.饮用水紫外线消毒研究与应用进验,如紫外线的波长辐射强度、波长的选择、辐射时展[J].沈阳建筑工程学院学报(自然科学版),2002,18(1):间、水力条件、灯管布置、采用的电压等。51-53.(4)紫外线还具有氧化作用,单独使用紫外线[15]张立成,赵军,傅金祥.紫外线灭活饮用水中隐孢子虫[J].沈\n第2期谭凤训等:浅析紫外线技术在水处理中的应用与发展179阳建筑工程学院学报(自然科学版),2002,18(1):48-50.tialrepairofcryptosporidiumparvumfollowinglow2andmedium2[16]ZhangX.DisinfectiondevelopmenttheriseofUVinChina[J].pressureultravioletirradiation[J].WaterRes,2003,37(14):Water21,2004,13(10):18-21.3517-3523.[17]冯娜.节能型紫外线杀菌水处理器的研究[D].北京:北京工[21]刘佳,黄翔峰,陆丽君,等.紫外消毒出水的微生物光复活及业大学环境与能源工程学院,2005.其控制技术[J].中国给水排水,2006,22(15):1-4.[18]孙晓宇.紫外线灭活三种代表性微生物的研究[D].哈尔滨:[22]郭美婷,胡洪营,刘文君.避光处理对污水紫外线消毒后大肠哈尔滨工程大学市政环境工程学院,2007.杆菌光复活的影响研究[J].环境科学,2008,29(6):1644-[19]何志刚,周军党,郝志明.紫外线消毒技术的发展及应用分析1648.[J].工业安全与环保,2005,31(1):42-44.[23]王俊娇,吕鑑,张英,等.紫外线持续消毒能力的研究[J].工[20]ZimmerJL,SlawsonRM,HuckPM.Inactivationandpoten2业用水与废水,2006,37(4):44-46.(上接第144页)算例中的插值点采用切比雪夫点,由文献[5]此在结构力学的分析中有非常良好的应用前景。可知,拟谱法采用很少的点就能得到很高的精度,而且具有很好的数值稳定性。因此算例1仅取9个点参考文献:时,就可以得到10-3的精度,表中所列是取19个点[1]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理及数值方法[M].第二版.北京:清华大学出版社,2000.的计算结果。算例2中表中所列是取20个点的计[2]杨继明.热传导方程初边值问题的谱方法[J].湖南工程学院算结果。精确解的计算见参考文献[10]。从表中学报,2007,17(2):71-73.可以看出,重心插值配点法可以得到非常好的精度,[3]聂国隽,仲政.微分求积单元法在结构工程中的应用[J].力而且有很好的计算效率。学季刊,2005,26(3):423-427.[4]王维兰.拟lagrange多项式[J].西北民族学院学报(自然科学版),1999,20(4):15-23.4结语[5]王兆清,李淑萍,唐炳涛.任意连续函数的多项式插值逼近[J].山东建筑大学学报,2007,22(2):158-162.重心插值配点法是一种快速求解偏微分方程的[6]SchneiderC,WernerW.Somenewaspectsofrationalinterpola2方法。从以上算例可以看出,这种方法的精度很高。tion[J].MathComp,1986,47(2):285-299.有限差分法和有限元法需要对求解区域划分单元,[7]聂毓琴,孟广伟.材料力学[M].北京:机械工业出版社,2004.求解的精度取决于划分单元的大小,从而导致大的[8]ShuC,DuH.Implementationofclampedandsimplysupported计算量。微分求积法的插值点不能取得太多,否则doundaryconditionsintheGDQfreevibrationanalysisofbeams会出现插值数值不稳定性。本文采用的重心插值配andplates[J].IntJSolidsStructures.1997,34(7):819-835.点法不但可以避免上述方法的缺陷,而且得到的精[9]纪冬梅,胡毓仁,朱静.小波加权残值法在梁与矩形板屈曲上度非常高。的应用[J].上海交通大学学报,2007,41(2):205-210,215.[10]陈骥.钢结构稳定理论与应用[M].北京:科学技术文献出版这种方法对边界支承条件的处理在编制程序中社,1994.也非常容易实现,而且数学原理简单,易于编程,因