临安市污水处理厂紫外线消毒系统设计

◆不需运输、使用、储 藏有毒或危险化学药剂
◆NPV 较低 ◆无需建筑物
◆接触时间极短
◆空间要求及占地最
小
◆紫外光消毒是在腔
体内照射， 不影响接受水
体中的生物种群
缺点
◆处理过水的残余毒性
◆不能通过检测残
必须通过脱氯降低
余物监测工艺性能
◆有害气体必须进行特
◆无残余消毒作用
别处理
◆处理某些微生物
◆产生三卤烷（三氯甲烷 需较高的剂量
关键词 紫外线消毒 粪大肠菌群 比较 原理 特点 设计参数 紫外线剂量 系数 渠道
1 工程概况 临安市污水处理工程于 1999 年 8 月开工建设，
总规模为 6 万 m3/d， 厂区总占 地面积 75250m2， 采 用具有一定脱氮除磷效果的三沟式氧化沟工艺。 一 期 建 设 规 模 为 2 万 m3/d， 建 成 于 2001 年 1 月 ； 二 期 工 程 规 模 为 4 万 m3/d， 占 地 面 积 27250m2， 于 2005 年 2 月建成投产， 经试运行其处理效果良好， 满足设计确定的排放标准。
表 2 紫外线灯管适用表
项 目 低压灯 低压高强灯 中压灯
备注
流量范围 （万 m3 ／ d） 水质条件
清洗方式
＜5
2～30
＞10
二级处理 以上
二级处理 以上
二级处理以 上、低质、 合流
人工化学 ／ 人工化学 ／ 机 机械＋化 机械 ／ 化学 械 ／ 机械＋化学 学
用地条件 占地不限 占地不限
占地最 少
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西南给排水
Vol.31 No.5 2009
临安市污水处理厂紫外线消毒系统设计
李廷华
摘 要 临安市污水处理工程设计总规模为 6 万 m3/d， 一期建成 2 万 m3/d 处理能力， 二期 4 万 m3/d 于 2005 年 2 月完成建设。 介绍了紫外线消毒技术的原理、 主要特点， 并与其它消毒方法进 行比较， 如何确定设计参数、 计算紫外剂量、 选择消毒装置、 系统尺寸计算和进行消毒渠道设计， 还展望了该技术的应用前景。
水力高程 条件
富余
富余
较高
电耗
低
低
较高
有效光转换率不同， 中压灯灯管数最少
水力负荷 m3 ／ d ／ 根
100～200
250～500
1000～ 2000
紫外输出 10～ 20mWs ／ cm2
紫外灯管是紫外消毒系统的重要组件， 除考虑 供货商样本所描述的电能输入、 紫外能量输出、 光 电转换效率等参数外， 还必须计入灯管的老化系数
表 3 清洗方式与结垢系数表
清洗方式
结垢系数
人工清洗
0.7
纯机械清洗
0.8
机械加化学清洗
1.0
N（cfu/100ml）
紫外剂量（mWs ／ cm2）
图 1 出水水样中粪大肠菌群数紫外剂量作用曲线 此外， 供货商还必须通过国内外独立第三方认
证证明所提供消毒器的灯管老化系数和结垢系数， 否则必须按照使用规范规定的默认值 0.5、 0.8 分别 采用， 进行计算。 4.3 紫外线消毒装置的选择
根据 2003 年 7 月 1 日 起 实 施 的 《城 镇 污 水 处 理厂污染物排放标准》 （GB18918-2002） 的要求， 临安市污水处理厂出水执行一级 B 标准， 其处理后 出 水 的 粪 大 肠 菌 群 必 须 达 到 10000 个/L。 按 常 规 ， 二级生活污水处理厂的尾水中粪大肠菌群数一般都 在 105～109 个/L 左右， 所以必须采用消毒才能达到 排放标准要求。 2 消毒处理系统确定
以不能有效防止细菌、 病毒等微生物再次繁殖， 易
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于受到二次污染。
（4） 紫外线消毒不会改变水中任何成分， 因此
不会对水体和周围环境， 特别是有特殊要求的受纳
水体， 如特定的海域、 养殖水体、 下游饮用水源、
浇灌回用水产生污染或不良影响。
（5） 不 同 紫 外 线 灯 管 使 用 寿 命 一 般 在 5000～
紫 外 线 一 般 分 为 四 种 不 同 的 波 段 ， 紫 外 －A （ 315 ～400nm） ， 紫 外 －B （ 280 ～315nm） ， 紫 外 －C （200～280nm）， 真空紫外光 （100～200nm）。 其中 C 段波杀菌效果最好， 尤以波长为 240～270nm 的紫外 线杀菌效率最高， 目前生产的大部分紫外灯的最大 紫外输出功率的波长 为 253.7nm。 紫外消 毒是光化 学反应， 通常认为当微生物受到紫外线照射时， 细 胞的核酸吸收紫外线后发生突变， 其复制、 转录封 锁受到阻碍， 从而引起其内部蛋白质和酶的合成障 碍； 同时产生自由基引起光电离， 最后导致细胞死 亡。
为 粪 大 肠 菌 群 数 不 超 过 10000 个/L （ 即 1000cfu/
100mL）， 从图中可知， 此时所需的紫外线剂量约为
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12mWs/cm2。 由 于 该 曲 线 没 有 计 入 紫 外 灯 管 性 能 、 灯管排布、 水质、 水流状态等因素， 实际消毒系统 常常偏离理想条件， 按此理论紫外剂量设计的消毒 器往往不能保证设计效果。 实际上影响紫外系统消毒 性能的因素包括灯管输出、 灯管间距、 镇流器效率、 水动力学因素、 石英套管 （结垢） 穿透率、 水质因 素、 紫外透光率、 灯管老化以及消毒器本身设计等诸 多因素， 故必须按照紫外线生物验定剂量方法来确 定， 即在最坏的设计工况下， 需要通过生物验定实验 来验证提供的紫外线消毒器的有效生物剂量能力。
本工程采用机械加化学自动清洗方式， 故计算 结垢系数为 1.0。 4.4 紫外线消毒系统尺寸的计算
临安市污水处理厂设计 规模为 6.0 万 m3/d， 高 峰 流 量 为 3000 m3/h， 属 中 小 型 污 水 处 理 厂 ， 根 据 本工程处理出水水质要求、 设计平均流量、 水流高 程 （较富余） 以及用地条件， 宜选用低压灯和低压 高强灯较合适。 若选用低压高强灯管， 根据最大负 荷计算最少需要灯管数量为 78000÷500＝156 根， 若 选用低压灯则灯管数量增加 1 倍左右。 为减少投 资， 节省日常运行更换灯管费用， 本工程选用 Trojan 公 司 的 3000PlusTM 低 压 高 强 灯 ， 单 根 灯 管 紫 外 输 出 功 率 为 250W， 石 英 套 管 壁 厚 1.5mm， 紫 外 线 透 光 率 91%， 经 修 正 后 有 效 紫 外 剂 量 不 低 于 13mWs/cm2 时， 单根灯管
消毒的目的是消灭或灭活致病细菌和其它致病 微生物。 目前常见的消毒处理方式有两大类： 化学 消毒方法主要有液氯、 二氧化氯、 漂白粉、 臭氧消 毒等， 物理消毒方法主要有紫外线消毒。
上述消毒方式是在各时期随着科技发展和使用 要求逐步形成的， 各有优缺点。 加氯消毒作为有效 的消毒方式， 在历史上为保护人类生命健康做出过 巨大贡献， 目前仍是大多数水厂、 污水厂使用的传 统消毒方法。 但是， 加氯消毒工艺中的余氯对受纳 水体中的鱼类等生物具有毒性， 可导致其大量死 亡， 同时在与水中有机物发生复杂反应后会产生三 卤甲烷等致癌、 致基因畸变的消毒副产物， 此外， 较高的运行费用和储存管理费用以及安全生产和风
目前国内大部分净水厂、 污水厂都采用传统的 液氯法消毒， 同时更为安全、 高效、 稳定的紫外线 消毒处理方式也逐步得到推广， 我国华东、 华南已 有部分污水处理厂出水采用了紫外线消毒处理。 鉴 于本工程受纳水体青山湖是下游诸多城市的饮用水 源， 为保证公众的身心健康， 不适宜采用加氯消毒 法。 考虑到受纳水体的特殊要求， 本工程出水消毒 处理采用紫外线消毒法。 3 紫外线消毒的原理及主要特点
TSS
20mg/L
BOD5
20mg/L
紫外透光率 （UVT）
65%
平均悬浮颗粒尺寸
30μm
出水粪大肠菌群数
104 个/L
4.2 紫外线剂量的计算
紫外线剂量的计算有三种方法：
（1） 平均紫外线剂量法； （2） 水动力学模型
法； （3） 紫外线生物验定剂量。
图 1 表示的是出水水样中粪大肠菌群数与紫外
剂量作用曲线。 临安市污水处理厂要求的消毒指标
表 1 加氯消毒与紫外线消毒比较表
消毒方法
加氯消毒
紫 外 线 消 毒 （UV）
优点
◆对细菌有效， 杀菌效
◆对细菌、病毒、原生
果好
动物有效， 即具有广谱杀
◆历史悠久，使用广泛， 菌性
工艺成熟
◆无毒排放， 无消毒
◆可 保 持 及 监 测 余 氯 ， 副产物
延长处理效果，杀毒彻底
◆如不考虑安全问题， 则投资费用相对较低
THMS）及 其 他 有 毒 的 有 机 氯
◆加 氯 接 触 池 ，向 空 气 中
释放有机化合物
◆增加总溶解固体
（TDS）， 氯 化 物 浓 度 从 而 影 响
出水 pH 值
◆对原生动物的灭活相
对 无 效 （如 ：贾 第 鞭 毛 虫 、隐 孢
子虫）
◆通常可以灭活大肠杆
菌 的 常 规 剂 量 ，对 很 多 致 病 病
毒、孢子、卵囊无效
◆公众日益关注储气地
点的气体泄漏风险以及有机
氯副产物带来的健康风险
◆占地面积、空间大
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通过上述加氯和紫外线两种消毒处理方法的比 较， 可见加氯消毒具有方便、 杀菌效果好、 彻底、 经济等优点； 其缺点是处理后污水中含有的有机污 染物与氯产生对人体有害的三氯甲烷致癌物， 对污 水中某些原生动物、 致病病毒、 孢子、 卵囊相对无 效， 且具有有毒气体泄漏风险。 而采用紫外线消毒 方法可以破坏有机物， 不会产生有害物质， 处理后 的水无色无味， 其缺点是消毒效力受水中紫外光的 穿透率、 总悬浮物、 固体颗粒尺寸的影响， 无残余 消毒效果， 消毒费用较高。
和 结 垢 系 数 。 不 同 厂 家 的 老 化 系 数 在 50%~80% ， 应由厂商通过国外独立第三方 NWRI 紫外验证协议 认证证明其提供消毒系统的灯管老化系数和结垢系 数。 若未通过认证， 一般可按紫外系统协议规定的 50%默认值估算。 灯管的结垢系数还与水质和清洗 方式有关， 通常根据清洗方式按表 3 采用， 也可取 紫外系统协议规定的结垢系数默认值 0.8 估算。
紫外线作为国内外新兴的一种消毒方式， 在转 化为成熟的成套设备后， 正在某些特殊的运用领域 发挥作用。 其主要特点有：
（1） 杀菌广谱性。 现代的紫外线消毒装置产生 的 紫 外 辐 射 强 度 很 容 易 达 到 （3～30） ×104μW/cm2 的光强度 (甚至更高)， 对细菌类、 病毒类、 霉菌、 水藻类、 孢子以及原生动物等大部分致病物质在一 定时间内都可以有效杀灭， 而且对受纳水体中生态 无毒性、 不产生消毒副产物。
14000 小时之间， 灯管使用一定期限后， 将不能提
供需要的 UV 剂量， 需要成批更换。
（6） 灯管外起保护作用的石英套管需要定时采
用机械加化学方式 （人工或自动） 进行清洗， 否则
套管结垢也会影响紫外光强度。
4 紫外线消毒系统的设计
紫外线消毒系统设计可分成五个步骤：
① 设计参数的确定； ② 紫外线剂量的计算；
（2） 杀菌效率高， 杀菌需要接触时间短。 当紫 外辐射强度为 3×104μW/cm2 的光强度时， 紫外线杀
灭病毒及细菌约需 0.1～1s 的接触时间、 杀灭霉菌孢
子需 1～8s、 杀灭藻类需 5～40s， 而氯消毒 则需 30～
60 min 的接触时间， 臭氧消毒需 15～30 min。
（3） 由于紫外线消毒时间短， 没有持续性， 所
③ 紫外线消毒装置的选择； ④ 紫外线消毒系
统尺寸的计算； ⑤ 紫外线消毒系统设计。
4.1 设计参数确定
临安市污水处理厂一期建设时出水未进行消毒
处理， 二期建设时一次建成消毒处理设施， 消毒处
理设计规模为 6 万 m3/d， K 日＝1.3。
平均流量
60000m3/d
·高峰系数
1.30
·峰值流量
78000m3/d
险管理也使加氯消毒存在诸多问题。 当化学消毒剂 从最早的液氯， 发展到氯胺、 二氧化氯和臭氧， 但 化学消毒剂作为理想的安全消毒剂是不成功的。 另 一方 面， 经过 80 年的 研究与应用 ， 特 别 是 通 过 最 近 UV 对贾第虫、 隐孢子卵囊的灭活证明， 物理消 毒方法紫外线消毒已发展成为在饮用、 污水、 回用 水及工业用水的最安全、 最环保的消毒技术， 而且 已经将应用技术转化为方便使用的成套处理设备。