紫外线消毒简介

污水消毒简介

Gail Sakamoto

首席生物学家

Trojan Technologies, Inc.

3020 Gore Road London, Ontario Canada N5V 4T7

污水消毒简介

1.0 污水消毒目标

贝类中的污水污染物以及用于饮用、灌溉和娱乐用的水可以传播由致病细菌、病毒和寄生虫产生的水传播疾病。表1 列举了通常与污水相关的疾病种类。在排放之前给水消毒可以减少致病生物体的数量并保护水源，因此减少了疾病传播的危险。

制定规章制度的机构已经确定了与水传播病原体相关的危险参数，使用指标细菌的各种监视系统已经被建立起来。这些系统根据水体以及它们的用途建立取样地点。根据在废水中能够表现出较高的浓度为原则，对指标细菌进行选择。做为病原体，指标细菌必须对给定的消毒剂有相似的敏感度。必须易于使用可靠并且可重复的方法对指标进行计量。最通用的指标是总大肠菌群、粪大肠菌群、E. coli 和链状球菌。指标细菌的出现率远大于特定目标水平表明致病生物体的出现率可能增加。在北美洲水传播疾病暴发时(WEF 1996)测量到的大肠杆菌指标高达88% 。

欧共体(EC) 游泳用水指导中对总大肠菌群和粪大肠菌群指标都设定了标准。总大肠菌群不能超过10,000/100mL ，粪大肠菌群不能超过2,000/100mL。这是基于95%的保证率，即20个样品中的19个以上必须达到这个限制。对于沿海岸排放，在污水处理厂和水管端部/海滩水之间，此指标允许有一个稀释系数。根据现场情况不同，此稀释系数可能高达100。

表1: 污水传播疾病和传播途径(Pipes et al., 1996)

污水传播疾病

细菌疾病 杆菌性痢疾 (Shigella spp.) 霍乱 (Vibrio cholerae) 痢疾(enteropathogenic Escherichia coli) 细螺旋体病(Leptospira spp.) 沙门氏菌病 (Salmonella spp.) 伤寒

(Salmonella typhosa) 野兔病

(Francisella tularensis) Yersi否sis

(Yersinia pseudo tuberculosis) 不知名病因 急性痢疾 急性良性胃肠炎 滤过性毒菌引起的疾病 胃肠炎（否rwalk-type Agents) 肝炎A (hepatitis virus) 寄生疾病 阿米巴痢疾(Entamoeba Histolytica) 蛔虫病 (Ascaris Lumbricoides) 小袋虫痢疾

(Balantidium coli) Giardiasis (Giardia lamblia) 隐孢子虫病(Enteric Coccidian)

引用水 娱乐用水 贝类消费

否 是 是

否 否 是

是 否 否 是 是 否 是 是 是

否 是 是

是 否 否

否 否 是

是 是 是 否 是 否 是 否 否 是 是 是

是 否 否

否 否 否

否 否 否 是 否 否 是 是 否

2.0 紫外线消毒的一般描述

市政废水在排放到地表水系之前通常要被消毒，以达到特定的细菌指标限制。消毒的主要目标是把水传播病原体减少到安全水平，从而降低公众暴露在传染性疾病下的危险性。水中和土壤中的一些病原体的存留现象表明污水消毒为地表和地下饮用水提供了第一道防线。为了达到这个目标，消毒剂必须破坏在多种净水和污水内细菌和病毒的传染性。可能需要使用化学和物理办法进行消毒。然而，化学消毒的多种缺点，特别是加氯消毒的缺点，导致了人们选择紫外线做为替代的消毒办法。紫外线消毒有显著的特性和好处。紫外线为净水和污水消毒提供了一个物理方法，从而避免了化学消毒的缺点。在美国和加拿大约有超过2000个污水紫外线消毒系统。 2.1 紫外线光

紫外线光是电磁波频谱的一部分，波长在100到400毫微米(nm)之间 。有杀菌作用的波长位于200nm 到 300nm光谱范围内 (图 1) 。低压汞灯射线是多单频的，约有85%的输出射线位于253.7nm (图 2a)。 中压、高强度灯体放射的紫外线射线跨越了较宽的紫外线光谱区 (图2b)。

电磁波频谱

伽玛射线

宇宙射线 X 光 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波

100 400

紫外线射线的扩展范围

X 光 真空紫外线 紫外线 C 紫外紫外线 A 可见光

线 B

100

200 254 280 315 400 800

有杀菌力的波长

图 1: 电磁波频谱

表 2: 灭活1 Log (90%) 或2 Log (99%) 微生物群体所需紫外线剂量 mWs/cm2

为生物体

细菌 Bacillus anthracis Bacillus subtilis, spores Bacillus subtilis Campylobacter jejuni Clostridium tetani Corynebacterium diphtheriae Escherichia coli Klebsiella terrigena Legionella pneumophila Sarcina lutea Mycobacterium tuberculosis Pseudomonas aerugi否sa Salmonella enteritidis Salmonella paratyphi Salmonella typhi Salmonella typhimurium Shigella dysenteriae Shigella flexneri (paradysenteriae) Shigella sonnei Staphylococcus aureus Streptococcus faecalis Streptococcus pyogenes Vibrio cholerae (V. comma) Yersinia enterocolitica

1 Log2 Log

------------------------ Ref *

5 1 1 5 4 6 3 5 5 5 6 5

微生物体 病毒 MS-2 Coliphage F-specific bacteriophage Hepatitis A Influenza virus Polio virus Rotavirus 原生动物* Giardia lamblia* Cryptosporidium parvum* 藻类 Blue Green Chlorella vulgaris 酵母 Saccharomyces cerevisiae

1 Log

18.6 6.9 7.3 3.6 5 - 7.7 8 - 11 82 80 300 12 7.3

2 Log

--- --- --- 6.6 --- --- --- 120 600 22 13.2

Ref *

5 2 5,6 2 5,6 5,6 6,7 8 1,3 1,2 1

参考资料 1. Legan, RW (1980) UV disinfection chambers. Water and Sewage Works 6. Wolfe, R.L. (1990) - Ultraviolet Disinfection of potable water: Current R56 - R61 Tech否logy and Research. . Environmental Sci. Tech否l 24(6), 768-773. 2. C. Jevons (1982) Ultraviolet systems in water treatment. Effluent and Water Treatment Journal, J22: 161-162. 7. Rice, E.W., Hoff, J.C. (1981) - Inactivation of Giardia liamblia Cysts by UV Irradiation. Applied and Environmental Microbiology 42, 546-547. 3. Groocock, NH (1984) Disinfection of Drinking Water by Ultraviolet Light. J. Inst. Water Engineers and Scientists 38,(2), 163-172 8. Ransome, M.E., Whitmore, T.N., Carrington, E.G. (1993), Effect of disinfectants on the viability of Cryptosporidium parvum oocysts. Water 4. Antopol S.C. (1979) Susceptibility of Legionella pneumophila to Ultraviolet Supply, Vol. 11, Amsterdam, pp. 103-117. Radiation. Applied and Environmental Microbiology 38, 347-348 New work in 1998 & 1999, using animal infectivity tests, show very 5. Wilson, B. (1992) Coliphage MS-2 as UV Water Disinfection Efficacy Test. * low UV doses are required for inactivation of Giardia and Cryptosporidium. Surrogate for Bacterial and Viral Pathogens. Presented at WQT Conference References are available upon request. By AWWA.

Figure 2:

Spectral Output From: a) Low Pressure and

b) Medium Pressure Lamp (Meulemans 1987)

2.2 紫外线消毒机理

杀菌原理

通过光化学作用破坏其核酸的方式，紫外线可以阻止微生物活动。

细胞的核糖核酸（RNA） 和脱氧核糖核酸（ DNA）能吸收短波紫外线射线的高能量 。被吸收的强烈的紫外线能量，其波长范围在240 到280nm 之间，可以导致临近核苷形成新的结合物，在核酸中产生双倍结构或二聚物。 临近嘧啶的二聚作用，特别是在DNA情况下的胸腺嘧啶是最常见的光化学损伤结果。 细菌和病毒DNA中大量胸腺嘧啶二聚物的形成防止了DNA复制，从而导致细胞死亡。

低压灯体（波长253.7nm）的杀菌效力与核酸的吸收光谱(260nm)相关(图3).

被破坏的细胞数量取决于被微生物吸收的紫外线剂量和它们对紫外线的抵抗力。多数细菌和病毒只需要较低的灭活剂量。紫外线剂量是紫外线强度和暴露时间的乘积，以微瓦秒每平方厘米(mW.s/cm2)的形式表示。紫外线剂量的需求量随细胞大小和细胞内DNA 或RNA的数量增加而增加。例如原生动物包囊的抵抗力比E.coli高10-15倍。革兰氏阴性杆菌比革兰氏阳性球菌和细菌长孢子对紫外线更敏感。(表2)

图 3: E. coli 灭活光谱与核酸吸收光谱比照关系 (Harm, 1980)

2.3 修复机理

由紫外线产生的光化学破坏可能被某些生物体修复。研究表明被破坏细胞的数量和后来的修复与紫外线剂量直接相关。修复的数量也取决于光复活光的剂量（强度）。低紫外线剂量导致较小限度的破坏比高剂量导致的更大的破坏更容易被修复(Lindenauer et al., 1994).

有两个修复机理：光复活和暗修复： 1. 光复活是一个包括酶二聚物复合体形成的两步骤程序。这个反应步骤不需要光。下一步骤

需要吸收光能(波长范围从310 到490nm) 把酶二聚物转化成胸腺嘧啶单聚物，这样导致了光化学破坏被逆转。

2. 暗修复不需要光能。它是一个包括去除二聚物的酶修复程序，可能与非光化学试剂产生的

细胞破坏修复相类似。胞嘧啶内的二聚物形成是由这种机理修复的。(Jagger 1967).

In situ studies 表明光修复确实发生，但是在水体内并不明显。在水中微生物残留数量看上去更与猎食程度和自然死亡直接相关(Whitby et al., 1993) 。 因为在光修复过程中需要可见光，因此可以利用这个特点设计污水处理系统和排水系统。 3.0 影响紫外线消毒的因素

紫外线消毒效果直接与微生物吸收的紫外线能量有关。消毒系统中的紫外线剂量与流量、保持时间和紫外线强度有关。紫外线强度是污水质量和紫外线设备设计优化的组合函数。暴露时间直接与流量和保持时间相关，流量和保持时间由控制水头损失的反应器优化设计和灯体间距控制(见表 3)。紫外线消毒不受温度和酸碱度影响。

表 3: 设备设计和水质直接影响紫外线剂量投递

紫外线剂量= 强度 x 时间

强度

设备参数 • 灯体间距—平均强度 = 反应器设计 • 灯体年龄 • 套筒污垢

(铁, 钙和镁离子, 藻类和 生物薄膜) 水质参数— 与上游处理程序相关 • 紫外线穿透率 - 溶解的有机物, 染料, 铁 • 总悬浮固体 (TSS) • 颗粒分布 (PSD) • 总硬度影响套筒结垢速率

时间

流量

反应器设计

3.1 紫外线设备设计参数

消毒设备中的紫外线强度与相关的设计参数如：灯体类型、数量和间距直接相关。常规的紫外线设备包括低强度汞蒸汽弧光灯，该灯体放射出单一波长253.7nm 的紫外线占总数输出量的85% 。中压灯体放射出高强度射线分布在较宽的有杀菌力波长光谱范围内。用高强度灯体技术设计的UV4000TM系统需要较少量的灯体，这是因为它的输出量是低压灯体的8至16倍。紫外线反应器进行了优化设计，在保持必要的水处理能力和提供相应剂量的情况下，能够最优化紫外线灯体数量。在水流方面的要求是有混合的湍流和最小的水头损失。灯体的间距被设计成能在石英套筒周围控制水层并且在反应器内提供最大的平均强度。

影响紫外线强度的设备维护因素包括灯体的年龄和套筒污垢。随着使用时间的增加，紫外线强度逐渐减少，这个因素被引入设计中，以便在灯体寿命终点提供相应的紫外线强度。推荐的低压灯体更体周期大约为5,000 小时，但有些水厂已经成功使用灯体消毒达到8,000 小时。推荐的中压灯体的更换时间为5,000 小时。灯体的寿命取决于消毒过程中流量步距程序使用的开关操作循环次数。可以采取定期更换灯体的方法保持系统内紫外线强度的一致性。

在石英套筒上无机和有机的积聚物会减少进入周围水中的紫外线光强度。结垢的速度随处理程序和水流形式而变化，当铁、钙、镁离子浓度高时，结垢的速度更快。常规的低压技术系统在设计中考虑了结垢因素。这些系统需要水厂操作员进行定期清洗和维护。Trojan UV4000TM 系统有自动擦拭系统，它组合了化学和机械清洗方式，不需要占有操作员的维护时间。

3.2 水质参数

紫外线消毒系统的效率取决于能降低污水中紫外线强度的水质参数。影响紫外线强度的水流参数时紫外线穿透率（UVT）、悬浮固体总量(TTS)和固体颗粒的尺寸(PSD)。 3.3 紫外线穿透率

紫外线穿透率是污水透过紫外线光能力的量度。它既是水质的量度，也是决定紫外线投递剂量的参数。紫外线穿透率是污水设备的重要设计标准。

用波长设定在254毫微米的分光光度计测量紫外线穿透率。紫外线穿透率是在路径长为1厘米的石英试管内，把样品的穿透率与蒸馏水穿透率（设为100%）相对比后得出的百分数。吸收紫外线的物质和既吸收又反射紫外线的微粒会降低紫外线穿透率，这会导致用于消毒的紫外线能量减少。污水穿透率取决于水处理过程的类型、来源和工业用水相对于全部水厂水量的浓度

在悬浮增长程序产生的污水穿透率范围在60%到65%；固定膜程序的穿透率范围是50%到 55%，氧化塘程序的穿透率范围是35% 到45%。影响紫外线穿透率的工业包括： 纺织业，印刷业，纸浆和造纸业， 食品加工业，肉和家禽加工业，照片冲印业， 和化学制造业。 3.4 无机化合物

水处理过程可能使用金属盐来增强固体排除、减少磷酸盐、控制气味。溶解的铝盐不影响紫外线穿透率，含有铝的絮结物相对于不含铝的类似微粒，抵抗紫外线消毒的能力也没有增强。水中的铁直接吸收紫外线，弄脏套筒，并且通过吸附到悬浮固体和细菌的凝块上给它们产生 一个防护屏。如果与铁结合的固体颗粒和保护细菌的颗粒数量增加，细菌对紫外线的抵抗能力就会直接成比例增加。

污水穿透率降低会导致投递到水中的紫外线强度降低，这种情况有时能导致紫外线剂量需求增加。因为紫外线剂量=强度X 暴露时间，降低的强度可以通过增加保留时间或增加灯体数量来补偿。

处理程序

%T 总悬浮固体

百万分之一 范围

5-25 50-150

40-50 15-40 25-45 15-40 30-50 20-35

30-55 30-55 45-60

45-65 50-85

15-50 15-40

10-30 10-30 10-30

10-30

PSD 平均数 微米 20-30

25-35 20-30 20-30 20-30

25-45 25-45 25-40

25-45 15-30

初次沉淀 一级强化法 明矾 三价铁 氧化池法

Rock Reed 过滤器法 固定薄膜法 滴滤池

生物转盘(RBC) 序批式间歇活性污泥法 悬浮

活性淤泥法 三级过滤法

3.5

悬浮固体总量(TSS)

悬浮固体总量是由在数量上和尺寸上不断变化的载有细菌的微粒组合而成的。悬浮固体总量直接与难被紫外线或化学物质消毒的与微粒结合在一起的细菌浓度相关。颗粒通过吸收和反射紫外线光减少水流中的紫外线强度（图4）。在颗粒内的细菌被保护起来，不能被紫外线光消毒，也不能被化学消毒剂消毒。高悬浮固体污水通常也含有大量的更难被消毒的微粒。微粒的保护直接与其数量、尺寸分布、细菌密度和微粒的化学成分相关。通过吸收和分散紫外线光，微粒也可以减少紫外线强度。这些因素会导致系统对紫外线的需求量增加。另外，固体中增多的铁含量 可以导致细菌被屏蔽和保护起来。

污水水流中微粒尺寸分布测量是用于检查过滤器和澄清器的性能。通常情况下，微粒尺寸与上游污水处理方式有关，并且通常随处理水平增加而增长，直到被过滤为止。过滤会导致微粒数量和平均尺寸减少。表5 表明了颗粒尺寸对紫外线需求的影响。

表 5: 颗粒尺寸增加直接影响紫外线剂量需求

颗粒尺寸微米数

40

紫外线需求量 容易被穿透 紫外线需求量低 能够被穿透

紫外线需求量增加 不能完全被穿透 紫外线需求量高

图 4: 颗粒对紫外线强度的影响 (Snider et al., 1991)

在低剂量情况下，把典型细菌灭活曲线和紫外线剂量曲线相比，呈现出一级动力学关系。由于微粒的屏蔽，在高剂量处出现背离或翘尾情况。微粒为微生物提供了保护，以至于需要较高的紫外线剂量来穿透和杀死所有在微粒内的细菌。为了实现额外的微生物灭活效果，需要增加紫外线剂量，从而导致收益减少。 在超过某种细菌密度情况下，有时不能经济地实现灭活。这种情况下，改变上游处理方式，可以明显提高污水质量，有助于减少紫外线剂量，并达到预期消毒目的。紫外线消毒效力取决于上游处理程序和所需的灭活水平。

图5 显示颗粒提供的保护导致了较高的紫外线需求量。过滤降低了总悬浮固体水平、颗粒尺寸和数量，同时也降低了实现消毒目标的紫外线需求量。

图 5: 典型的过滤和非过滤污水紫外线剂量响应曲线

3.8 消毒标准

实现相应消毒水平所需要的紫外线剂量随着所要达到的消毒标准不同而变化。在北美地区总大肠杆菌群和粪大肠杆菌是污水消毒中最常见的指标微生物。其它微生物群，例如E. coli and 肠球菌 在美国的一些地区也被用做指标细菌。需要的消毒水平通常是30天几何平均数

大肠杆菌曾被用于评估病原体的水平。对于加氯化处理方法，把大肠杆菌数量降低到目标值，可以防止传染性疾病传播。达到传统大肠杆菌限度所需的紫外线剂量比相应氯气剂量能提供更好的细菌灭活效果。图 6 显示了相应于粪大肠杆菌指标，给选择的生物体灭活时，所需要的紫外线和氯气剂量对比情况。 (Yip and Konasewick, 1972).

图 6: 氯气和紫外线对细菌和病毒的消毒效力比较

1) Escherichia coli, 4) Polio virus Type 1, 2) Salmonella typhosa, 5) Coxsackie AZ virus, 3) Staphylococcus aureus, 6) Adenovirus Type 3

4.0 紫外线消毒的优缺点

加氯消毒的许多缺点导致了污水紫外线消毒系统应用量增加。表 6 总结了紫外线消毒和氯气消毒的优缺点。

紫外线消毒使用物理方法对微生物进行消毒，与加氯消毒相比，紫外线消毒对细菌结构和 水的化学性质依赖性更小。因此对粪大肠杆菌消毒时，对于病原体和病毒进行灭活所需要的紫外线剂量小于参数5。对于灭活来说，这个数值远比致病病毒在加氯消毒中对氯气的抵抗系数20、40 和100 低。因此使用紫外线消毒相比于使用加氯消毒而言，监视大肠杆菌的灭活情况能够提供更有效的指标。

颗粒和生物膜内的细菌对任何消毒办法都是一个严重的问题。很明显，残留的氯气不能防止在生物膜上生长或从这些存活细菌群上脱落下来的细菌进入消毒系统。可以通过提供高水平消毒的方法和降低活性炭水平以及减少其它支持生物生长营养物质的方法来减少生物膜上的细菌，减少细菌再生。

在消毒程序中使用较高氯气剂量以避免加氯消毒局限性的尝试导致致癌物质和氯化有机物产生，如三卤甲烷(THM, 例如：三氯甲烷) 和不易挥发的高分子量的副产品。这些氯化有机物存在于自然环境中，不能被减少氯残留物的除氯方法破坏掉。

紫外线消毒被限定在射线腔体内，对光反应器外部使用饮用水系统的客户或接受水体没有影响。即便在高紫外线剂量的情况下，也没有检测到有突变物质的副产品。许多研究表明高达140mW.s/cm2 的紫外线剂量不产生消毒副产品。

考虑到公众和水厂操作人员的环境安全因素，使用加氯消毒而不是紫外线消毒就会增加额外的费用。除去氯残留物的脱氯工序将增加大约30% 的费用。新规程 (例如 统一消防规范) 增加了化学消毒的成本，但对紫外线消毒没有影响。紫外线消毒不需要建筑物，而新的归程要求加氯消毒有特殊设计的建筑物。

用于加氯/除氯消毒的有毒化学物质的运输和储存也是值得关注的问题。储存地点气体泄露和氯化有机物副产品的健康危害也正在受到公众的高度关注。

表6:

紫外线和加氯消毒的优缺点对比

优点

• • • • • • •

缺点

加氯 (气体和次氯酸盐) • 技术成熟 • 是对细菌有效的消毒剂 。 • 剩余物能被保持并被检测 。 • 相对便宜, 受到统一消防规范的要

求，可能导致成本明显增长。

安全规范不断增加，需要加除氯和特殊净化设备。

对人体有毒的气体，需要特殊处理 。 处理水中的残留毒性必须通过除氯工序消减 。 形成三卤甲烷(THMs) 和其它氯化碳氢化合物。 能给大肠杆菌灭活的较低剂量不能消灭一些其它致病的病毒、孢子和包囊。

从加氯接触池向空气中释放挥发性的有机化合物 (VOCs) 。

增加总溶解固体的浓度，可能改变最终水流的酸碱度。

紫外线消毒 • 对细菌和病毒有明显的效果 • 接触时间短 • 无有毒残留物 • 不需要处理化学物质 • 相对便宜 • 不需要建筑物保护 • 需要的空间少

• • •

当前没有直接的消毒效力测量方法。 没有剩余效应。

能给大肠杆菌灭活的较低剂量不能消灭一些其它致病的病毒、孢子和包囊。

紫外线消毒是环保和安全的，并更容易被公众接受。在全面质量控制下加工出的高可靠性紫外线系统能够给污水和饮用水提供可靠的消毒效果。

参考资料

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Series, p. 29, Cambridge UP, New York, NY.

2. Lindenauer, K.G.; et al., (1994) Ultraviolet Disinfection of Wastewater: Effect of

Doses on Subsequent Photoreactivation. Wat. Res. Vol. 28, 否. 4, pp 805-817.

3. Meulemans, C.C.E., (1987) The Basic Principles of UV-Disinfection of Water. Ozone

Sci. Eng. Vol. 9, pp 299-314.

4. Pipes, W.O.; et al., (1992) Wastewater Disinfection, Manual of Practice FD-10, Water

Environment Federation, Alexandria, VA (1996), Table 2.2, p 8.

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Photoreactivation on Microorganisms in Wastewater Treated with UV Light. Wat. Sci. Tech. Vol. 27, 否. 3-4, pp 379-386.

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Limitations. Water and Pollution Control (Can.) 否. 6. Pp 14-18.

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Disinfection for Wastewater Reuse Applications in California. University of California, Davis.