城市污水再生水回用紫外线消毒技术应用效果

1.1.1 水资源概况

水资源是人类生活的zui关键资源，可是如今，生态环境遭到严重破坏，水体污染严重，水资源的保护和水污染的治理成为现代社会zui关注的问题。

中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居*四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，是13个人均水资源zui贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。

    我国江河流域普遍遭到污染，且成发展趋势。据国家环保总局数据显示，七大水系劣V类水所占比例为27.9%，比2003年下降了1.8个百分点,但这并不意味着水污染得到了有效控制,七大水系I-V类水质类别比例分别为4.6%，20.9%，16.3%，21.6%，8.7%。

2 水资源匮乏的北方河流比水资源丰沛的南方河流污染严重，七大水系按水污染严重程度排序，劣V类水质比例zui高者为海河的56.7%，其后是辽河的37.9%、淮河的32.6%、黄河的29.5%、松花江的24.4%、长江的9.6%和珠江的6.1%。

1.1.2 污水再生回用概况

    1.1 国外的污水回用现状 美国再生水利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌和娱乐等方面，其比例大致为62％用于各种灌溉和景观，31.5％用于工业， 5％用于地下回灌，1.5％用于娱乐、渔业等。美国回用水利用模式的突出特点是集中处理回用，很少直接用于城市生活杂用。这大概与美国市政管网和污水处理厂普及、生活用水水质标准严格有关。再生水利用工程主要分布于水资源短缺、地下水严重超采的西南部和中南部的加利福尼亚、亚利桑那、德克萨斯和佛罗里达等州。

    1.2国内的污水回用现状 长期以来，我国城市污水回用一直进展缓慢，主要原因是水 价过低和体制问题。另外， 由于水资源危机感和节水意识不强，认为水取之不尽、用之不竭的观念还根深蒂固，同时，污水回用方面的科技投入相对不足，政策也不够*，导致全国大型污水回用项目数量不多，且回用率不高，与发达国家相比有明显的差 距。这些问题也造成了大多数污水处理厂在选址、 规模上未考虑回用的要求，给日后污水回用在管线布置、回用水量平衡等方面带来了困难，城市污水回用工作的有效开展受到了很大的限制。

    根据北京市政府在《2008年奥运会申办报告》中的承诺，北京市2008年城市污水处理率达到90%以上，污水再生回用率达到50%，到时将有更多更广的领域使用再生水，而目前还远远达不到。因此，研究、节能、安全、实用的再生水处理和再生水消毒技术是我国科技工作者面临的迫切任务。

1.1.3再生水消毒技术简介

    《建筑中水设计规范》（GB 50336-2002）中规定“中水处理必须设有消毒设施”。给水和污水消毒技术在理论上均可应用于再生水消毒。但由于水质情况不同，在技术要求上也有所不同。消毒技术有很多种：氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒等。

1、传统的氯（Cl2）消毒技术须优化

    20世纪70年代起，氯消毒在饮用水处理中遇到了三方面的问题。首先是饮用水中不断发现新的病原微生物，其中有一些如隐孢子虫不能被氯杀死。其次，很多研究表明，如果水中含有足够多的可降解有机物，即使维持足够的余氯，细菌仍会在给水管网内再繁殖。只有减少水中的有机营养物，才能抑制细菌的生长。zui严重的还是消毒副产物问题。1974年，科学家发现氯消毒时，氯与水中残余的有机物发生化学作用，生成三氯甲烷、溴仿、溴二氯甲烷和氯二溴甲烷等一系列有害的“消毒副产物”。为了控制消毒副产物，各国都制定了严格的标准。

    饮用水是否应放弃氯消毒？事实证明目前还不能放弃。1991年底，秘鲁出现了绝迹多年的霍乱病例，造成大面积的疫情，甚至还蔓延到邻近国家。公共卫生专家把原因归咎为出于害怕氯消毒的副产物致癌而放弃了对饮用水进行消毒。英国近50年间发生过10次饮水造成的疫情，其中有8次是加氯消毒不良所致。因此在考虑饮用水的安全性时，首先需要考虑的是确保消除微生物对人体健康的影响，然后才是考虑减小消毒副产物对人体的危害。

优化的氯消毒技术不断被研究开发，主要的优化方式包括：（1）将氯胺投加到出厂水中；（2）低氯预处理，即在满足控制微生物生长的前提下，尽量减少预氯化的投氯量或取消预氯化；（3）用预处理氧化剂如二氧化氯等处理源水，进行初级消毒和氧化，过滤后再用氯消毒。通过这种处理，THM前体物被二氧化氯氧化；（4）设置新的投氯点；（5）使游离氯的接触时间从原来数小时或数十小时缩短到1小时以内甚至10分钟。同时，新型的消毒技术日益受到青睐，主要包括臭氧、二氧化氯和紫外线及相关组合技术等。

2、臭氧（O3）消毒技术应用增多

    臭氧是一种强氧化剂，其氧化能力仅次于氟，能氧化分解水中多种有机物，在低浓度下可瞬时完成氧化反应，而且其溶解度大，杀菌速度为氯的600～3000倍，是目前加药消毒法中zui有效的消毒剂，能同时控制水中铁、锰、色、味、嗅，无三卤甲烷、卤乙酸类消毒副产物产生，但有产生溴酸盐等副产物的可能。臭氧是通过直接氧化和产生自由基的间接氧化来破坏微生物的结构，达到消毒的目的。一般维持剩余臭氧浓度为0.4mg/L，接触时间为15min，可得到良好的消毒效果。近20年来，由于臭氧制备技术的发展，成本降低，特别是发现氯消毒存在的问题后，臭氧的消毒应用增多，在欧洲使用zui多。臭氧消毒的缺点是难闻的未溶解到水中的臭氧挥发到空气中有害于工作人员的健康。

3、二氧化氯（ClO2）消毒技术方兴未艾

    二氧比氯的杀菌速度快，消毒能力超过氯但是次于臭氧，可杀死隐孢子虫，具有广谱性的消毒效果，有剩余消毒效果但无氯味。二氧化氯的消毒机理主要是氧化细胞内酶系统和生物大分子，杀灭细菌、病毒，且不对动植物产生损伤，杀菌作用持续时间长，受pH影响小，可除臭、去色。经二氧比氯氧化的有机物多降解为含氧基团（羧酸）为主的产物，无氯代产物出现。美国EPA推荐它是一种强有力的潜在替代氯消毒的氧化型消毒剂，以控制自来水中的三氯甲烷。二氧化氯用于污水厂的出水，产生的副产物量不到氯消毒产生的10%。因此20世纪80年代后二氧化氯消毒应用迅速增长。

    二氧化氯性质不稳定，只能采用二氧化氯发生器现场制备。二氧化氯同氯气混合使用时，具有协同消毒作用，二氧化氯较氯气活泼，优先于氯气与有机物发生氧化分解反应，可有效抑制处理后水中三卤甲烷等氯化致癌物的生成。用于回用水消毒时，消毒剂投加点一般在滤后，有效氯投加量一般为1.5～3mg/L。二氧化氯现场制备，投加方便，避免了运输储存一系列问题及安全隐患，且成本较臭氧成本低，它是我国中小水厂替代液氯、次氯酸钠及漂白分等的较好消毒方式。

4、紫外线（UV）消毒技术异军突起

    紫外线消毒实质是光化学反应，细胞的遗传物质核酸（RNA或DNA）吸收紫外线能量，在光致二聚作用下化学键和链断裂，破坏了核酸的正常功能，引起微生物死亡，达到消毒的目的，其反应速率不受温度和pH的影响。当紫外强度为3×104 μW/cm2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30～60min的接触时间，臭氧消毒需15～30min。现代的紫外线消毒装置可以很容易达到（3～30）×104 μW/cm2的光强度，因此常见细菌、病毒、霉菌、藻类、孢子甚至原生动物都可以迅速被有效杀灭。根据目前的文献报道，还没有发现紫外线（特别是在253.7 nm附近）在消毒过程中会产生足够量的对人体有害的物质。水的色度、浊度和SS等影响紫外线的吸收，从而影响消毒效果。

    在目前所有的消毒技术中，紫外线杀菌的广谱性是zui高的，并且对一些对人类危害极大的，而氯气以至臭氧无法或不能有效杀灭的寄生虫类如隐性包囊虫和贾第鞭毛虫等都能有效杀灭，且没有消毒副产物，也不增加损害管网水生物稳定性的副产物，同时由于关键技术的突破，紫外线消毒系统的可靠性大大提高，设备使用寿命长，能耗降低，运行费用大为下降，因此20世纪90年代紫外线消毒技术在发达国家得到广泛的应用。欧洲许多国家以及北美的加拿大和美国已分别修改了环境立法，在废水处理后的消毒，以及饮用水的消毒上，推荐采用紫外线消毒技术。

5、消毒技术的发展趋势

    消毒是水处理的重要环节，各种消毒技术各有特点。从效果比较，氯对部分细菌、病毒不能杀灭，臭氧的杀菌效果比氯好，但是化学消毒因受浓度控制而无法在水中提供可能的大剂量，故对孢子、藻类以及各种原生动物的杀灭效果较差。在二氧化氯、氯和臭氧三种消毒剂中，综合考虑有效性和稳定性，可认为二氧化氯的消毒效果。紫外线消毒技术对采用化学消毒难以杀灭的病原体能在几秒或几十秒内杀灭，但是没有余氯，缺乏持久的消毒能力。

氯和臭氧本身就是高危物质，使用中安全隐患较多。采用紫外线消毒工艺与加氯消毒工程投资相差不多，处理速度快，占地小，运行维护费用约为氯消毒方式的2/3，总体经济性能优于氯消毒系统，将是今后数年zui有前途的消毒技术。

1.1.4紫外线消毒技术应用再生水/中水回用消毒

    紫外线消毒技术应用再生水消毒，是在充分利用紫外线消毒技术的优势的基础上，为解决氯消毒引起的水质安全问题，提供更安全卫生的再生水。

    紫外线消毒是解决氯消毒法中氯在水中积累、管道腐蚀等问题的有效技术手段。以往紫外线消毒主要在医院等场所进行室内消毒使用，经过上网检索，在水处理消毒方面尤其是再生水消毒方面的研究报道甚少。

1.1.4.1紫外线消毒可行性

    CODcr对消毒效果的影响

    CODcr即化学需氧量，是指用强氧化剂重铬酸钾使被测废水中有机物进行氧化时所消耗的氧量。

    水中的有机物会吸收紫外光，从而使得照射到微生物的紫外线剂量减少，会影响消毒效果。水中的CODcr对水体的细菌灭菌率有一定的影响，CODcr越高的水体的细菌灭菌率就越低，但对于CODcr低于30mg/L的水体，CODcr对细菌灭菌率的影响很小。

1.1.4.2紫外线对水中有机物的微量降解 

    在饮用水中，紫外线可以用来降解水中微量的有机物。紫外线通过裂解有机物的碳键而使其降解。例如，紫外线用来去除水中微量的苯，由于苯对230~270nm的紫外线有较强的吸收能力，在紫外线的作用下，苯可以异构化或与其他物质发生反应，从而达到去除水中微量苯的目的。因此紫外线不仅具有杀菌消毒的功能，还可以降解微量的有机物。

    总有机碳（TOC），是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。由于DOC测定采用燃烧法，因此能将有机物全部氧化，它比BOD或COD更能直接表示有机物的总量。因此常常被用来评价数控体中有机物污染的程度。