王光辉:我国城镇污水处理厂紫外消毒工艺运行情况调研及优化建议
发布时间:2024-11-19 10:30:41 来源:净水技术 作者:本站编辑 浏览次数:

引言

城市污水中含有大量病原微生物,如果排入自然水体,会对自然水体造成严重的破坏,危害人类和动植物的健康。因此,为保障公共卫生安全,阻止疾病传播,对污水处理厂的出水进行消毒后排放十分必要。2002年,国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002),对病原微生物指标——粪大肠菌群数做出了明确规定,要求执行一级A和一级B标准的污水处理厂出水中粪大肠菌群数不得超过1×103个/L 和1×104个/L。同时也存在一些地方标准要求更严于国家标准,如北京市环境保护局发布的《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890—2012)中对新(改、扩)建污水处理厂所执行的A 标准中要求粪大肠菌群数排放限值为500MPN/L。另外,随着新冠疫情的暴发,新型冠状病毒可能存在的介水传播风险使污水厂消毒成为行业关注焦点。

目前,国内污水处理厂常用的消毒方式有加氯法、紫外线法和臭氧法等,其中加氯法包括次氯酸钠、液氯、二氧化氯消毒等,紫外消毒和次氯酸钠消毒为主流消毒方式,经常单一应用或组合联用。次氯酸钠消毒工艺因为操作简单、消毒效果稳定高效、具有持续消毒能力而得到大规模应用。但另一方面,次氯酸钠消毒由于易生成消毒副产物,其具有“致畸”“致癌”“致突变”作用,可能对水生态安全带来重大危害。紫外消毒具有接触时间短、占地面积小、无消毒副产物产生等优点,在污水消毒领域得到了广泛应用,且其消毒具有的绿色生态性在未来具有巨大应用前景。但实际运行过程中,紫外消毒效果易受到系统设计水平、设备质量、水质波动和维护频率等因素影响,且存在细菌复活的现象,种种原因导致紫外消毒效果实际运行状况不佳。针对上述问题,本研究对79座采用紫外消毒工艺的污水处理厂进行了全面调研,系统考察污水处理厂紫外消毒工艺运行情况,分析反应器类型、紫外灯类型、水量负荷和维护频率等因素对消毒效果的影响,以期为现有采用紫外消毒工艺的污水厂运行管理及新建污水厂的紫外消毒工艺设计提供优化建议。


 调研方法

调研范围覆盖西南、华中、华东、华南4大区域,包括四川、重庆、贵州、湖北、湖南、河南、山东、广东8个省市的79个污水处理项目,处理规模由几百立方米每天到20 万m3/d,具体污水处理厂处理规模及数量分布如图1 所示。79座采用紫外消毒工艺的污水处理厂中,西南区域(四川、重庆、贵州)占据过半,且对应规模分布均衡,故在调研过程中进一步对紫外消毒污水处理厂数量较多的西南区域6座污水处理厂进行重点分析。表1给出了重点调研6座污水处理厂的运行概况,其中设计参数、反应器类型、紫外灯管类型和维护频率等来自运行报表或设计文件,粪大肠杆菌群数量来自各污水处理厂运行日报。

表1 西南区域6座污水处理厂运行概况

图片

 

图1 紫外消毒工艺污水处理厂的规模及数量分布


结果与分析
 
2.1 污水处理厂执行标准与达标情况分析

根据调研情况,样本中城镇污水厂粪大肠菌群数广泛执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 标准(≤1×103个/L),农村污水项目普遍执行一级B标准(≤1×104个/L)。对西南区域共计37座污水处理厂运行情况进行更加详细的研究分析发现,仅依靠紫外消毒工艺,只有约22%的污水处理项目能实现稳定达标,约62%的项目实现基本达标,另有约16%的项目存在不达标问题,需要借助辅助消毒。其中,基本达标的污水项目主要为规模较小污水厂,存在设备故障、灯管更换不及时、光复活等不稳定因素,可通过强化运行管理来有效控制风险。存在不达标问题的污水项目,受消毒系统设计、设备质量、水质水量等因素影响,部分时段需要采取辅助消毒的方式,才能确保出水稳定达标。鉴于采用紫外消毒工艺的效果主要受系统设计、设备选型、水质水量和设备维护等因素影响,故下文将对上述因素进行深入分析。 

2.2 紫外消毒系统设计情况
2.2.1 主要设计参数

在设计污水厂紫外消毒系统时需考虑紫外线强度、照射时间、穿透率、灯管使用寿命、峰值系数、杀菌率等因素。紫线消毒剂量是影响紫外消毒效果的直接因素,也是紫外消毒系统的主要设计参数。紫外消毒剂量为单位面积接收到紫外线能量,由紫外线照射强度乘以曝光时间计算所得,设计紫外灯管的有效剂量时,需根据灯管的结垢系数和老化系数进行修正。工程设计中,紫外灯管的老化系数和套管结垢系数应交由有资质的第三方,使用同类设备在类似水质中所做的检验报告确定。根据《城镇给排水紫外线消毒设备》(GB/T 19837—2019),若没有通过第三方验证,应使用0.5的默认值作为紫外灯老化系数、0.6的默认值作为紫外灯石英套管结垢系数。本文的紫外消毒系数采用默认老化系数和套管结垢系数计算所得,具体数据如图2所示。根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)中对紫外线消毒的有效剂量的相关规定,二级处理的出水宜为15~25 mJ/cm2再生水宜为24~30 mJ/cm2。由图2可知,除厂6外,其他污水厂实际紫外消毒剂量均符合相关标准要求,即使在水流高峰期也能达到标准要求。

图片

紫外消毒的优点之一为消毒时间短,一般为1~10s。此次调研污水处理厂的紫外照射停留时间如图3所示,各污水厂的设计照射停留时间基本为4~8s,各污水厂紫外消毒的设计照射时间与实际照射时间无较大差异。这是因为明渠式紫外消毒器一般采用模块安装,所有紫外灯管均匀排列且相互平行,以保证流过的污水在辐射范围内,而照射区尺寸又是依据模块设计的。仅厂4由于实际处理水量较设计水量小,实际紫外照射时间较长。

2.2.2 设备选型情况
紫外消毒系统的设备选型主要涉及两个方面:一方面是确定紫外消毒反应器的类型,另一方面是确定紫外灯管的类型。紫外线消毒反应器类型有明渠型和封闭型,根据调研统计,样本中基本采用明渠型消毒系统,仅个别小规模污水厂(站)采用封闭型管式消毒系统。《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)中规定:“污水厂出水采用紫外线消毒时,宜采用明渠式紫外线消毒系统”。明渠式紫外消毒系统是将多个独立的紫外灯模块安装在开放的明渠中,水流依靠重力自然流过消毒装置。相对于封闭型反应器,明渠型更容易监测和维护,水流阻力更小。根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021),紫外线照射渠的设计,应符合下列规定:照射渠水流均匀,灯管前后的渠长度不宜小于1m;渠道设水位探测和水位控制装置,设计水深应满足全部灯管的淹没要求;当同时应满足最大流量要求时,最上层紫外灯管顶以上水深需在灯管有效杀菌范围内。根据调研统计,西南区域项目照射渠长度、水深设计基本符合上述规定。

为保障紫外消毒效果,明渠紫外线消毒器需用水位控制器来控制水位,以防灯管以上的水层过厚或紫外灯管露出水面而影响消毒效果。固定堰和水力自动翻板闸门是污水厂最常使用的两种水位控制器。固定堰不仅可以保障流量高峰时间的最高液位,也可保证在流量为0时的最低液位,缺点是堰的上游容易沉积杂质,需配合安装冲洗阀门进行冲洗。合理设计的水力自动控制翻板闸门将使水位保持在一个较宽的流量变化范围内,但是在流量降低到接近0时,会发生泄漏导致紫外灯管暴露在水面上,影响消毒效果。例如,厂2采用CASS工艺,不能实现连续出水,现场实际采用的水位控制系统,会引起部分紫外灯管的频繁启动,灯管故障概率较高,影响处理稳定性及灯管使用寿命。因此,对于出水存在频繁断流的情况,如序批式反应器(SBR)相关工艺更适合采用固定堰式水位控制器。

污水处理紫外线消毒设备在选型过程中选用高强度的紫外线杀菌灯是很有必要的。污水紫外消毒系统中常用的紫外灯管有:低压灯(单只灯管功率小于100W,单支灯管的功率和紫外输出强度都很低)、低压高强灯(单只灯管功率小于1000 W,单支灯管的功率和紫外输出强度都较高)和中压灯(单只灯管功率在1000W以上,单支灯管的功率和紫外输出强度都很高)。本调研按照规模分布,对污水处理厂紫外设备基础信息进行对比分析(表2)。规模较大的污水厂(≥5000 m3/d)均采用单支功率为320W的低压高强灯,而规模较小的污水厂(如厂6)则采用了单支功率为31W的低压灯,设计规模和设计水力负荷基本符合紫外灯管的适用范围(表3)。这是因为若使用较多数量的紫外线灯,则对应紫外线镇流器的数量也需要更多,会导致整体设备线路更加复杂,灯管故障的概率也更高。中压灯系统单根灯管输出功率高,可用更少的灯管数量而达到较好的消毒效果,但存在灯管寿命低、能耗高、运行温度高、清洗维护要求高等缺点。低压灯运行能耗低,产生的单频射线不具备氧化性,无有毒有害的物质产生,更适用于中小型污水处理厂,但相较于中压灯,存在灯管数量更多、更换费用更高等缺点。因此,污水厂在选择紫外灯类型可根据紫外灯管的性能参数和适用范围进行选择。

表3 各类紫外灯管的性能参数及适用范围
图片
图4 各厂处理水量与出水粪大肠菌群关系
2.3.2 水质对紫外消毒效果的影响

污水中的SS对消毒效果的影响体现在两个方面:一方面,SS吸收和散射了部分紫外线,导致穿透水体的紫外线强度减弱;另一方面,SS颗粒具有紫外线屏蔽作用,保护隐藏在SS颗粒中的微生物避免紫外线照射。随着流量的增大,SS对消毒效果的影响越明显。SS浓度主要受消毒前端生化处理单元及深度处理单元处理效果影响,一般要求紫外线进水的SS质量浓度不超过20mg/L。本次所调研的污水厂出水SS平均值与出水粪大肠菌群平均值的关系如图5所示,除厂2、厂6(受设计因素和设备选型影响,实际紫外消毒剂量偏低,如2.2.1、2.2.2节)外,其他污水厂的消毒效果与SS浓度均有一定的相关性,SS浓度高的污水厂消毒效果相对较差。

图片


来源:中国科技核心期刊《净水技术》2024年第10期“大家之言”,本篇内容在原文基础上有删减,仅供分享交流不作商业用途,版权归原作者和原作者出处。


分享到:

热门评论