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水下照射明渠式污水紫外线消毒器系统的设计
发布时间:2015-03-21   点击次数:1601次

   针对常用的水下照射明渠式污水紫外线消毒器系统的设计,紫外线消毒器厂家石家庄凌卓环保设备有限公司研究了水下照射明渠式污水紫外线消毒器系统的紫外灯型式的选择、紫外剂量的确定方法以及设计流量的确定,介绍了消毒明渠及其水位控制器的设计方法。

  随着对氯消毒缺陷的认识,人们在寻求氯消毒的替代技术。紫外线消毒由于具有杀菌快速、安全、易操作及占地小等优点,在美国和加拿大已广泛应用,目前大部分的污水紫外线消毒其系统都采用明渠水下照射式。在我国,紫外线消毒在污水处理中的应用刚刚起步,对水下照射明渠式的污水紫外线消毒器技术的研究及其系统设计的报道不多。

  1水下照射明渠式污水紫外线消毒器系统组成

  明渠水下照射式紫外线消毒系统的组成如图1所示。

  紫外灯平行放置于支架上并浸没在水中。各模块之间彼此独立。每个模块可配置2、4、6、8或16支紫外灯管。污水紫外线杀菌器消毒系统若采用自动清洗则还要安装有清洗设施。污水重力流经紫外灯,渠道下游设水位控制器。

  2水下照射明渠式污水紫外线消毒器系统设计

  2.1紫外灯型式的选择

  紫外消毒灯有低压低强灯、低压高强灯和中压高强灯3种。低压低强灯和低压高强灯均发出单色光,输出波长为253.7nm,灯管的寿命为8000~12000h,而中压高强灯发出复色光,波长为230~300nm,灯的寿命为5000h。低压高强灯单根灯管紫外能输出(90~100W)要比低压低强灯(30~60W)高,但比中压高强灯的(420~25000W)低。在照射到微生物上的紫外剂量相同的条件下,三种类型紫外灯的消毒效果是相同的。但低压低强紫外灯的光强相对较弱,穿透力不高,对总悬浮固体>30mg/L的二级处理出水消毒效果不好。而中压紫外灯的光强zui强、穿透力高,比较适合低浓度污水的处理。处理相同的水量时,若采用中压高强灯紫外线杀菌器系统则需要的灯管数zui少,低压高强灯次之。灯管数量少,相应地设备占地也省,基建费用和灯管维护费用少。但中压高强灯紫外线杀菌器的光电转换率低(只有15%左右)、能耗大、电费高;而低压低强灯和低压高强灯的光电转换率为30%~40%。目前,污水处理厂多采用低压紫外线消毒器和中压紫外线消毒器系统,同样流量污水处理,采用低压高强和中压高强灯的紫外线消毒器价格差异很大,中压高强灯虽然单支灯管功率很大,但是寿命是2000小时,中压高强灯单支灯管功率240-320W,但是使用寿命大于12000小时,所以长期运行情况下中压紫外线消毒器价格反而会高于低压紫外线消毒器价格,所以水下照射明渠式污水紫外线消毒器设计时需根据实际情况进行技术经济比较。

  2.2水下照射明渠式污水紫外线消毒器紫外剂量的确定

  紫外灯数量取决于灭活微生物所需的紫外剂量。微生物的灭活与紫外照射剂量的关系可以用数学模型表达。若大肠杆菌数量在通常的消毒范围内,则灭活速率与紫外剂量的关系表达如下:

  dN/dt=-kN2I(1)

  经积分,得到:

  1/N-1/N0=kIt(2)

  式中N———某时刻t的大肠杆菌含量,zui大可能数量/100mL

  N0———初始大肠杆菌含量,zui大可能数量/100mL

  k———速率常数,大肠杆菌数/s

  I———紫外线杀菌器消毒反应器中紫外平均强度,mW/cm2

  t———消毒时间,s

  大肠杆菌初始含量常常比消毒后大得多,以致1/N0项可以忽略不计,故式(2)可以简化为:

  1/N=kIt或N=(kIt)-1=(kD)-1(3)

  式中D———紫外剂量,为紫外平均强度与消毒时间的乘积,(mW?s)/cm2

  式(3)可以用于计算在已知速率常数下不同紫外强度与消毒时间时的大肠杆菌数。另外,Scheible等的研究表明,紫外剂量和粪大肠菌群含量之间的关系符合如下经验公式[4]:

  消毒后粪大肠菌群含量=(1.26×1013)(紫外剂量)(4)

  此外,Loge等研究得到可以用来计算粪大肠菌群在紫外光照下数量变化的经验公式[5]:

  N=A(SS)a(N0)b(UFT)c(I)n(t)n(5)

  式中N———在紫外辐射后的粪大肠菌群含量,zui大可能数量/mL

  I———紫外平均强度,mW/cm2

  t———消毒时间,s

  SS———水中悬浮固体浓度,mg/L

  N0———粪大肠菌群的初始含量,zui大可能数量/100mL

  UFT———在253.7nm处的紫外透射率,%

  A、a、b、c、n———经验系数,分别是102.919、1.947、0.3233、0、-2.484式(3)~(5)表达了紫外剂量与消毒后污水中的大肠杆菌或粪大肠菌群浓度的关系。其中式(5)考虑了悬浮固体、透射率等因素对紫外线消毒的影响,能较合理地预测达到一定的粪大肠菌群杀灭指标时所需的紫外剂量。例如,美国国家污染物排放系统(NPDES)的消毒标准要求粪大肠菌200个/100mL,对于总悬浮固体TSS20mg/L、65%透射率的二级处理出水,在通常的消毒范围内,用式(5)计算得到的紫外剂量与报道的20~30(mW?s)/cm2基本一致。我国的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)将粪大肠菌群列为基本控制项目,可以根据该标准对粪大肠菌群的zui高允许排放浓度以及污水厂的具体水质来计算紫外线剂量。

  确定紫外剂量的另一种方法是根据微生物对紫外剂量的响应所得到的响应曲线来确定。不同种类的微生物对于相同紫外剂量的响应是不同的,因为它们对紫外线的敏感程度不同。由紫外平行光束仪测定不同紫外剂量下某种微生物的存活含量,从而得到紫外剂量与存活微生物含量的关系曲线,即响应曲线。该法排除了紫外线杀菌器消毒反应器中流体动力学对微生物接受紫外剂量不均匀的影响。

  确定紫外线消毒器紫外剂量时,应考虑紫外灯管老化和灯管的石英套管表面结垢问题。使用寿命周期终点时的紫外输出与新灯管紫外输出之比为灯管的老化系数。大多数灯管的老化系数在0.5左右。另外,污水中的某些成分会使灯管的石英套管表面结垢而影响紫外透射率。结垢系数与灯管的清洗方式有关:人工清洗为0.7,纯机械清洗为0.8,机械加化学清洗为1.0。因此,在确定紫外剂量时通过上述方法求得的紫外剂量还应计入灯管老化系数以及结垢系数,才能得到在灯管寿命周期内达到微生物消毒标准所需要的紫外剂量。

  2.3水下照射明渠式污水紫外线消毒器设计流量及光照时间

  紫外消毒器系统必须在紫外灯的寿命期内按zui大流量设计,否则,当流量增大时将不能保证消毒要求。同时,也必须满足zui小流量时的消毒要求。许多较小的污水处理厂在晚上流量接近于零,这期间在石英套管周围的污水会升温而在套管上产生沉积,也有可能使石英套管露出水面而暴露在空气中,留在套管上的物质会被烤干,从而形成沉积物。因而,设计时必须确定zui大与zui小流量。

  光照时间也是个重要的设计参数。在相同的紫外强度下灭活不同种类的微生物需要的光照时间不同。目前的设计是采用高强度的紫外能而取较短的光照时间,例如光照时间为6~10s。

  2.4水下照射明渠式污水紫外线消毒器消毒明渠的设计

  消毒明渠可根据紫外消毒系统的大小用混凝土或不锈钢建成。国外的经验是,16根或更少灯管的紫外消毒系统应采用不锈钢渠道,但也可以采用混凝土渠道。当渠道中有多个紫外灯组时,紫外灯组的zui佳距离是1.22m。如果渠道流量变化大,则渠道不少于1道,这样可根据流量变化开通或关闭某些渠道,以节省电耗和延长灯的寿命。

  渠道需用水位控制器来控制水位,以防灯管以上的水层厚度太大而影响消毒效果,或避免低于设定的流量范围时紫外灯暴露于空气中。在任何流量时位置zui高的紫外灯石英套管顶以上的水层厚度需维持在1.9~2.54cm,污水不应超出这一厚度,否则紫外强度太小而不能使所有的病原体灭活。两种基本的水位控制器是锐顶堰和水力自动控制翻板闸门(flapgate)。锐顶堰既可保持高峰流量时间的zui高水位,也可保证在零流量时紫外灯浸没在水中,其缺点是在堰的上游底沉积固体,这可通过安装冲洗阀来解决。水力自动控制翻板闸门是通过重力和污水流过渠道的冲力进行工作的,以翻板闸门上放置的重锤来限制闸门的开启度,合理设计的翻板闸门将使水位保持在一个较宽的流量变化范围内。其缺点是在零流量或接近零流量时会发生渗漏以致紫外灯露出水面,影响消毒效果。翻板闸门与紫外灯组的zui小距离为2m。在两种水位控制器中,采用使紫外灯在零流量时仍能保持完全浸没的堰可能更好。一般地,堰用于小于20根紫外灯的小型消毒系统,而翻板闸门则用于大型的紫外消毒系统。

  3结语

  水下照射明渠式污水紫外线消毒器系统的合理设计是紫外线消毒技术在污水处理中应用的关键,选择合适的紫外灯型式有利于节省投资和运行费用,正确确定紫外剂量、zui大和zui小流量以及合理设计水位控制器是保证消毒效果的重要方面。

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