大家之言｜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

王光辉，高级工程师，现任北京首创生态环保集团股份有限公司城镇水务事业群总经理，中国城镇供水排水协会工程教育专业委员会副主任，长期在城镇水务领域工作，擅长水务技术、投资、建设和运营等领域，目前代表公司管理水务资产近700亿元，覆盖全国28个省，140多个地级市，涉及供排水项目公司240多家。主持并参与多项行业、地方标准的编制及审查，参与多项国家、地方科研课题的研究，先后荣获国家现代化创新管理二等奖获，北京市现代化创新管理一等奖、二等奖，住建部华夏建设科学技术奖二等奖等多项省部级奖励，撰写发表论文20多篇,申请多项国家专利。

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。 

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。

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。

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。

2.3.1 水量对紫外消毒效果的影响

水量是影响紫外消毒效果的直接因素之一，2.2节中分析的灯管水力负荷、照射时间，均能反映出水量对消毒效果的影响。大多数消毒系统采用的是明渠式，通过进水、出水渠道设计,以使照射渠水流均匀。但实际过程中水流状态和理想状态差异较大，当水量激增时，水体和紫外线接触时间变短，实际紫外剂量无法满足消毒所需剂量。紫外消毒渠停留时间短，瞬时流量波动对消毒效果影响较大，因此，紫外消毒系统一般以最大峰值流量作为设计参数，从而提高系统耐水量冲击负荷。

根据调研情况，对于消毒效果不稳定的污水厂，其超标风险往往发生在水量较大时。对污水厂水量与出水粪大肠菌群的关系进一步分析，并未发现明显规律，如图4所示。推测原因如下：1)处理水量基本在紫外消毒设计负荷内，因此水量对消毒效果的影响不明显；2)处理水量大时，部分项目采用临时补充消毒，此时无法体现紫外消毒对消毒效果的影响；3)进水水质可能存在变化，无法排除进水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。