飲用水紫外線組合消毒技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010
摘 要：簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外飲用水紫外線組合消毒技術(shù)的研究成果與應(yīng)用發(fā)展歷程，通過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)多數(shù)水廠在運(yùn)行半年至兩年后紫外設(shè)備停用的現(xiàn)狀，分析其停用的原因。通過三個(gè)典型案例分析討論了紫外線組合消毒技術(shù)的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果表明紫外線組合消毒工藝對(duì)微生物滅活效果更好，使用的化學(xué)藥劑的劑量更少，消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)降低，更能提升飲用水的口感，保障飲用水的健康，是未來飲用水消毒技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。關(guān)鍵詞：飲用水；微生物風(fēng)險(xiǎn)；紫外線；多屏障消毒
消毒是保障飲用水生物安全性的重要環(huán)節(jié)，有液氯消毒、次氯酸鈉消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外線消毒等多種形式?；瘜W(xué)消毒劑的使用均存在各自消毒副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)，單一消毒方式可能導(dǎo)致某些副產(chǎn)物超標(biāo)。因此，組合消毒作為一種集成技術(shù)，可發(fā)揮多種技術(shù)協(xié)同消毒的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，有效控制消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生。其中，紫外線組合消毒技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注、研究與應(yīng)用。
2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
紫外線消毒技術(shù)在歐洲和北美起步較早，全世界第一家應(yīng)用紫外線消毒的水廠就在法國(guó)馬賽，歐洲已經(jīng)3000套以上的紫外線消毒設(shè)備，該技術(shù)在北美也得到大規(guī)模應(yīng)用。
美國(guó)2006年公布了第二階段強(qiáng)化地表水處理法規(guī)（LT2ESWTR），其中規(guī)定：飲用水處理過程中必須去除或滅活3log的賈第鞭毛蟲，4log的病毒，4log的隱孢子蟲，由于氯消毒對(duì)隱孢子蟲幾乎沒有效果，LT2ESWTR要求現(xiàn)有水廠使用過濾加紫外線或臭氧的消毒工藝，而新水廠則需使用過濾和多級(jí)組合式消毒工藝。這一法規(guī)促進(jìn)了紫外線消毒技術(shù)的發(fā)展。
2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程
相較于歐美國(guó)家來說，國(guó)內(nèi)在紫外線消毒技術(shù)方面的研究與應(yīng)用起步較晚，但順勢(shì)發(fā)展速度快?！笆晃濉?、“十二五”期間，國(guó)家水專項(xiàng)進(jìn)行了多項(xiàng)該技術(shù)的系列研究，包括微污染江河原水高效凈化關(guān)鍵技術(shù)及示范（2008ZX07421-004）、南水北調(diào)京津受水區(qū)供水安全保障技術(shù)研究與示范（2012ZX07404-002）等，考察了中壓和低壓紫外與多種化學(xué)消毒劑組合使用的工藝參數(shù)，以及出水生物與化學(xué)安全性的風(fēng)險(xiǎn)情況。研究發(fā)現(xiàn)，紫外線消毒是廣譜性zh的消毒技術(shù)，特別是對(duì)抗氯性的隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲（后簡(jiǎn)稱“兩蟲”）等有顯著的殺滅效果，而且作為物理手段沒有消毒副產(chǎn)物的問題。但紫外線沒有持續(xù)消毒作用，無法保證供水管網(wǎng)中的生物穩(wěn)定性，因此需要與化學(xué)消毒劑組合使用，形成多屏障消毒技術(shù)。紫外線組合消毒在擴(kuò)大微生物控制覆蓋的同時(shí)，減少化學(xué)藥劑的使用量，從而降低消毒副產(chǎn)物的生成，zd程度地提高供水安全。并且制定了zj紫外輻射劑量的確定方法，探明了輻射劑量常用范圍、最短水力停留時(shí)間、微生物的滅活效果以及副產(chǎn)物控制技術(shù)。目前與紫外聯(lián)用的消毒劑主要有：氯、次氯酸鈉、氯酸鹽、氯胺、臭氧、過氧化氫等。在大量研究基礎(chǔ)上，2005年制定了《城市給排水紫外線消毒設(shè)備》（GB/T 19837）標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定紫外線消毒設(shè)備應(yīng)保證在處理峰值流量下、紫外燈運(yùn)行壽命終點(diǎn)時(shí)并考慮紫外燈管結(jié)垢影響后，紫外線的有效劑量不低于40mJ/cm2。2018年，在《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50013）中也細(xì)化了有關(guān)紫外線消毒的相關(guān)要求，以指導(dǎo)國(guó)內(nèi)紫外線組合消毒技術(shù)的推廣應(yīng)用。自2009年，我國(guó)sg采用紫外+氯消毒技術(shù)的天津泰達(dá)供水廠正式通水投產(chǎn)，北京、上海等一線城市供水廠也相繼開始應(yīng)用紫外組合消毒技術(shù)，并逐漸向全國(guó)范圍內(nèi)推廣。三鹵甲烷、鹵乙酸、溴酸鹽等消毒副產(chǎn)物以及“兩蟲”等抗氯微生物得到了穩(wěn)定控制，出水水質(zhì)達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
目前，紫外組合消毒在飲用水行業(yè)的使用數(shù)量仍然相對(duì)較少，下表列舉了部分國(guó)內(nèi)外采用紫外組合消毒技術(shù)的水廠。表1 國(guó)內(nèi)外采用紫外組合消毒工藝的水廠（部分）
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水廠名稱
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位置
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消毒工藝
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規(guī)模
（萬m3/d）
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臨江水廠
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上海
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紫外+氯/氯胺
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60
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郭公莊水廠
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北京
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紫外+氯
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50
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北京第十水廠
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北京
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紫外+氯胺
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50
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納金自來水廠
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拉薩
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紫外+氯
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50
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玉清水廠
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濟(jì)南
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紫外+氯
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40
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新城自來水廠
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淄博
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紫外+氯
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30
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天津泰達(dá)水廠三期
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天津
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紫外+氯
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15
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觀音埔水廠
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福清
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紫外+二氧化氯
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15
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十堰市第三水廠
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十堰
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紫外+氯
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10
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門頭溝門城水廠
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北京
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紫外+氯胺
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10
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平谷區(qū)地下水廠
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北京
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紫外+次氯酸鈉
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9.5
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天津漢沽水廠二期
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天津
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紫外+氯
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5
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上南水廠
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深圳
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紫外+氯
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2.5
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環(huán)洱海六座水廠
（師專、銀橋、喜洲水廠等）
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大理
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紫外+二氧化氯（或氯）
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共計(jì)21
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西雅圖水廠
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美國(guó)
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紫外+臭氧+氯
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68
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Poughkeepsie water works
波基普西水處理廠
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美國(guó)
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紫外+次氯酸鈉
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4
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鹿特丹水廠
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荷蘭
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紫外+氯
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47
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PWN水廠
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荷蘭
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紫外+過氧化氫
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9.6
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圣彼得堡水廠
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俄羅斯
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紫外+次氯酸鈉
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86
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Styrum-Ost水廠
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德國(guó)
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紫外+氯
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19.2
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North East Water水廠
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澳大利亞
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紫外+氯
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0.15
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紫外組合消毒技術(shù)正在推廣，以進(jìn)口設(shè)備為主，管道式中壓、低壓高強(qiáng)兩種方式，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，按照目前國(guó)內(nèi)外的紫外線消毒劑量標(biāo)準(zhǔn)（40mJ/cm2），紫外線設(shè)備的投資成本約為400元/m3/d，進(jìn)口設(shè)備略貴于國(guó)內(nèi)設(shè)備。紫外線消毒運(yùn)行成本在常規(guī)劑量下，在0.006～0.02元/m3間。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)水廠在運(yùn)行半年至兩年后，停用紫外設(shè)備，改為化學(xué)消毒，其原因如下。（1）紫外線組合消毒可以解決傳統(tǒng)的氯消毒方式難以去除水中抗氯性致病微生物的問題和生物活性炭出水的微生物安全問題，但是絕大多數(shù)水廠并不具備檢測(cè)隱孢子蟲、賈第蟲指標(biāo)的能力，且居民多飲用熟水，微生物風(fēng)險(xiǎn)得到了顯著控制，紫外組合消毒優(yōu)勢(shì)未從感官上體現(xiàn)。（2）利用紫外線消毒工藝減少化學(xué)消毒劑的投加量（氯系消毒劑投加量不超過1mg/L），從而控制消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，但是三鹵甲烷、鹵乙酸等消毒副產(chǎn)物不是水廠常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)，更多痕量的消毒副產(chǎn)物絕大多數(shù)水廠更是不具備檢測(cè)能力，而且，實(shí)際應(yīng)用中，大多水廠并未減少化學(xué)消毒劑的用量，紫外組合消毒在控制化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)上的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不明顯。（3）有研究指出，紫外照射后，會(huì)增加消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，其實(shí)，消毒副產(chǎn)物是否增加，取決于紫外線的輻射劑量。如果將紫外應(yīng)用于高級(jí)氧化，在高劑量下運(yùn)行，確有增加消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)，但是用于消毒的劑量較低（按照國(guó)標(biāo)要求40mJ/cm2），在安全劑量?jī)?nèi)，不會(huì)增加消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。（4）該技術(shù)在應(yīng)用中缺乏成熟的運(yùn)行管理制度和標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)水廠運(yùn)行，且運(yùn)維管理費(fèi)用較高。
雖然多數(shù)水廠已停用紫外設(shè)備，但是國(guó)內(nèi)仍不乏持續(xù)運(yùn)行的成功應(yīng)用案例，例如北京郭公莊水廠和上海臨江水廠，都是水專項(xiàng)研究的示范工程水廠，且目前自行開展了大量試驗(yàn)研究，以繼續(xù)探究紫外組合消毒技術(shù)的效果，現(xiàn)進(jìn)行國(guó)內(nèi)外典型案例分析。
4.1 案例一：北京郭公莊水廠
郭公莊水廠是配合南水北調(diào)總體水資源配置規(guī)劃，為消納南水而新建的水廠，采用紫外-氯聯(lián)合消毒技術(shù)，是國(guó)內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的新建大型水廠，工藝流程如圖1所示。
其設(shè)計(jì)處理水量50萬m3/d，紫外設(shè)定劑量40mJ/cm2，根據(jù)來水水量實(shí)際劑量可在40~70mJ/cm2內(nèi)調(diào)整。紫外線消毒間與膜車間合建，共分2個(gè)系列為半地下式，為進(jìn)清水池前的生產(chǎn)水進(jìn)行紫外線消毒。紫外線消毒設(shè)備數(shù)量8套，每套功率77kW；每套設(shè)備含紫外線燈管6根。采用8套設(shè)備并列排布運(yùn)行，分由8個(gè)紫外裝置與進(jìn)水管相連接，每個(gè)紫外裝置內(nèi)有6根紫外燈管。紫外設(shè)備選用加拿大特潔安品牌，型號(hào)UVSwiftTM30，功率為21kW，由紫外反應(yīng)器、溫度開關(guān)、液位開關(guān)、AccUVSensorMT紫外傳感器、ActiCleanTM清洗系統(tǒng)及電控柜組成。相比于傳統(tǒng)的低壓燈管，水廠紫外設(shè)備采用的中壓燈管的工作強(qiáng)度更高。系統(tǒng)中高強(qiáng)度燈管的輸出是可控的，以適應(yīng)水質(zhì)或水流量的變動(dòng)，30-100%五級(jí)調(diào)節(jié)，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)劑量。目前已運(yùn)行多年，按廠家要求每半年進(jìn)行維護(hù)性檢修一次，未進(jìn)行燈管更換，設(shè)備未出現(xiàn)較大故障。郭公莊水廠自2014年9月30日通水以來，工藝運(yùn)行平穩(wěn)，出廠水水質(zhì)合格率100%。制水成本2.2元/噸水，其中原水費(fèi)1元/噸水，水處理費(fèi)1.2元/噸水，紫外成本小于0.1元/噸水。為對(duì)比不同的消毒方式的mj效果，分別選取了郭公莊水廠、門城水廠和水源九廠的出廠水進(jìn)行檢測(cè)，它們的消毒方式分別為紫外+氯、氯和氯胺消毒。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用任何消毒方式對(duì)微生物的滅活均有效果。采用紫外+氯消毒工藝出水中的微生物數(shù)基本控制在50CFU/ml以內(nèi)，而采用氯消毒工藝和氯胺消毒工藝出水中的微生物數(shù)基本在100~200CFU/ml以內(nèi)。對(duì)比三種消毒方式的出水中的微生物數(shù)量，采用紫外+氯消毒方式對(duì)水中的微生物滅活效果更好。繼續(xù)對(duì)北京市供水管網(wǎng)中生物膜的分析表明，采用紫外聯(lián)合氯消毒后，管網(wǎng)生物膜中微生物菌落種類和群數(shù)都大大減小。
4.2 案例二：上海臨江水廠
臨江水廠是2010年上海世博會(huì)世博園及其周邊地區(qū)供水水廠。工程中采用多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)與工藝，其中的關(guān)鍵技術(shù)是臭氧生物活性碳功能強(qiáng)化與紫外組合消毒技術(shù)。針對(duì)上海黃浦江原水存在兩蟲和臭氧生物活性炭微生物泄露問題，引進(jìn)消化吸收采用紫外與氯/氯胺組合消毒技術(shù)，形成多級(jí)屏障的飲用水安全消毒工藝，保證出水的微生物指標(biāo)。紫外線消毒車間共有4組紫外線發(fā)生器，處理活性炭濾池濾后水，設(shè)計(jì)水量60萬m3/d，首次在我國(guó)自來水廠應(yīng)用低壓紫外燈，采用德國(guó)WEDECO公司K12-5(7)/143型紫外線mj系統(tǒng)，每組紫外線發(fā)生器配有5個(gè)燈組，每個(gè)燈組有12個(gè)紫外線低壓燈管，功耗88kW，設(shè)計(jì)zd紫外線劑量40mJ/cm2，實(shí)際生產(chǎn)中紫外劑量為12~27mJ/cm2，對(duì)出水xj的對(duì)數(shù)去除率進(jìn)行核算，根據(jù)進(jìn)水水量水質(zhì)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輻射劑量。紫外線消毒對(duì)xj的對(duì)數(shù)去除率在2.1~2.9log之間，紫外出水xj數(shù)范圍在9~191CFU/mL，經(jīng)氯胺順序消毒，劑量為2mg/L，出廠水xj數(shù)為0CFU/mL，抽檢未檢出大腸菌，消毒副產(chǎn)物與單氯消毒區(qū)別不明顯。其他水質(zhì)達(dá)到國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006的要求，在濁度、CODMn、嗅味等指標(biāo)也明顯改善。
4.3 案例三：美國(guó)波基普西水處理廠Poughkeepsiewater works
波基普西水處理廠始建于1869年，是全美第一家自來水廠，以哈德遜河為水源，經(jīng)2004年、2016年兩次升級(jí)改造，采用了“混凝+沉淀+臭氧生物活性炭+紫外聯(lián)合次氯酸鈉消毒”工藝。紫外車間共6組紫外線反應(yīng)器，處理活性炭濾池后水量10MGD，約4萬m3/d，每組反應(yīng)器設(shè)計(jì)投加劑量45mJ/cm2，但紫外燈，只有低中高三檔位調(diào)節(jié)輻射劑量，由于實(shí)際運(yùn)行水量不足，實(shí)際投加劑量為90mJ/cm2。水廠水源有多氯聯(lián)苯等化學(xué)品微污染問題，經(jīng)過紫外線消毒后，維持余氯量約2.3mg/L，出水總?cè)u甲烷7.6ug/L（標(biāo)準(zhǔn)限值80ug/L），出水總鹵乙酸7.1ug/L（標(biāo)準(zhǔn)限值60ug/L），兩蟲未檢出。
（1）飲用水紫外組合消毒是多級(jí)屏障工藝體系，以紫外為主消毒工藝，通過不同消毒方式之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)多屏障消毒及安全消毒的效果，覆蓋絕大部分微生物滅活，解決了傳統(tǒng)的氯消毒方式難以去除水中抗氯性致病微生物的問題，以及生物活性炭出水的微生物安全問題，對(duì)管網(wǎng)中的生物安全性也有正向作用，保障飲用水微生物健康安全。（2）其他化學(xué)藥劑作為副消毒，目的是維持管網(wǎng)余氯，可以減少其劑量，消毒方式更生態(tài)，更綠化；同時(shí)，化學(xué)藥劑劑量減少，消毒副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)降低。（3）隨著高品質(zhì)用水的需求不斷提高，人們更關(guān)注健康和口感，紫外組合消毒技術(shù)是有效手段之一，是未來發(fā)展的方向。（4）為應(yīng)對(duì)我國(guó)復(fù)雜多變的飲用水源水質(zhì)現(xiàn)狀，大范圍推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，有些問題仍有待進(jìn)一步研究，包括紫外燈的評(píng)價(jià)體系、紫外線消毒效果評(píng)價(jià)體系、設(shè)計(jì)紫外線消毒劑量確定、紫外線消毒系統(tǒng)智慧化運(yùn)行等。
編輯：李卿
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