1、废水紫外线消毒的动力学分析2515214012 代蓓蓓（中石化天津分公司水务部） 2515214028 王瑾 2515214027 赵全利 2515214034 齐曼 2515214044 史静娈 2515214047 杨阳 摘要废水紫外线消毒正在逐步取代氯消毒，紫外线消毒的实质是光化学反应，但影响紫外线消毒的因素有很多，例如：温度、菌体浓度、浊度、紫外线照射剂量等多种因素。本文通过研究在不同浊度，不同菌体浓度以及不同照射时间的条件废水紫外线消毒的效果，通过建立速率模型，对实验结果进行线性回归分析，得到浊度及照射时间的影响；并与美国 EPA 手册进行对比，符合设计手册推荐数值，对于紫外线装置运
2、行具有一定的指导意义。关键字：紫外线；消毒；光化学反应；浊度；菌体浓度；速率模型1 前言废水紫外线消毒正在逐步成为取代氯消毒的一种可行性方案。紫外线杀菌的实质是光化学反应，核酸吸收了紫外线能量，其中的各种结构键发生断裂或发生化学聚合反应，形成胸腺嘧啶二聚体。这将致使遗传物质自身不能复制而死亡或被菌体免疫系统所消灭。此外，紫外线消毒还可以引起微生物其他结构的破坏，从而达到消毒的目的。考虑到紫外线杀菌消毒机理的复杂性，采用一些速率模型，综合考虑反应进程，忽略中间反应，避免诸多因素的干扰，使反应的最终结果能更好、更简便、更通俗地表达出来。2 试验材料与方法：2.1 试验用水：试验取水来自中石化天津分
3、公司水务部水净化一车间含油系统，该系统主要流程如下：回流 2 0 0 t / h格栅井 含油均质罐 含油隔油池含油涡凹气浮含油溶气气浮池A / O 池 二沉池氧 2B A F过滤水池多介质边沟溢流超滤反渗透外送废水池空曝5 0 6 0 t / h2 6 0 t / h2 6 0 t / h2 6 0 t / h2 6 0 t / h2 6 0 t / h4 6 0 t / h3 1 0 3 2 0 t /h2 6 0 t / hB A F 反洗 ， 1 0 t / h3 0 0 3 1 0 t /h3 0 0 3 1 0 t/ h溢流水10t/h反洗水 2 0 t / h反洗水1 0 t /
4、h2 7 0 2 8 0 t / h2 6 0 2 7 0 t / h8 0 t / h低压冲洗5t/h1 7 5 t / h废水池出水回格栅4 5 t / h图一本次试验用水来自含油系统二沉池出水，水样表观如下：图二图三根据水质监测的标准方法，测定 COD、TOC、温度、PH、浊度、大肠杆菌群、细菌总数等。进水水质参数COD（mg/L）TOC(mg/L) PH 浊度（NTU）水温（） 大肠杆菌群（CFU/L）细菌总数（CFU/L）58.5 13.4 7.3 24.5 27 0 3*1052.2 试验方法：细菌总数测定采用细菌平皿计数法，浊度测定应用浊度仪检测，水温采用水银温度计测定，COD
5、采用重铬酸钾法测定，TOC 采用在线监测法。3 试验讨论3.1 废水紫外线消毒的动力学分析：紫外线消毒的实质是通过紫外光子辐射导致的光化学反应来进行的，确定速率方程的关键在于确定反应级数，其杀菌的速率方程可以表示为： ndNkt两边取对数，变形后得1tttNdlglnlgkIt其中， 为照射时间 t 时刻的剩余菌体数（CFU/mL） ， 为 t+1 时刻的剩余菌体t 1tN数（CFU/mL） ， k 为杀菌速率常数（cm 2/mWs） ， n 为反应级数， I 为紫外线平均照射强度（mW/cm 2）, t 为照射时间（s） 。根据实验结果，在同一温度下，不同浊度，不同菌体浓度的水质进行检测，得
6、到的结果如下序号时间（min）浊度（NTU） 菌体浓度（CFU/mL）0 920000.5 37001 4801.5 1351211.7780 420000.5 57001 46001.5 5802216.32250 1020000.2 131000.4 71000.6 31001 2302 10632.512.8700 222000.2 108000.4 70000.6 32001 9102 17242.51682对所有的实验结果，利用 EXCEL 做线性回归方程分析，并进行拟合，确定复相关系数。通过回归结果，得到回归方程及复相关系数序号 浊度（NTU）初始菌体浓度（CFU/mL） 回归方程
7、 复相关系数 R21 11.7 92000 lg-(dN/dt)=1.1095lgNt-1.9915 0.99632 16.3 42000 lg-(dN/dt)=1.3086lgNt-2.6212 0.99423 12.8 102000 lg-(dN/dt)=1.2221lgNt-2.341 0.98444 16 22200 lg-(dN/dt)=1.1681lgNt-2.3961 0.9304从回归结果可以看出，紫外线消毒的反应级数在 1.1-1.3 之间，并且随着浊度的增加，反应级数略有增加。因此，可以进一步说明，浊度会对紫外线消毒产生影响。此外，初始菌体浓度对紫外线消毒反应也有较大的影响
8、，随着菌体浓度的增加，反应级数也会随之增大。这是因为菌体浓度增加，菌体间的遮蔽效应增加，紫外线的穿透率减弱，从而导致紫外线消毒反应速率下降。由此可见，在一定浊度及初始菌体浓度范围内，紫外线消毒过程可近似看做为一级光化学反应。根据一级化学反应动力学模型0ttNe两边取对数，得0tlnln式中， N0表示菌体的初始浓度， 表示一级杀菌速率常数（ = I） （s -1） ，其他符号意义同前。通过线性回归，可得到速率方程如下表：序号 浊度（NTU） 初始菌体浓度 （CFU/mL） 速率方程 复相关系数 R21 11.7 92000 lnNt=-3.4913t-10.508 0.91912 16.3 4
9、2000 lnNt=-2.2367t-10.242 0.94633 12.8 102000 lnNt=-2.6638t-10.017 0.84714 16 22200 lnNt=-2.2173t-9.6347 0.975通过此表表明，根据线性回归结果可以看到，紫外线消毒，随着浊度的增加，速率常数具有降低的趋势。污水的浊度较高，其中的固体悬浮物可散射或吸收紫外线，从而使紫外线的穿透率降低，并通过遮蔽紫外线隐藏细菌，使之达到保护菌体的目的。4 结论：进行紫外线消毒时，在考虑增大照射剂量的同时，应尽量降低进水浊度和菌体浓度，不仅如此，紫外线消毒是光化学反应，其杀菌速率除与微生物种类，菌体浓度和浊度有
10、关外，与温度，光强度，照射时间有关系，有文献表明，温度范围在 18.523时，速率常数受到温度的影响较小。本文得到的结果符合美国 EPA 设计手册的推荐值。因此，本实验所得的动力学参数可以作为紫外线消毒反应器的设计和运行管理的参考依据。5 参考文献：1 张辰，张欣，吕东明，等 紫外线消毒的理论研究J 给水排水，2004，30( 1) : 21-242 国家环境保护总局 水和废水监测分析方法M 北京: 中国环境科学出版社，2002: 15-2803 王向东，陈尧，齐巍，等 废水紫外线消毒的动力学研究J 环境污染治理技术与设备，2006，1( 7) : 55-584 陈尧，王向东，谢嘉 紫外线消毒动力学研究J 中国给水排水，2003，19( 4) : 45-47
