飲用水紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用分析

氯消毒會(huì)產(chǎn)生具有致癌作用的氯化消毒副產(chǎn)物，而近些年來(lái)賈第蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)的發(fā)現(xiàn)，使現(xiàn)有的氯消毒工藝面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人們開(kāi)始尋找新的替代消毒技術(shù)有效地提高消毒效果，并且可以降低消毒過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物對(duì)人體健康的潛在危害，同時(shí)保證飲用水的微生物學(xué)安全性和化學(xué)安全性[1]。
　　
　　在眾多的替代消毒技術(shù)中，由于紫外線消毒不添加任何化學(xué)物質(zhì)、消毒效果好及不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的重視。紫外線消毒的歷史非常悠久，在歐洲，飲用水紫外線消毒已有近百年的歷史。1910年，法國(guó)的馬賽一家自來(lái)水廠最先安裝了一套紫外線消毒系統(tǒng)對(duì)飲用水進(jìn)行消毒，到目前為止，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已在污水處理廠安裝了近4000套大型紫外線消毒系統(tǒng)，應(yīng)用該技術(shù)的廠家約占污水處理廠總數(shù)的10%。同時(shí)，至2001年底已有2000多家自來(lái)水廠采用了紫外消毒技術(shù)，占自來(lái)水廠總數(shù)的10%以上，并且大量的紫外消毒技術(shù)改造工程正在進(jìn)行之中。由于紫外線消毒在環(huán)保及人身安全方面的突出優(yōu)點(diǎn)，歐洲及北美的許多國(guó)家將紫外線消毒列為用水終端和用戶進(jìn)水端及小型給水系統(tǒng)中的首選方法。尤其是發(fā)現(xiàn)自來(lái)水中存在隱孢子蟲(chóng)后，美國(guó)已經(jīng)將紫外消毒工藝作為自來(lái)水消毒的最佳手段寫入供水法規(guī)中[2]。
　　
　　1 紫外線消毒的生物學(xué)原理
　　
　　紫外線位于X射線和可見(jiàn)光之間，在物理學(xué)上一般將紫外線分為真空紫外線區(qū)(<190nm)、遠(yuǎn)紫外區(qū)(190-300nm)和近紫外區(qū)(300-400nm)；按其生物學(xué)作用的差異，紫外線可分為UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫外線部分。水處理中實(shí)際上是使用紫外線的UV-C部分，在該波段中260nm 附近已被證實(shí)是殺菌效率最高的紫外線[3]。
　　
　　紫外線滅菌的原理是基于核酸對(duì)紫外線的吸收。紫外殺菌本質(zhì)上是一個(gè)光化學(xué)過(guò)程，每一粒波長(zhǎng)253.7nm的紫外線光子具有4.9eV的能量，紫外光子必須被吸收才具有活性。核酸是一切生命體的基本物質(zhì)和生命基礎(chǔ)，核酸分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類，其共同點(diǎn)是由磷酸二脂鍵按嘌呤與嘧啶堿基配對(duì)的原則而連接起來(lái)的多核苷酸鏈。當(dāng)微生物體受到紫外線照射時(shí)，會(huì)吸收紫外線的能量，從而引起DNA的損傷，最常見(jiàn)的兩種損傷形式為環(huán)丁烷嘧啶二聚體(cyclobutane pyrimidine dimmer,CPD)和嘧啶-嘧啶酮光產(chǎn)物(pyrimidine pyrimidone photoproducts, PP)。當(dāng)DNA受到紫外線照射后，相鄰的嘧啶堿基共價(jià)交聯(lián)形成環(huán)丁烷四圓環(huán)，使兩個(gè)堿基的5、6位雙鍵飽和，形成CPD。嘧啶-嘧啶酮光產(chǎn)物是通過(guò)5嘧啶的5和6位碳原子或3嘧啶的4位碳原子和位于4位碳的氧原子或亞氨基異構(gòu)體間形成的二氧乙烷或氮雜丁烷4圓環(huán)而形成的，這些都是比較穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而阻止了DNA的復(fù)制[4,5]；另一方面，在紫外線的照射下可以產(chǎn)生自由基引起光電離，造成微生物不能復(fù)制繁殖，就會(huì)自然死亡或被人體免疫系統(tǒng)消滅，不會(huì)對(duì)人體造成危害，從而達(dá)到消毒的目的。
　　
　　2 紫外線消毒對(duì)水中微生物的滅活效果
　　
　　   紫外線消毒具有較高的微生物滅活效果，對(duì)水中多種微生物都具有良好的滅活效果，并且殺菌速度快，大多數(shù)都是在1秒之內(nèi)。紫外線對(duì)常見(jiàn)細(xì)菌和病毒的滅菌效果如表1所示：
　　
　　
　　
　　表1 　紫外技術(shù)對(duì)常見(jiàn)細(xì)菌病毒的殺菌效率(紫外輻射強(qiáng)度30mW/ cm2)
　　
　　種類　　 名稱　　 100 %殺滅所需時(shí)間(秒)　
　　細(xì)菌類　 炭疽桿菌　　 0.3
　　  結(jié)核(分支)桿菌　0.41
　　  白喉?xiàng)U菌　　 0.25
　　  霍亂弧菌　　 0.64
  破傷風(fēng)桿菌　　　0.33
　　  假單胞桿菌屬　　0.37
  肉毒梭菌　　 0.8
　　  沙門氏菌屬　　 0.51
　　  痢疾桿菌　　 0.15
  腸道發(fā)燒菌屬　　0.41
  大腸桿菌　　 0.36
  鼠傷寒桿菌　　 0.53
　　病毒類
  腺病毒　　 0.1
  流感病毒　　 0.23
  噬菌胞病毒　 0.2
  脊髓灰質(zhì)炎病毒　0.8
  柯薩奇病毒　　 0.08
  輪狀病毒　　 0.52
  愛(ài)柯病毒　　 0.73
  煙草花葉病毒　　16
  愛(ài)柯病毒I 型　　0.75
  乙肝病毒　　 0.73
　　霉菌孢子
  黑曲霉　　 6.67
  軟孢子　　 0.33
  曲霉屬　　 0.73-8.80
  青霉菌屬　　 2.93-0.87
  大糞真菌　　 8
  產(chǎn)毒青霉　　 2.0-3.33
  毛霉菌屬　　 0.23-4.67
  青霉其它菌類　　0.87
　　
　　水藻類
  藍(lán)綠藻　　 10-40
  草履蟲(chóng)屬　　 7.3
  小球藻屬　　 0.93
  綠藻　　 1.22
  線蟲(chóng)卵　　 3.4
  原生動(dòng)物屬類　　4-6.70
　　
　　魚(yú)類病
  Fung1 病　　 1.6
  感染性胰壞死病　4
  白斑病　　 2.67
  病毒性出血病　　1.6
　　
　　
　　另外，紫外線消毒技術(shù)對(duì)近些年發(fā)現(xiàn)的致病性病原微生物賈第蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)也具有良好的滅活效果。隱孢子蟲(chóng)孢囊通過(guò)人畜的糞便排入環(huán)境，它們可在環(huán)境中存活很長(zhǎng)時(shí)間，隱孢子蟲(chóng)卵囊和賈孢子蟲(chóng)孢囊比其它水傳染病源微生物的存活時(shí)間長(zhǎng)，因而可引起多次疾病的爆發(fā)。隱孢子蟲(chóng)引起的疾病非常嚴(yán)重，其普遍的的癥狀是腹瀉、嘔吐、低燒，類似流感的癥狀，而對(duì)免疫機(jī)能不健全的患者，如艾滋病患者，其疾病更為嚴(yán)重，導(dǎo)致死亡。如1994年美國(guó)拉斯維加斯市爆發(fā)隱孢子蟲(chóng)病，20名艾滋病患者死亡[6-9]。近年來(lái)的研究表明，使用低壓汞燈和中壓汞燈的輻射劑量在30J/m2時(shí)，能滅活隱孢子蟲(chóng)99.9 %以上，并且通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱孢子蟲(chóng)[10~12]。紫外線消毒對(duì)軍團(tuán)菌也有良好的效果，Muraca比較了臭氧、紫外線和氯和加熱對(duì)軍團(tuán)菌的滅活情況，紫外線和加熱(60度)1個(gè)小時(shí)產(chǎn)生了5log的滅活，氯和臭氧需5個(gè)小時(shí)才能達(dá)到同樣的滅活效果[13,14]。
　　
　　3 紫外線消毒與其它消毒方法的比較
　　
　　五種常用的消毒方法在消毒效果、費(fèi)用及安全性方面的比較（見(jiàn)表2）。從表中可以看出，幾種中化學(xué)消毒劑滅活微生物需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而紫外線消毒僅需幾秒鐘即可達(dá)到同樣的滅活效果。化學(xué)消毒劑都會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)人體健康有害的消毒副產(chǎn)物，并且操作及管理也比較復(fù)雜，紫外線消毒在滅菌的過(guò)程中不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，而且運(yùn)行操作簡(jiǎn)便，其基建投資及運(yùn)行費(fèi)用也低于其他幾種化學(xué)消毒方法。
　　
　　表2 紫外線消毒與其他消毒方法的比較
　　
　　消毒方法　　消毒時(shí)間　消毒副產(chǎn)物　　  費(fèi)用　　   效果　　   安全性
　　
　　液氯　　 >30min　　三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵化腈　　 基建、運(yùn)行費(fèi)用較低　　  能有效滅菌　　   氯有毒、腐蝕性強(qiáng)、運(yùn)行管理有一定的危險(xiǎn)
　　 
　　氯胺　　 >30min　　鹵乙酸、氯化腈、溴化腈　　 基建、運(yùn)行費(fèi)用較低　　  滅菌效果差、持久性滅菌效果好　　管網(wǎng)腐蝕性小
　　
　　二氧化氯　　10~20min　亞氯酸鹽、氯酸鹽　　  基建和安裝費(fèi)用高  滅菌效果較氯好　　  二氧化氯不穩(wěn)定、強(qiáng)氧化性、
       運(yùn)行費(fèi)用較低　　　　      有毒性和腐蝕性、操作管理要求高

　　臭氧　　 5~10min　 溴酸鹽、醛類、  基建投資較大、運(yùn)行成本高　　 滅菌和殺滅病毒的效果均較好　　 有毒性、強(qiáng)氧化性、操作管理要求高
　　　　　　　　　　　　　酮類、羧酸、二溴丙酮腈　　     無(wú)持續(xù)殺菌能力

　　紫外線　　 5~10s　　 無(wú)　　   安裝費(fèi)用為二氧化氯的50%； 消毒效果好、迅速  安全性好
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　運(yùn)行費(fèi)用為氯胺的25%　　  無(wú)持續(xù)殺菌能力　　
　　
　　4 紫外線消毒應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)
　　
　　紫外線消毒工藝具有其他消毒工藝所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)消毒技術(shù)的缺點(diǎn)。歐洲許多國(guó)家以及北美的加拿大和美國(guó)已在九十年代分別修改了環(huán)境立法，在廢水處理后的消毒，以及飲用水的消毒上，推薦采用紫外線消毒技術(shù)。紫外線消毒的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：
　　
　　(1) 紫外線消毒技術(shù)具有較高的殺菌效率，運(yùn)行安全可靠。紫外線消毒對(duì)細(xì)菌和病毒等具有較高的滅活效率并且由于不投加任何化學(xué)藥劑，因此它不會(huì)對(duì)水體和周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染。
　　
　　(2) 對(duì)隱孢子蟲(chóng)和賈第蟲(chóng)有特效消毒效果，常規(guī)的氯消毒工藝對(duì)隱孢子蟲(chóng)和賈第蟲(chóng)的滅活效果很低，并且在較高的氯投量下會(huì)產(chǎn)生大量的消毒副產(chǎn)物，而紫外線消毒在較低的紫外線劑量下對(duì)隱孢子蟲(chóng)和賈第蟲(chóng)就可以達(dá)到較高的滅活效果。
　　
　　(3) 不產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物，不增加飲用水的AOC含量。紫外線消毒不改變有機(jī)物的特性，并且由于不投加化學(xué)藥劑，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的副產(chǎn)物，并且不會(huì)增加AOC和BDOC等損害管網(wǎng)水生物穩(wěn)定性的副產(chǎn)物。
　　
　　(4) 能降低臭味和降解微量有機(jī)物，紫外線對(duì)水中多種微量有機(jī)物具有一定的降解能力，并且能夠降低水的臭和味。
　　
　　(5) 占地面積小，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低。對(duì)每天5萬(wàn)噸污水用氯消毒來(lái)說(shuō)，需建有一個(gè)130米長(zhǎng)、3米寬的接觸渠。采用紫外線消毒只需20米長(zhǎng)3米寬的面積；紫外線消毒運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，可達(dá)每噸水僅4厘人民幣甚至更低，其性能價(jià)格比具有很大優(yōu)勢(shì)。
　　
　　(6) 消毒效果受水溫、pH影響小。
　　
　　紫外線消毒技術(shù)在工程應(yīng)用中也存在一定的缺點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面：
　　
　　(1) 無(wú)持續(xù)殺菌能力，消毒后的水如果遇到新的污染源，會(huì)再次被污染，需與氯配合使用；
　　
　　(2) 濁度及水中懸浮物對(duì)紫外殺菌有較大影響，降低消毒效果；
　　
　　(3) 紫外燈套管容易結(jié)垢，影響紫外光的透出和殺菌效果，因此需要對(duì)套管進(jìn)行定期的清洗以及采取表面降溫措施來(lái)防止管垢的形成；
　　
　　(4) 細(xì)菌的復(fù)活現(xiàn)象，一些細(xì)菌被紫外照射失活的病毒細(xì)菌可通過(guò)光的協(xié)助修復(fù)自身被破壞的組織，達(dá)到復(fù)活目的，另外一些細(xì)菌可能存在著暗復(fù)活現(xiàn)象(無(wú)需光照)；
　　
　　(5) 國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)少，在國(guó)內(nèi)，雖然工程上已經(jīng)逐漸開(kāi)始使用紫外線系統(tǒng)，但是對(duì)于紫外線消毒技術(shù)的研究并沒(méi)有完全開(kāi)展起來(lái)，對(duì)于紫外線消毒的應(yīng)用也還存在較多問(wèn)題。
　　
　　5 紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用前景
　　
　　紫外線消毒具有廣譜性，對(duì)多種病源微生物都有較好的作用效果。歐洲許多國(guó)家以及北美的加拿大和美國(guó)已在九十年代分別修改了環(huán)境立法，在廢水處理后的消毒以及飲用水的消毒上，都推薦采用紫外線消毒技術(shù)[15]。目前紫外線在飲用水消毒、再生回用水消毒、生活污水、工業(yè)廢水等的消毒處理中得到了一定的應(yīng)用，盡管紫外線消毒技術(shù)存在無(wú)持久殺菌能力、細(xì)菌光修復(fù)問(wèn)題及燈管的使用壽命等問(wèn)題，但是相信隨著人們對(duì)紫外線消毒技術(shù)研究的不斷深入，殺菌效率更高的中壓燈、脈沖燈的出現(xiàn)，燈管使用壽命的延長(zhǎng)，以及對(duì)紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的深入，紫外線消毒裝置產(chǎn)品的商業(yè)化、國(guó)產(chǎn)化，綠色環(huán)保高效的紫外線消毒技術(shù)在我國(guó)飲用水消毒中將具有良好的應(yīng)用前景。
　　
　　
　　
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