水處理設備、紫外線消毒設備研發製造

景觀水、湖水、河道等淨化治理設計與施工

泳池、水景噴泉、水上樂園等水循環設計與施工

汙水、廢水、中水回用、雨水利用等設計與施工

 

飲用水紫外線消毒技術應用分析



氯消毒會產生具有致癌作用的氯化消毒副產物,而近些年來賈第蟲和隱孢子蟲的發現,使現有的氯消毒工藝麵臨嚴峻的挑戰,人們開始尋找新的替代消毒技術有效地提高消毒效果,並且可以降低消毒過程中產生的副產物對人體健康的潛在危害,同時保證飲用水的微生物學安全性和化學安全性[1]。
   在眾多的替代消毒技術中,由於紫外線消毒不添加任何化學物質、消毒效果好及不產生消毒副產物等優點而引起人們的重視。紫外線消毒的曆史非常悠久,在歐洲,飲用水紫外線消毒已有近百年的曆史。1910年,法國的馬賽一家自來水廠最先安裝了一套紫外線消毒係統對飲用水進行消毒,到目前為止,西方發達國家已在汙水處理廠安裝了近4000套大型紫外線消毒係統,應用該技術的廠家約占汙水處理廠總數的10%。同時,至2001年底已有2000多家自來水廠采用了紫外消毒技術,占自來水廠總數的10%以上,並且大量的紫外消毒技術改造工程正在進行之中。由於紫外線消毒在環保及人身安全方麵的突出優點,歐洲及北美的許多國家將紫外線消毒列為用水終端和用戶進水端及小型給水係統中的首選方法。尤其是發現自來水中存在隱孢子蟲後,美國已經將紫外消毒工藝作為自來水消毒的最佳手段寫入供水法規中[2]。
   1 紫外線消毒的生物學原理
紫外線位於X射線和可見光之間,在物理學上一般將紫外線分為真空紫外線區(<190nm)、遠紫外區(190-300nm)和近紫外區(300-400nm);按其生物學作用的差異,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 附近已被證實是殺菌效率最高的紫外線[3]。
紫外線滅菌的原理是基於核酸對紫外線的吸收。紫外殺菌本質上是一個光化學過程,每一粒波長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和生命基礎,核酸分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類,其共同點是由磷酸二脂鍵按嘌呤與嘧啶堿基配對的原則而連接起來的多核苷酸鏈。當微生物體受到紫外線照射時,會吸收紫外線的能量,從而引起DNA的損傷,最常見的兩種損傷形式為環丁烷嘧啶二聚體(cyclobutane pyrimidine dimmer,CPD)和嘧啶-嘧啶酮光產物(pyrimidine pyrimidone photoproducts, PP)。當DNA受到紫外線照射後,相鄰的嘧啶堿基共價交聯形成環丁烷四圓環,使兩個堿基的5、6位雙鍵飽和,形成CPD。嘧啶-嘧啶酮光產物是通過5嘧啶的5和6位碳原子或3嘧啶的4位碳原子和位於4位碳的氧原子或亞氨基異構體間形成的二氧乙烷或氮雜丁烷4圓環而形成的,這些都是比較穩定的化學鍵,從而阻止了DNA的複製[4,5];另一方麵,在紫外線的照射下可以產生自由基引起光電離,造成微生物不能複製繁殖,就會自然死亡或被人體免疫係統消滅,不會對人體造成危害,從而達到消毒的目的。
   2 紫外線消毒對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,對水中多種微生物都具有良好的滅活效果,並且殺菌速度快,大多數都是在1秒之內。紫外線對常見細菌和病毒的滅菌效果如表1所示:
表1 紫外技術對常見細菌病毒的殺菌效率(紫外輻射強度30mW/ cm2)

種類

名稱

100 %殺滅所需時間(秒)

種類

名稱

100 %殺滅所需時間(秒)

細菌類

炭疽杆菌

0.30

細菌類

結核(分支) 杆菌

0.41

白喉杆菌

0.25

霍亂弧菌

0.64

破傷風杆菌

0.33

假單胞杆菌屬

0.37

肉毒梭菌

0.80

沙門氏菌屬

0.51

痢疾杆菌

0.15

腸道發燒菌屬

0.41

大腸杆菌

0.36

鼠傷寒杆菌

0.53

病毒類

腺病毒

0.10

病毒類

流感病毒

0.23

噬菌胞病毒

0.20

脊髓灰質炎病毒

0.80

柯薩奇病毒

0.08

輪狀病毒

0.52

愛柯病毒

0.73

煙草花葉病毒

16

愛柯病毒I 型

0.75

乙肝病毒

0.73

黴菌孢子

黑曲黴

6.67

黴菌孢子

軟孢子

0.33

曲黴屬

0.73-8.80

青黴菌屬

2.93-0.87

大糞真菌

8.0

產毒青黴

2.0-3.33

毛黴菌屬

0.23-4.67

青黴其它菌類

0.87

水藻類

藍綠藻

10-40

水藻類

草履蟲屬

7.30

小球藻屬

0.93

綠藻

1.22

線蟲卵

3.40

原生動物屬類

4-6.70

魚類病

Fung1 病

1.60

魚類病

感染性胰壞死病

4.0

白斑病

2.67

病毒性出血病

1.6

  另外,紫外線消毒技術對近些年發現的致病性病原微生物賈第蟲和隱孢子蟲也具有良好的滅活效果。隱孢子蟲孢囊通過人畜的糞便排入環境,它們可在環境中存活很長時間,隱孢子蟲卵囊和賈孢子蟲孢囊比其它水傳染病源微生物的存活時間長,因而可引起多次疾病的爆發。隱孢子蟲引起的疾病非常嚴重,其普遍的的症狀是腹瀉、嘔吐、低燒,類似流感的症狀,而對免疫機能不健全的患者,如艾滋病患者,其疾病更為嚴重,導致死亡。如1994年美國拉斯維加斯市爆發隱孢子蟲病,20名艾滋病患者死亡[6-9]。近年來的研究表明,使用低壓汞燈和中壓汞燈的輻射劑量在30J/m2時,能滅活隱孢子蟲99.9 %以上,並且通過大量的實驗證明低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱孢子蟲[10~12]。紫外線消毒對軍團菌也有良好的效果,Muraca比較了臭氧、紫外線和氯和加熱對軍團菌的滅活情況,紫外線和加熱(60度)1個小時產生了5log的滅活,氯和臭氧需5個小時才能達到同樣的滅活效果[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、費用及安全性方麵的比較(見表2)。從表中可以看出,幾種中化學消毒劑滅活微生物需要較長的時間,而紫外線消毒僅需幾秒鍾即可達到同樣的滅活效果。化學消毒劑都會產生一些對人體健康有害的消毒副產物,並且操作及管理也比較複雜,紫外線消毒在滅菌的過程中不產生消毒副產物,而且運行操作簡便,其基建投資及運行費用也低於其他幾種化學消毒方法。
表2 紫外線消毒與其他消毒方法的比較

消毒方法

消毒時間

消毒副產物

費用

效果

安全性

液氯

>30min

三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵化腈

基建、運行費用較低

能有效滅菌

氯有毒、腐蝕性強、運行管理有一定的危險

氯胺

>30min

鹵乙酸、氯化腈、溴化腈

基建、運行費用較低

滅菌效果差、持久性滅菌效果好

管網腐蝕性小

二氧化氯

10~20min

亞氯酸鹽、氯酸鹽

基建和安裝費用高、運行費用較低

滅菌效果較氯好

二氧化氯不穩定、強氧化性、有毒性和腐蝕性、操作管理要求高

臭氧

5~10min

溴酸鹽、醛類、酮類、羧酸、二溴丙酮腈

基建投資較大、運行成本高

滅菌和殺滅病毒的效果均較好、無持續殺菌能力

有毒性、強氧化性、操作管理要求高

紫外線

5~10s

安裝費用為二氧化氯的50%;運行費用為氯胺的25%

消毒效果好、迅速、無持續殺菌能力

安全性好

  
   4 紫外線消毒技術應用前景
   紫外線消毒具有廣譜性,對多種病源微生物都有較好的作用效果。歐洲許多國家以及北美的加拿大和美國已在九十年代分別修改了環境立法,在廢水處理後的消毒以及飲用水的消毒上,都推薦采用紫外線消毒技術[15]。目前紫外線在飲用水消毒、再生回用水消毒、生活汙水、工業廢水等的消毒處理中得到了一定的應用,盡管紫外線消毒技術存在無持久殺菌能力、細菌光修複問題及燈管的使用壽命等問題,但是相信隨著人們對紫外線消毒技術研究的不斷深入,殺菌效率更高的中壓燈、脈衝燈的出現,燈管使用壽命的延長,以及對紫外線消毒係統設計研究的深入,紫外線消毒裝置AG国际馆产品的商業化、國產化,綠色環保高效的紫外線消毒技術在我國飲用水消毒中將具有良好的應用前景。
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