飲用水紫外線消毒技術應用分析

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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(fā)現(xiàn)，使現(xiàn)有的氯消毒工藝面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，人們開始尋找新的替代消毒技術有效地提高消毒效果，并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，由于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(yōu)點而引起人們的重視。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，法國的馬賽一家自來水廠最先安裝了一套紫外線消毒系統(tǒng)對飲用水進行消毒，到目前為止，西方發(fā)達國家已在污水處理廠安裝了近4000套大型紫外線消毒系統(tǒng)，應用該技術的廠家約占污水處理廠總數(shù)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(shù)的10%以上，并且大量的紫外消毒技術改造工程正在進行之中。由于紫外線消毒在環(huán)保及人身安全方面的突出優(yōu)點，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系統(tǒng)中的首選方法。尤其是發(fā)現(xiàn)自來水中存在隱孢子蟲后，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(guī)中^[2]。 1 紫外線消毒的生物學原理 紫外線位于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(qū)(<190nm)、遠紫外區(qū)(190-300nm)和近紫外區(qū)(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于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(huán)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受到紫外線照射后，相鄰的嘧啶堿基共價交聯(lián)形成環(huán)丁烷四圓環(huán)，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位碳原子和位于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(huán)而形成的，這些都是比較穩(wěn)定的化學鍵，從而阻止了DNA的復制^[4,5]；另一方面，在紫外線的照射下可以產生自由基引起光電離，造成微生物不能復制繁殖，就會自然死亡或被人體免疫系統(tǒng)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，并且殺菌速度快，大多數(shù)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   炭疽桿菌 0.30 細菌類   結核(分支) 桿菌 0.41 白喉桿菌 0.25 霍亂弧菌 0.64 破傷風桿菌 0.33 假單胞桿菌屬 0.37 肉毒梭菌 0.80 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 0.10 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 霉菌孢子 黑曲霉 6.67 霉菌孢子   軟孢子 0.33 曲霉屬 0.73-8.80 青霉菌屬 2.93-0.87 大糞真菌 8.0 產毒青霉 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(fā)現(xiàn)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(huán)境，它們可在環(huán)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(fā)。隱孢子蟲引起的疾病非常嚴重，其普遍的的癥狀是腹瀉、嘔吐、低燒，類似流感的癥狀，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(fā)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，并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、費用及安全性方面的比較（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鐘即可達到同樣的滅活效果?；瘜W消毒劑都會產生一些對人體健康有害的消毒副產物，并且操作及管理也比較復雜，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于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(wěn)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(xù)殺菌能力 有毒性、強氧化性、操作管理要求高 紫外線 5~10s 無 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(xù)殺菌能力 安全性好

4 紫外線消毒應用的優(yōu)缺點 紫外線消毒工藝具有其他消毒工藝所無法比擬的優(yōu)勢，克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)消毒技術的缺點。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(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。紫外線消毒的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在： (1) 紫外線消毒技術具有較高的殺菌效率，運行安全可靠。紫外線消毒對細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藥劑，因此它不會對水體和周圍環(huán)境產生二次污染。 (2) 對隱孢子蟲和賈第蟲有特效消毒效果，常規(guī)的氯消毒工藝對隱孢子蟲和賈第蟲的滅活效果很低，并且在較高的氯投量下會產生大量的消毒副產物，而紫外線消毒在較低的紫外線劑量下對隱孢子蟲和賈第蟲就可以達到較高的滅活效果。 (3) 不產生有毒有害副產物，不增加飲用水的AOC含量。紫外線消毒不改變有機物的特性，并且由于不投加化學藥劑，不會產生對人體有害的副產物，并且不會增加AOC和BDOC等損害管網水生物穩(wěn)定性的副產物。 (4) 能降低臭味和降解微量有機物，紫外線對水中多種微量有機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，運行維護簡單、費用低。對每天5萬噸污水用氯消毒來說，需建有一個130米長、3米寬的接觸渠。采用紫外線消毒只需20米長3米寬的面積；紫外線消毒運行維護簡單，運行成本低，可達每噸水僅4厘人民幣甚至更低，其性能價格比具有很大優(yōu)勢。 (6) 消毒效果受水溫、pH影響小。 紫外線消毒技術在工程應用中也存在一定的缺點，主要有以下幾個方面： (1) 無持續(xù)殺菌能力，消毒后的水如果遇到新的污染源，會再次被污染，需與氯配合使用； (2) 濁度及水中懸浮物對紫外殺菌有較大影響，降低消毒效果； (3) 紫外燈套管容易結垢，影響紫外光的透出和殺菌效果，因此需要對套管進行定期的清洗以及采取表面降溫措施來防止管垢的形成； (4) 細菌的復活現(xiàn)象，一些細菌被紫外照射失活的病毒細菌可通過光的協(xié)助修復自身被破壞的組織，達到復活目的，另外一些細菌可能存在著暗復活現(xiàn)象(無需光照)； (5) 國內使用經驗少，在國內，雖然工程上已經逐漸開始使用紫外線系統(tǒng)，但是對于紫外線消毒技術的研究并沒有完全開展起來，對于紫外線消毒的應用也還存在較多問題。 5 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(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^[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用，盡管紫外線消毒技術存在無持久殺菌能力、細菌光修復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、脈沖燈的出現(xiàn)，燈管使用壽命的延長，以及對紫外線消毒系統(tǒng)設計研究的深入，紫外線消毒裝置產品的商業(yè)化、國產化，綠色環(huán)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。