用紫外線對水流進行消毒
 2013年08月28日

簡介

在水消毒技術領域內,紫外線被廣泛的承認,同時與傳統化學方法相比較,此方法較為有優勢。紫外線消毒是一種完全無公害技術,對人類、動物、水生物以及產品均不產生危害,而且不會在消毒過程中產生有害副產品。在消毒殺菌方面,此項技術對所有的微生物均有極高的效力,其中也包括對氯極有免疫力的微小隱孢子蟲

紫外線消毒的原理

紫外線是介于可視光線和X射線之間的電磁波頻譜。200nm至400nm的紫外光譜有很強的殺菌效力, 其峰值在265nm。 在這個波長范圍內的紫外線主要是通過刺穿細胞膜,破壞細胞內脫氧核糖核酸和破壞細胞內的其它分子,使微生物不能再復制和繁殖,而最終達到消毒作用。

依照波長范圍,可將紫外線分為4個波段:

  • 真空紫外線:40 – 200nm

  • 紫外線c: 200- 280nm

  • 紫外線b: 280- 315nm

  • 紫外線a: 315- 400nm

紫外燈技術的分類

典型的嵌入式(Berson in-pipe) 紫外線消毒系統內有一個紫外線燈管和一個石英套管。這個紫外線燈管被固定在石英套管里,然后整個套管將被固定到一個柱狀不銹鋼反應室內。這樣的設計是為了讓待處理水在從一端進入反應器的同時開始被處理,而整個消毒過程將伴隨水流流至反應器的另一端。

根據壓強的高低,紫外線燈管可以被分為兩大類:低壓紫外線燈管和中壓紫外線燈管。低壓紫外線燈管輸出單一的紫外線(被局限于254nm單波長),而中壓紫外線燈管能輸出多色紫外線(波長在185至400nm之間)。

紫外線對微生物的作用

紫外線消毒作用是通過微生物體內的脫氧核糖核酸吸收紫外光線來完成。較大吸收值分別是在波長200nm和265nm,而不是人們通常認為的來自低壓燈的254nm。波長為200nm的紫外光,主要是被脫氧核糖核酸的核糖和磷酸鹽所吸收。而波長為265nm的紫外線主要被核酸中的腺嘌呤,鳥嘌呤,胞核嘧啶和胸腺嘧啶(核糖核酸中的尿嘧啶)所吸收。在吸收紫外線輻射以后,胸腺嘧啶二聚物是最為常見的產物。這種產物是由兩個相鄰的胸腺嘧啶分子結合而形成的。紫外線殺菌的原理就是在于,這些二聚物和另外一些光化產品可以阻止脫氧核糖核酸的復制和再繁殖,從而達到殺死細胞的目的。

另外對于脫氧核糖核酸和核糖核酸,紫外線能夠引起細胞內的蛋白質、酶和其他分子的光化學反應。蛋白質的吸收峰值大約在280nm左右,然而在蛋白質中的縮氨酸根則吸收240nm以下的紫外線。紫外線也對其他的不飽和生物分子有殺傷力,例如:輔酶、荷爾蒙和電子負載體。當然,紫外線對分子的影響,不僅僅作用于脫氧核糖核酸和核糖核酸,它對大一些的微生物也有顯著的作用,例如真菌類、原生動物和藻類。雖然紫外線不能像作用于脫氧核糖核酸一樣,刺穿這些較大的微生物,但是它還是能用破壞其他分子的方法達到殺菌效果。

紫外線消毒的工作參數

1 - 紫外線劑量

正如紫外線對微生物體內不同組成部分有不同的作用一樣,紫外線也對不同種類的微生物有著不同的效力。這是由于,不同種類的微生物對紫外線有著不同的敏感度。比如,一個細菌就要比一個霉菌或海藻對紫外線敏感度高。這個敏感度通常被稱為D10值,它表示的是微生物量被降低到90%時所需要的紫外線劑量。

紫外線劑量是由紫外線燈的能量和在反應器內的停留時間所決定的。其中,燈的能量被定義為紫外線強度(mW/cm2),這個紫外線強度的高低是根據紫外線燈的原始紫外線強度和當燈被置于一定距離外的紫外線強度大小而計算的。在實際應用中,水中能夠吸收紫外線的物質的多少會對紫外線強度產生很大的影響。另外,待處理水水量的大小和流速同時決定著它將在反應器中的停留時間的長短。對于一般反應器而言,紫外線劑量即為紫外線總強度與停留時間的乘積。

2 - 紫外線穿透率

穿透率(T10)是待處理水對紫外線吸收程度的一個指示參數,它是待處理水中所有吸收紫外線的物質的總量,例如懸浮有機物和礦物質(鐵和鎂,分別于溶解和非溶解狀態)。當待處理水的穿透率和反應器內的紫外線強度均為已知時,反應器的體積就可以被計算出來。再根據反應器的體積,來計算紫外線劑量。

 

3 - 待處理水的質量

待處理水的水量決定著反應器的體積。而反應器體積的設計又被水頭損失,管道

的尺寸以及紫外線劑量所限制。

 

4 - 待處理水的溫度

低壓紫外線燈

低壓紫外線燈的表面溫度相對而言較低,但是它會嚴重的受到待處理水水溫的影

響。對于低壓紫外線燈而言,理想水溫是20攝氏度,當水溫低于或者高于20

攝氏度時會導致紫外線輻射輸出量的降低。當溫度低于5攝氏度時,將很難預測

紫外線的強度,甚至導致紫外線燈的無法正常啟用。

中壓紫外線燈
雖然中壓紫外線燈管表面有較高的溫度,但正是由于此原因它不易受到周圍水溫的影響,中壓紫外線燈可以在零下20攝氏度和零上80攝氏度范圍之間有效工作。

5 - 紫外線照射后的復活機制

由于所有的微生物長期暴露在自然的紫外線下,所以微生物在受到紫外線照

射后的修復和再活化是極為必要的,通常這個機制被稱為復活機制。此復活過程可以在有光的條件下完成,甚至在黑暗的條件完成。它們分別被稱為光復活和黑暗修復。對于由紫外線輻射而造成的不同程度的損傷,不同的微生物有著不一樣的復活能力。微生物的復活機制并不是統一的,目前還沒有一個清楚的標準可以用來判定哪個種類可以自我復活而那些種類不具備這種機制。

脫氧核糖核酸和核糖核酸在細胞中是最為容易受到攻擊的。這是因為它們能存儲細胞的遺傳密碼的獨特功能,另外也是由于它們復雜的結構和龐大的數量。正如大家所了解的分子復活機制經過進化,最終得到大量的分子核酸,這里特別要提到的是脫氧核糖核酸。在光復活反應過程中,光解霉通過反作用紫外線輻射而完成修復過程,而黑暗修復則是由十幾個霉以上的結合體完成的。霉首先要受到能量激發才能開始整個復活反應,光復活反應的能量來自300至500nm的可視光,而黑暗復活的能量來自細胞內的營養物質。在這兩種情況下,都是因為霉的作用于受損的脫氧核糖核酸,而使復制得以進行。

通常大腸桿菌攜帶20個左右的光解霉,每個光解霉每分鐘可以修復5個胸腺嘧啶二聚物,如果依照此方法計算,在一個細胞內每一分鐘有100個二聚物被修復。1 mJ/cm2 紫外線輻射能產生3000至4000個二聚物(Oguma, 2002)所以理論上而言,1 mJ/cm2 的紫外線輻射對細胞產生的損傷,會在30分鐘內被修復。

對比在受到低壓燈照射后和在受到中壓燈照射后的復活機制、

不同的紫外線消毒系統

我們可以為您設計不同的反應器,比如嵌入式(Berson in-pipe)設計,它的紫外線燈管于流體流動方向成90度直角。而傳統設計則是紫外線燈管和流體流動方向一致。

對紫外線系統進行連續監控。在反應器內的紫外線傳感器,檢測紫外線的輸出情況以及由于紫外線輸出的變化而導致的信號變化。這可能是由于水質的突然變化或者有污垢附著在石英套管上。紫外線傳感器還可以起到對燈管老化的監察作用。

微處理器可以控制紫外線消毒,還可對紫外線輸出進行調整,可以在人工或者自動間轉換紫外線輸出的調整模式。

為了防止污垢附著在石英套管表面而導致的紫外線輸出量降低,擦拭設備可以被安裝在反應器內。這種擦拭設備,有人工和自動兩種選擇,這樣既可以達到清潔的目的,而又不用拆除或者停止整個紫外線消毒系統。

暴露在低壓或中壓紫外線下,受損部分的修復
由于低壓紫外線燈輸出的紫外線波長為254nm,與脫氧核糖核酸吸收紫外線輻射峰值265nm波長相近,所以傳統工藝采用低壓紫外線燈。最近的研究表明,暴露在低壓紫外線下的受損大腸桿菌細胞中的脫氧核糖核酸可以由復活反應修復,但是暴露在中壓紫外線下的損傷則不能被修復。進一步的研究表明,同樣作用于大腸桿菌細胞中的脫氧核糖核酸,高壓、多色紫外線輻射會比低壓、單色紫外線輻射,具有更高效、更持久和難以修復的損傷。

以上研究有很深遠的意義,因為對于很多工業用水和排水項目,在紫外線消毒完成后,它們要求消毒效果的持久性。特別是一些液體在消毒后,會暴露在有光條件下。同時,原理適用于任何會暴露在有光條件下的已處理水或排水。例如污水、瓶裝水、漁業和游泳池。對于可能的黑暗復活也很重要,例如飲用水或者工藝用水。

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