飲用水紫外線(xiàn)消毒技術(shù)應用分析

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，使現有的氯消毒工藝面臨嚴峻的挑戰，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。

在眾多的替代消毒技術(shù)中，由于紫外線(xiàn)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(xiàn)消毒的歷史非常悠久，在歐洲，飲用水紫外線(xiàn)消毒已有近百年的歷史。1910年，法國的馬賽一家自來(lái)水廠(chǎng)最先安裝了一套紫外線(xiàn)消毒系統對飲用水進(jìn)行消毒，到目前為止，西方發(fā)達國家已在污水處理廠(chǎng)安裝了近4000套大型紫外線(xiàn)消毒系統，應用該技術(shù)的廠(chǎng)家約占污水處理廠(chǎng)總數的10%。同時(shí)，至2001年底已有2000多家自來(lái)水廠(chǎng)采用了紫外消毒技術(shù)，占自來(lái)水廠(chǎng)總數的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(xiàn)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家將紫外線(xiàn)消毒列為用水終端和用戶(hù)進(jìn)水端及小型給水系統中的首選方法。尤其是發(fā)現自來(lái)水中存在隱孢子蟲(chóng)后，美國已經(jīng)將紫外消毒工藝作為自來(lái)水消毒的最佳手段寫(xiě)入供水法規中。

1 紫外線(xiàn)消毒的生物學(xué)原理

紫外線(xiàn)位于X射線(xiàn)和可見(jiàn)光之間，在物理學(xué)上一般將紫外線(xiàn)分為真空紫外線(xiàn)區(<190nm)、遠紫外區(190-300nm)和近紫外區(300-400nm)；按其生物學(xué)作用的差異，紫外線(xiàn)可分為UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫外線(xiàn)部分。水處理中實(shí)際上是使用紫外線(xiàn)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(xiàn)。

紫外線(xiàn)滅菌的原理是基于核酸對紫外線(xiàn)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(cháng)253.7nm的紫外線(xiàn)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，核酸分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類(lèi)，其共同點(diǎn)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(lái)的多核苷酸鏈。當微生物體受到紫外線(xiàn)照射時(shí)，會(huì )吸收紫外線(xiàn)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DNA受到紫外線(xiàn)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，這些都是比較穩定的化學(xué)鍵，從而阻止了DNA的復制；另一方面，在紫外線(xiàn)的照射下可以產(chǎn)生自由基引起光電離，造成微生物不能復制繁殖，就會(huì )自然死亡或被人體免疫系統消滅，不會(huì )對人體造成危害，從而達到消毒的目的。

2 紫外線(xiàn)消毒對水中微生物的滅活效果

紫外線(xiàn)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，大多數都是在1秒之內。紫外線(xiàn)對常見(jiàn)細菌和病毒的滅菌效果如表1所示：

表1 　紫外技術(shù)對常見(jiàn)細菌病毒的殺菌效率(紫外輻射強度30mW/ cm2)

另外，紫外線(xiàn)消毒技術(shù)對近些年發(fā)現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(cháng)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(cháng)，因而可引起多次疾病的爆發(fā)。隱孢子蟲(chóng)引起的疾病非常嚴重，其普遍的的癥狀是腹瀉、嘔吐、低燒，類(lèi)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(chóng)病，20名艾滋病患者死亡。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)驗證明低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱孢子蟲(chóng)。紫外線(xiàn)消毒對軍團菌也有良好的效果，Muraca比較了臭氧、紫外線(xiàn)和氯和加熱對軍團菌的滅活情況，紫外線(xiàn)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)才能達到同樣的滅活效果。

3 紫外線(xiàn)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(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(cháng)的時(shí)間，而紫外線(xiàn)消毒僅需幾秒鐘即可達到同樣的滅活效果�；瘜W(xué)消毒劑都會(huì )產(chǎn)生一些對人體健康有害的消毒副產(chǎn)物，并且操作及管理也比較復雜，紫外線(xiàn)消毒在滅菌的過(guò)程中不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，而且運行操作簡(jiǎn)便，其基建投資及運行費用也低于其他幾種化學(xué)消毒方法。

表2 紫外線(xiàn)消毒與其他消毒方法的比較

4 紫外線(xiàn)消毒應用的優(yōu)缺點(diǎn)

紫外線(xiàn)消毒工藝具有其他消毒工藝所無(wú)法比擬的優(yōu)勢，克服了現有傳統消毒技術(shù)的缺點(diǎn)。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(xiàn)消毒技術(shù)。紫外線(xiàn)消毒的優(yōu)勢主要表現在：

(1) 紫外線(xiàn)消毒技術(shù)具有較高的殺菌效率，運行安全可靠。紫外線(xiàn)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(xué)藥劑，因此它不會(huì )對水體和周?chē)�環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

(2) 對隱孢子蟲(chóng)和賈第蟲(chóng)有特效消毒效果，常規的氯消毒工藝對隱孢子蟲(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(xiàn)消毒在較低的紫外線(xiàn)劑量下對隱孢子蟲(chóng)和賈第蟲(chóng)就可以達到較高的滅活效果。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

(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(xiàn)消毒不改變有機物的特性，并且由于不投加化學(xué)藥劑，不會(huì )產(chǎn)生對人體有害的副產(chǎn)物，并且不會(huì )增加AOC和BDOC等損害管網(wǎng)水生物穩定性的副產(chǎn)物。

(4) 能降低臭味和降解微量有機物，紫外線(xiàn)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(jiǎn)單、費用低。對每天5萬(wàn)噸污水用氯消毒來(lái)說(shuō)，需建有一個(gè)130米長(cháng)、3米寬的接觸渠。采用紫外線(xiàn)消毒只需20米長(cháng)3米寬的面積；紫外線(xiàn)消毒運行維護簡(jiǎn)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(jià)格比具有很大優(yōu)勢。

(6) 消毒效果受水溫、pH影響小。

紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在工程應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(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) 細菌的復活現象，一些細菌被紫外照射失活的病毒細菌可通過(guò)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(zhù)暗復活現象(無(wú)需光照)；

(5) 國內使用經(jīng)驗少，在國內，雖然工程上已經(jīng)逐漸開(kāi)始使用紫外線(xiàn)系統，但是對于紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的研究并沒(méi)有完全開(kāi)展起來(lái)，對于紫外線(xiàn)消毒的應用也還存在較多問(wèn)題。

5 紫外線(xiàn)消毒技術(shù)應用前景

紫外線(xiàn)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(xiàn)消毒技術(shù)。目前紫外線(xiàn)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(xiàn)消毒技術(shù)存在無(wú)持久殺菌能力、細菌光修復問(wèn)題及燈管的使用壽命等問(wèn)題，但是相信隨著(zhù)人們對紫外線(xiàn)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，燈管使用壽命的延長(cháng)，以及對紫外線(xiàn)消毒系統設計研究的深入，紫外線(xiàn)消毒裝置產(chǎn)品的商業(yè)化、國產(chǎn)化，綠色環(huán)保高效的紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在我國飲用水消毒中將具有良好的應用前景。（谷騰水網(wǎng)）