饮用水紫外线消毒技术应用分析

氯消毒会产生具有致癌作用的氯化消毒副产物，而近些年来贾第虫和隐孢子虫的发现，使现有的氯消毒工艺面临严峻的挑战，人们开始寻找新的替代消毒技术有效地提高消毒效果，并且可以降低消毒过程中产生的副产物对人体健康的潜在危害，同时保证饮用水的微生物学安全性和化学安全性[1]。
　　
　　在众多的替代消毒技术中，由于紫外线消毒不添加任何化学物质、消毒效果好及不产生消毒副产物等优点而引起人们的重视。紫外线消毒的历史非常悠久，在欧洲，饮用水紫外线消毒已有近百年的历史。1910年，法国的马赛一家自来水厂最先安装了一套紫外线消毒系统对饮用水进行消毒，到目前为止，西方发达国家已在污水处理厂安装了近4000套大型紫外线消毒系统，应用该技术的厂家约占污水处理厂总数的10%。同时，至2001年底已有2000多家自来水厂采用了紫外消毒技术，占自来水厂总数的10%以上，并且大量的紫外消毒技术改造工程正在进行之中。由于紫外线消毒在环保及人身安全方面的突出优点，欧洲及北美的许多国家将紫外线消毒列为用水终端和用户进水端及小型给水系统中的首选方法。尤其是发现自来水中存在隐孢子虫后，美国已经将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳手段写入供水法规中[2]。
　　
　　1 紫外线消毒的生物学原理
　　
　　紫外线位于X射线和可见光之间，在物理学上一般将紫外线分为真空紫外线区(<190nm)、远紫外区(190-300nm)和近紫外区(300-400nm)；按其生物学作用的差异，紫外线可分为UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫外线部分。水处理中实际上是使用紫外线的UV-C部分，在该波段中260nm 附近已被证实是杀菌效率最高的紫外线[3]。
　　
　　紫外线灭菌的原理是基于核酸对紫外线的吸收。紫外杀菌本质上是一个光化学过程，每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量，紫外光子必须被吸收才具有活性。核酸是一切生命体的基本物质和生命基础，核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类，其共同点是由磷酸二脂键按嘌呤与嘧啶碱基配对的原则而连接起来的多核苷酸链。当微生物体受到紫外线照射时，会吸收紫外线的能量，从而引起DNA的损伤，最常见的两种损伤形式为环丁烷嘧啶二聚体(cyclobutane pyrimidine dimmer,CPD)和嘧啶-嘧啶酮光产物(pyrimidine pyrimidone photoproducts, PP)。当DNA受到紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交联形成环丁烷四圆环，使两个碱基的5、6位双键饱和，形成CPD。嘧啶-嘧啶酮光产物是通过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位碳的氧原子或亚氨基异构体间形成的二氧乙烷或氮杂丁烷4圆环而形成的，这些都是比较稳定的化学键，从而阻止了DNA的复制[4,5]；另一方面，在紫外线的照射下可以产生自由基引起光电离，造成微生物不能复制繁殖，就会自然死亡或被人体免疫系统消灭，不会对人体造成危害，从而达到消毒的目的。
　　
　　2 紫外线消毒对水中微生物的灭活效果
　　
　　   紫外线消毒具有较高的微生物灭活效果，对水中多种微生物都具有良好的灭活效果，并且杀菌速度快，大多数都是在1秒之内。紫外线对常见细菌和病毒的灭菌效果如表1所示：
　　
　　
　　
　　表1 　紫外技术对常见细菌病毒的杀菌效率(紫外辐射强度30mW/ cm2)
　　
　　种类　　 名称　　 100 %杀灭所需时间(秒)　
　　细菌类　 炭疽杆菌　　 0.3
　　  结核(分支)杆菌　0.41
　　  白喉杆菌　　 0.25
　　  霍乱弧菌　　 0.64
  破伤风杆菌　　　0.33
　　  假单胞杆菌属　　0.37
  肉毒梭菌　　 0.8
　　  沙门氏菌属　　 0.51
　　  痢疾杆菌　　 0.15
  肠道发烧菌属　　0.41
  大肠杆菌　　 0.36
  鼠伤寒杆菌　　 0.53
　　病毒类
  腺病毒　　 0.1
  流感病毒　　 0.23
  噬菌胞病毒　 0.2
  脊髓灰质炎病毒　0.8
  柯萨奇病毒　　 0.08
  轮状病毒　　 0.52
  爱柯病毒　　 0.73
  烟草花叶病毒　　16
  爱柯病毒I 型　　0.75
  乙肝病毒　　 0.73
　　霉菌孢子
  黑曲霉　　 6.67
  软孢子　　 0.33
  曲霉属　　 0.73-8.80
  青霉菌属　　 2.93-0.87
  大粪真菌　　 8
  产毒青霉　　 2.0-3.33
  毛霉菌属　　 0.23-4.67
  青霉其它菌类　　0.87
　　
　　水藻类
  蓝绿藻　　 10-40
  草履虫属　　 7.3
  小球藻属　　 0.93
  绿藻　　 1.22
  线虫卵　　 3.4
  原生动物属类　　4-6.70
　　
　　鱼类病
  Fung1 病　　 1.6
  感染性胰坏死病　4
  白斑病　　 2.67
  病毒性出血病　　1.6
　　
　　
　　另外，紫外线消毒技术对近些年发现的致病性病原微生物贾第虫和隐孢子虫也具有良好的灭活效果。隐孢子虫孢囊通过人畜的粪便排入环境，它们可在环境中存活很长时间，隐孢子虫卵囊和贾孢子虫孢囊比其它水传染病源微生物的存活时间长，因而可引起多次疾病的爆发。隐孢子虫引起的疾病非常严重，其普遍的的症状是腹泻、呕吐、低烧，类似流感的症状，而对免疫机能不健全的患者，如艾滋病患者，其疾病更为严重，导致死亡。如1994年美国拉斯维加斯市爆发隐孢子虫病，20名艾滋病患者死亡[6-9]。近年来的研究表明，使用低压汞灯和中压汞灯的辐射剂量在30J/m2时，能灭活隐孢子虫99.9 %以上，并且通过大量的实验证明低压汞灯和中压汞灯均能有效地灭活隐孢子虫[10~12]。紫外线消毒对军团菌也有良好的效果，Muraca比较了臭氧、紫外线和氯和加热对军团菌的灭活情况，紫外线和加热(60度)1个小时产生了5log的灭活，氯和臭氧需5个小时才能达到同样的灭活效果[13,14]。
　　
　　3 紫外线消毒与其它消毒方法的比较
　　
　　五种常用的消毒方法在消毒效果、费用及安全性方面的比较（见表2）。从表中可以看出，几种中化学消毒剂灭活微生物需要较长的时间，而紫外线消毒仅需几秒钟即可达到同样的灭活效果。化学消毒剂都会产生一些对人体健康有害的消毒副产物，并且操作及管理也比较复杂，紫外线消毒在灭菌的过程中不产生消毒副产物，而且运行操作简便，其基建投资及运行费用也低于其他几种化学消毒方法。
　　
　　表2 紫外线消毒与其他消毒方法的比较
　　
　　消毒方法　　消毒时间　消毒副产物　　  费用　　   效果　　   安全性
　　
　　液氯　　 >30min　　三卤甲烷、卤乙酸、卤化腈　　 基建、运行费用较低　　  能有效灭菌　　   氯有毒、腐蚀性强、运行管理有一定的危险
　　 
　　氯胺　　 >30min　　卤乙酸、氯化腈、溴化腈　　 基建、运行费用较低　　  灭菌效果差、持久性灭菌效果好　　管网腐蚀性小
　　
　　二氧化氯　　10~20min　亚氯酸盐、氯酸盐　　  基建和安装费用高  灭菌效果较氯好　　  二氧化氯不稳定、强氧化性、
       运行费用较低　　　　      有毒性和腐蚀性、操作管理要求高

　　臭氧　　 5~10min　 溴酸盐、醛类、  基建投资较大、运行成本高　　 灭菌和杀灭病毒的效果均较好　　 有毒性、强氧化性、操作管理要求高
　　　　　　　　　　　　　酮类、羧酸、二溴丙酮腈　　     无持续杀菌能力

　　紫外线　　 5~10s　　 无　　   安装费用为二氧化氯的50%； 消毒效果好、迅速  安全性好
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　运行费用为氯胺的25%　　  无持续杀菌能力　　
　　
　　4 紫外线消毒应用的优缺点
　　
　　紫外线消毒工艺具有其他消毒工艺所无法比拟的优势，克服了现有传统消毒技术的缺点。欧洲许多国家以及北美的加拿大和美国已在九十年代分别修改了环境立法，在废水处理后的消毒，以及饮用水的消毒上，推荐采用紫外线消毒技术。紫外线消毒的优势主要表现在：
　　
　　(1) 紫外线消毒技术具有较高的杀菌效率，运行安全可靠。紫外线消毒对细菌和病毒等具有较高的灭活效率并且由于不投加任何化学药剂，因此它不会对水体和周围环境产生二次污染。
　　
　　(2) 对隐孢子虫和贾第虫有特效消毒效果，常规的氯消毒工艺对隐孢子虫和贾第虫的灭活效果很低，并且在较高的氯投量下会产生大量的消毒副产物，而紫外线消毒在较低的紫外线剂量下对隐孢子虫和贾第虫就可以达到较高的灭活效果。
　　
　　(3) 不产生有毒有害副产物，不增加饮用水的AOC含量。紫外线消毒不改变有机物的特性，并且由于不投加化学药剂，不会产生对人体有害的副产物，并且不会增加AOC和BDOC等损害管网水生物稳定性的副产物。
　　
　　(4) 能降低臭味和降解微量有机物，紫外线对水中多种微量有机物具有一定的降解能力，并且能够降低水的臭和味。
　　
　　(5) 占地面积小，运行维护简单、费用低。对每天5万吨污水用氯消毒来说，需建有一个130米长、3米宽的接触渠。采用紫外线消毒只需20米长3米宽的面积；紫外线消毒运行维护简单，运行成本低，可达每吨水仅4厘人民币甚至更低，其性能价格比具有很大优势。
　　
　　(6) 消毒效果受水温、pH影响小。
　　
　　紫外线消毒技术在工程应用中也存在一定的缺点，主要有以下几个方面：
　　
　　(1) 无持续杀菌能力，消毒后的水如果遇到新的污染源，会再次被污染，需与氯配合使用；
　　
　　(2) 浊度及水中悬浮物对紫外杀菌有较大影响，降低消毒效果；
　　
　　(3) 紫外灯套管容易结垢，影响紫外光的透出和杀菌效果，因此需要对套管进行定期的清洗以及采取表面降温措施来防止管垢的形成；
　　
　　(4) 细菌的复活现象，一些细菌被紫外照射失活的病毒细菌可通过光的协助修复自身被破坏的组织，达到复活目的，另外一些细菌可能存在着暗复活现象(无需光照)；
　　
　　(5) 国内使用经验少，在国内，虽然工程上已经逐渐开始使用紫外线系统，但是对于紫外线消毒技术的研究并没有完全开展起来，对于紫外线消毒的应用也还存在较多问题。
　　
　　5 紫外线消毒技术应用前景
　　
　　紫外线消毒具有广谱性，对多种病源微生物都有较好的作用效果。欧洲许多国家以及北美的加拿大和美国已在九十年代分别修改了环境立法，在废水处理后的消毒以及饮用水的消毒上，都推荐采用紫外线消毒技术[15]。目前紫外线在饮用水消毒、再生回用水消毒、生活污水、工业废水等的消毒处理中得到了一定的应用，尽管紫外线消毒技术存在无持久杀菌能力、细菌光修复问题及灯管的使用寿命等问题，但是相信随着人们对紫外线消毒技术研究的不断深入，杀菌效率更高的中压灯、脉冲灯的出现，灯管使用寿命的延长，以及对紫外线消毒系统设计研究的深入，紫外线消毒装置产品的商业化、国产化，绿色环保高效的紫外线消毒技术在我国饮用水消毒中将具有良好的应用前景。
　　
　　
　　
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