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用紫外线对水流进行消毒

08/28/2013  

简介

在水消毒技术领域内,紫外线被广泛的承认,同时与传统化学方法相比较,此方法较为有优势。紫外线消毒是一种完全无公害技术,对人类、动物、水生物以及产品均不产生危害,而且不会在消毒过程中产生有害副产品。在消毒杀菌方面,此项技术对所有的微生物均有极高的效力,其中也包括对氯极有免疫力的微小隐孢子虫

紫外线消毒的原理

紫外线是介于可视光线和X射线之间的电磁波频谱。200nm至400nm的紫外光谱有很强的杀菌效力, 其峰值在265nm。 在这个波长范围内的紫外线主要是通过刺穿细胞膜,破坏细胞内脱氧核糖核酸和破坏细胞内的其它分子,使微生物不能再复制和繁殖,而最终达到消毒作用。

依照波长范围,可将紫外线分为4个波段:

  • 真空紫外线:40 – 200nm

  • 紫外线c: 200- 280nm

  • 紫外线b: 280- 315nm

  • 紫外线a: 315- 400nm

紫外灯技术的分类

典型的嵌入式(Berson in-pipe) 紫外线消毒系统内有一个紫外线灯管和一个石英套管。这个紫外线灯管被固定在石英套管里,然后整个套管将被固定到一个柱状不锈钢反应室内。这样的设计是为了让待处理水在从一端进入反应器的同时开始被处理,而整个消毒过程将伴随水流流至反应器的另一端。

根据压强的高低,紫外线灯管可以被分为两大类:低压紫外线灯管和中压紫外线灯管。低压紫外线灯管输出单一的紫外线(被局限于254nm单波长),而中压紫外线灯管能输出多色紫外线(波长在185至400nm之间)。

紫外线对微生物的作用

紫外线消毒作用是通过微生物体内的脱氧核糖核酸吸收紫外光线来完成。较大吸收值分别是在波长200nm和265nm,而不是人们通常认为的来自低压灯的254nm。波长为200nm的紫外光,主要是被脱氧核糖核酸的核糖和磷酸盐所吸收。而波长为265nm的紫外线主要被核酸中的腺嘌呤,鸟嘌呤,胞核嘧啶和胸腺嘧啶(核糖核酸中的尿嘧啶)所吸收。在吸收紫外线辐射以后,胸腺嘧啶二聚物是最为常见的产物。这种产物是由两个相邻的胸腺嘧啶分子结合而形成的。紫外线杀菌的原理就是在于,这些二聚物和另外一些光化产品可以阻止脱氧核糖核酸的复制和再繁殖,从而达到杀死细胞的目的。

另外对于脱氧核糖核酸和核糖核酸,紫外线能够引起细胞内的蛋白质、酶和其他分子的光化学反应。蛋白质的吸收峰值大约在280nm左右,然而在蛋白质中的缩氨酸根则吸收240nm以下的紫外线。紫外线也对其他的不饱和生物分子有杀伤力,例如:辅酶、荷尔蒙和电子负载体。当然,紫外线对分子的影响,不仅仅作用于脱氧核糖核酸和核糖核酸,它对大一些的微生物也有显著的作用,例如真菌类、原生动物和藻类。虽然紫外线不能像作用于脱氧核糖核酸一样,刺穿这些较大的微生物,但是它还是能用破坏其他分子的方法达到杀菌效果。

紫外线消毒的工作参数

1 - 紫外线剂量

正如紫外线对微生物体内不同组成部分有不同的作用一样,紫外线也对不同种类的微生物有着不同的效力。这是由于,不同种类的微生物对紫外线有着不同的敏感度。比如,一个细菌就要比一个霉菌或海藻对紫外线敏感度高。这个敏感度通常被称为D10值,它表示的是微生物量被降低到90%时所需要的紫外线剂量。

紫外线剂量是由紫外线灯的能量和在反应器内的停留时间所决定的。其中,灯的能量被定义为紫外线强度(mW/cm2),这个紫外线强度的高低是根据紫外线灯的原始紫外线强度和当灯被置于一定距离外的紫外线强度大小而计算的。在实际应用中,水中能够吸收紫外线的物质的多少会对紫外线强度产生很大的影响。另外,待处理水水量的大小和流速同时决定着它将在反应器中的停留时间的长短。对于一般反应器而言,紫外线剂量即为紫外线总强度与停留时间的乘积。

2 - 紫外线穿透率

穿透率(T10)是待处理水对紫外线吸收程度的一个指示参数,它是待处理水中所有吸收紫外线的物质的总量,例如悬浮有机物和矿物质(铁和镁,分别于溶解和非溶解状态)。当待处理水的穿透率和反应器内的紫外线强度均为已知时,反应器的体积就可以被计算出来。再根据反应器的体积,来计算紫外线剂量。

 

3 - 待处理水的质量

待处理水的水量决定着反应器的体积。而反应器体积的设计又被水头损失,管道

的尺寸以及紫外线剂量所限制。

 

4 - 待处理水的温度

低压紫外线灯

低压紫外线灯的表面温度相对而言较低,但是它会严重的受到待处理水水温的影

响。对于低压紫外线灯而言,理想水温是20摄氏度,当水温低于或者高于20

摄氏度时会导致紫外线辐射输出量的降低。当温度低于5摄氏度时,将很难预测

紫外线的强度,甚至导致紫外线灯的无法正常启用。

中压紫外线灯
虽然中压紫外线灯管表面有较高的温度,但正是由于此原因它不易受到周围水温的影响,中压紫外线灯可以在零下20摄氏度和零上80摄氏度范围之间有效工作。

5 - 紫外线照射后的复活机制

由于所有的微生物长期暴露在自然的紫外线下,所以微生物在受到紫外线照

射后的修复和再活化是极为必要的,通常这个机制被称为复活机制。此复活过程可以在有光的条件下完成,甚至在黑暗的条件完成。它们分别被称为光复活和黑暗修复。对于由紫外线辐射而造成的不同程度的损伤,不同的微生物有着不一样的复活能力。微生物的复活机制并不是统一的,目前还没有一个清楚的标准可以用来判定哪个种类可以自我复活而那些种类不具备这种机制。

脱氧核糖核酸和核糖核酸在细胞中是最为容易受到攻击的。这是因为它们能存储细胞的遗传密码的独特功能,另外也是由于它们复杂的结构和庞大的数量。正如大家所了解的分子复活机制经过进化,最终得到大量的分子核酸,这里特别要提到的是脱氧核糖核酸。在光复活反应过程中,光解霉通过反作用紫外线辐射而完成修复过程,而黑暗修复则是由十几个霉以上的结合体完成的。霉首先要受到能量激发才能开始整个复活反应,光复活反应的能量来自300至500nm的可视光,而黑暗复活的能量来自细胞内的营养物质。在这两种情况下,都是因为霉的作用于受损的脱氧核糖核酸,而使复制得以进行。

通常大肠杆菌携带20个左右的光解霉,每个光解霉每分钟可以修复5个胸腺嘧啶二聚物,如果依照此方法计算,在一个细胞内每一分钟有100个二聚物被修复。1 mJ/cm2 紫外线辐射能产生3000至4000个二聚物(Oguma, 2002)所以理论上而言,1 mJ/cm2 的紫外线辐射对细胞产生的损伤,会在30分钟内被修复。

对比在受到低压灯照射后和在受到中压灯照射后的复活机制、

不同的紫外线消毒系统

我们可以为您设计不同的反应器,比如嵌入式(Berson in-pipe)设计,它的紫外线灯管于流体流动方向成90度直角。而传统设计则是紫外线灯管和流体流动方向一致。

对紫外线系统进行连续监控。在反应器内的紫外线传感器,检测紫外线的输出情况以及由于紫外线输出的变化而导致的信号变化。这可能是由于水质的突然变化或者有污垢附着在石英套管上。紫外线传感器还可以起到对灯管老化的监察作用。

微处理器可以控制紫外线消毒,还可对紫外线输出进行调整,可以在人工或者自动间转换紫外线输出的调整模式。

为了防止污垢附着在石英套管表面而导致的紫外线输出量降低,擦拭设备可以被安装在反应器内。这种擦拭设备,有人工和自动两种选择,这样既可以达到清洁的目的,而又不用拆除或者停止整个紫外线消毒系统。

暴露在低压或中压紫外线下,受损部分的修复
由于低压紫外线灯输出的紫外线波长为254nm,与脱氧核糖核酸吸收紫外线辐射峰值265nm波长相近,所以传统工艺采用低压紫外线灯。最近的研究表明,暴露在低压紫外线下的受损大肠杆菌细胞中的脱氧核糖核酸可以由复活反应修复,但是暴露在中压紫外线下的损伤则不能被修复。进一步的研究表明,同样作用于大肠杆菌细胞中的脱氧核糖核酸,高压、多色紫外线辐射会比低压、单色紫外线辐射,具有更高效、更持久和难以修复的损伤。

以上研究有很深远的意义,因为对于很多工业用水和排水项目,在紫外线消毒完成后,它们要求消毒效果的持久性。特别是一些液体在消毒后,会暴露在有光条件下。同时,原理适用于任何会暴露在有光条件下的已处理水或排水。例如污水、瓶装水、渔业和游泳池。对于可能的黑暗复活也很重要,例如饮用水或者工艺用水。

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