紫外線消毒器應對小規模供水微生物污染特點

摘要：結合B市M單位自備井微生物污染事件及應對過程，以小規模供水單元突發性微生物污染為背景，將飲用水紫外線消毒器作為應對手段，考察了紫外強度、紫外線穿透率對紫外線消毒效果的影響，并研究了大腸桿菌可見光復活。結果表明：較大劑量時，紫外強度對消毒效果的影響會減弱甚至不產生影響；在相同紫外強度條件下，紫外線穿透率對紫外線消毒效果的影響顯著；可見光復活會明顯降低紫外線消毒效果，影響程度與投加劑量有關。M單位處理效果證明飲用水紫外線消毒器在應對小規模供水單元突發性微生物污染方面具備安裝簡便、快速、處理效果好等特點。

關鍵詞 ：紫外線消毒 紫外線穿透率 可見光復活 應急消毒技術

紫外線消毒作為消毒技術，目前的運用越來越廣泛，尤其是在歐美等發達國家的水廠和污水處理廠，為了控制“兩蟲"大量使用飲用水紫外線消毒器和污水紫外線消毒器消毒技術。紫外線殺菌器消毒的原理是紫外線對微生物的遺傳物質(脫氧核糖核酸DNA或核糖核酸RNA)有破壞作用，使得微生物在吸收了一定劑量的紫外線后，DNA的結構發生破壞，細胞失去活性，無法繁殖，細菌數量大幅度減少，從而達到滅菌的目的。

目前，水污染事件在我國發生的頻率越來越大，從松花江的硝基苯污染到太湖藻類大爆發，再到赤峰的飲用水污染導致多人腹瀉事件，這些事件的教訓要求我們要快速提高應付水污 染事件的應急技術及能力。同時要注意推進污水紫外線消毒器在污水處理中的應用。

紫外線消毒器價格成本低廉，紫外線殺菌器具有安裝簡便快速、占地小、殺菌廣譜等優點，適合應用于小規模供水單元的消毒。本文以B城 市 M區域的垃圾滲濾液流入飲用水水源井造成的大腸桿菌污染事件為例，介紹利用紫外線消毒器價格優勢和消毒技術來解決小規模供水單元突發性微生物污染事件。

1案例分析

1．1水污染突發事件介紹

B市M區域有水源井兩口，主要給附近居民提供生活用水。水源井出水經二氧化氯消毒后供給居民，平時出水水質符合國家生活飲用水水質標準。2009年7月，水質檢測報告顯示，大腸桿菌10 個／lOOml，嚴重超標。據調查，造成水污染的原因為水源井西側的垃圾填埋場滲濾液匯入。

1．2應急處理方案

在水源井與二氧化氯消毒之間的管段做一旁通，在應急處理期間以前的管段閥門關閉，水流先經過紫外線消毒設備再進行二氧化氯消毒，安裝簡單操作方便，可以滿足應急處理的要 求。

1．3紫外線消毒器系統 紫外線消毒設備為管道式，在管道內豎向排列六根紫外燈管，紫外燈為低壓高強燈，每根燈管的功率為300W 。紫外線消毒設備設置進水口和出水口，在外壁上設置強度監測探頭。

2影響因素分析

為了更好的發揮紫外線消毒設備應對突發微生物污染的效能，避免出現紫外滅活效率低下的現象，本文分析了紫外強度、紫外透光率以及可見光復活幾種因素對大腸桿菌的滅活效果的影響。

2．1實驗 裝置及方法

紫外照射采用內置紫外燈管的準平行光束儀，紫外照射后，檢測水樣中的大腸桿菌數量。平行光束儀由紫外燈、紫外燈校平管、水樣照射平臺組成，裝置如圖4所示。紫外線燈管的安裝要求確保輻射光垂直樣品表面，水樣照射平臺可以放置磁力攪拌器及盛水容器，照射平臺可以上下調節，通過改變與燈管之間的距離可以得到不同的照射光強。使用磁力攪拌器和細小的磁力轉子，以確保水樣充分混合，使水樣得到均勻照射。本次實驗所用平行光束儀燈管為低壓燈，輸出波長254nm。

根據紫外協會推薦方法得到平均紫外強度，通過劑量公式得到紫外線消毒劑量。D = I-t

式中，D——紫外線劑量 (mJ／cm )；，——平均紫外強度 (mW／cm2)；一 照射時間 (S)。利用對數滅活率評價消毒效果，rl=lg(NoIN)式中，q——對數滅活率；N0_一紫外線照射前水樣中的菌數；N——紫外線照射后水樣中的菌數。

2．2NgI-~．度對大腸桿菌滅活效果的影響

紫外線殺菌器的紫外線劑量是紫外線消毒的重要指標，劑量的大小決定了對微生物的殺滅效果，劑量用光強 與照射時間乘積來表示。但是同一劑量條件下，不同的光強和照射時間組合可能對紫外滅活效果產生影響。本次試驗研究了相同劑量條件，不同光強對滅活效果的影響，光強分別取0.007，0.054，0.084 mW／cm。隨著紫外劑量的增加，滅活率相應增大，這符合常規。另外，相同紫外劑量情況下，各紫外光強度對應的滅活率不同，尤其是在劑量0～10mJ／cm 區間 ，紫外光強為0.007mW／cm的曲線比光強為0.054~H0.084 mW／cm 的曲線明顯偏低，這與清華大學張永吉的研究結果一致口。這種現象說明滅活率不只是由劑量決定，紫外光強度的大小對滅活率也有一定的影響。從曲線還可以看出，當劑量較大時，強度對滅活的影響會減弱甚至不產生影響，即在大劑量條件下，可以不用考慮強度的影響。

對于現場紫外線消毒設備而言，要避免出現紫外強度較小的區域，這就要求紫外燈之間的間距或紫外燈與管壁間距合理設計，使進水得到紫外燈均勻照射。另外要設計足夠的紫外劑量，因為在大劑量條件下，強度的影響可以忽略。上述工程實例中的紫外線消毒器，在紫外強度較小的管壁處安裝了強度測定探頭，可隨時監測管壁處的光強。運行一段時間后，紫外燈管會出現結垢，光強降低，為了避免光強對滅活的影響，需對燈管進行清洗。

2．3紫外線穿透率對大腸桿菌滅活效果的影響

在紫外線殺菌器消毒中，一般用紫外線穿透率來描述吸光物質對紫外線透射的影響。不同水質條件的水樣具有不同的透光率，對紫外線消毒效果的影響則不同。本次試驗研究光強、時間恒定條件下，紫外線穿透率對滅活率的影響效果。

紫外穿透率

紫外穿透率與大腸桿菌紫外滅活率關系曲線

可以看出，在本次實驗條件下，隨著紫外穿透率的增加，大腸桿菌的滅活率增大，紫外穿透率為60％、90％所對應的大腸桿菌滅活率分別為1.43 和3.37 ，差值接近21g，這表明紫外穿透率對大腸桿菌的滅活率影響顯著。

在紫外線消毒設備工藝設計上一定要考慮水的紫外穿透率，要盡量降低水的紫外穿透率 ，這樣可以在較小的強度條件下達到較大的紫外滅活效果，節省運行成本。地下水一般情況下，濁度色度較低，吸光物質較少，紫外線穿透率較大，有利于紫外線對微生物的滅活。但是 ，地下水中容易帶有沙粒，鐵錳含量較高或遭受有機物污染的地下水色度較大，這都會降低紫外穿透率，從而降低滅活率。基于上述因素，現場紫外線消毒器的光強除了滿足消毒要求之外，要留有一定的余量 ，保證地下水紫外透光率降低所帶來的影響。

2．4可見光復活對大腸桿菌滅活效果的影響

很多種微生物被紫外線殺菌器的紫外線照射后，可以在可見光照射下修復紫外線造成的DNA損傷，重新獲得活性，從而削弱消毒效果，威脅消毒出水的安全性。這種依靠可見光修復DNA損傷的現象叫做光復活。本次試驗的目的是了解微生物經紫外照射，再經可見光照射，其可見光復活情況，從而得到光復活對紫外滅活的影響效果。可見光照射試驗光源為太陽光，照射時間段為7月中旬11點至13點，可見光照射時間段分別為0.5、1、2h，用復活百分比和復活速率來表征可見光復活程度，復活百分比為復活菌數與可見光照射前滅活菌數的比值；復活速率為復活菌數與復活時間的比值。

可以看出，紫外照射前、紫外照射后及光復活后，大腸桿菌的數量變化情況。紫外照射后，大腸桿菌數量減少，可見光照射后，大腸桿菌部分復活，數量增多。實驗中三種劑量條件下結果對比發現，紫外照射后，劑量分別為 l、3、5mJ／cm 所對應的大腸桿菌數量遞減，經可見光照射后，三種劑量對應的菌數量也依次遞減。劑量1、3、5 mJ／cm 所對應的復活百分比為35.1％、12.2％,no．8％。這說 明大劑量不但可以提高大腸桿菌的滅活率，同時可以控制大腸桿菌的復活數量。

這說明經可見光照射，被紫外滅活的大腸桿菌可部分復活。紫外劑量為1 mJ／cm ，可見光照射0.5h，復活基本穩定，紫外劑量為3、5 mJ／cm ，可見光照射1h，復活基本穩定。紫外劑量為 1、3、5時 ，可見光照射復活速率分別為5．20×10~／h、 1．21×106／h~H8．36×10 ／h。以上數據可知，實驗給定的小劑量紫外照射復活較快。

由于可見光復活對紫外滅活效果有影響，大劑量可以控制可見光復活，所以現場紫外線消毒設備的紫外劑量除了滿足滅活要求之外，盡量要留有控制光復活的余量。為了控制大腸桿菌的可見光復活，工程中現場消毒工藝為紫外線消毒器與二氧化氯聯合消毒。

3工程參數確定及處理效果

3．1紫外線消毒劑量及紫外線殺菌器設備處理流量

工程參數設計考慮紫外強度、紫外線穿透率以及可見光復活的影響。現場參數確定考慮不利因素為zui小紫外線穿透率為60％，可見光照射為1小時，經現場試驗，當單根燈管處理流量為50m/h時，出水大腸桿菌*滅活，且經可見光照射后，大腸桿菌未見復活，經平行光束儀試驗得知，有效劑量達~1]20mJ／cm 。考慮紫外燈老化以及燈管結垢的影響，zui終選擇單根紫外燈處理流量為20m／h，紫外線消毒器處理流量為120m／h。

3．2處理效果

本工程主要工作為管線的改造與安裝，在原有的供水管上做一三通，連接飲用水紫外線消毒器，購買管材、布設管線、設備安裝調試總用時為兩天。被垃圾滲濾液污染的井水，經紫外線消毒設備處理后，再經二氧化氯消毒，出水大腸桿菌沒有檢出。紫外線消毒設備在運行期間運行狀況良好，均未發現大腸桿菌超標現象。

4結論

4．1 紫外光強為0．007mW／cm 的滅活率比光強為0.054~1.084mW／cm 的滅活率偏小，說明相同劑量下，低強度的紫外線滅活效果要差于高強度紫外線。另外，劑量較大時，強度對滅活的影響會減弱甚至不產生影響。

4．2紫外線穿透率對大腸桿菌的滅活效果影響顯著。表面光強、照射時間恒定條件下，紫外線穿透率為60％、90％所對應的大腸桿菌滅活率差值達21g左右 。

4．3 劑量分別為 1、3、5 mJ／cm 照射 后 ，菌數量遞減 ，經可見光照射后，菌數量也依次遞減。說明大劑量不但可以提高大腸桿菌的滅活率，同時可以控制大腸桿菌的復活數量。紫外劑量為1、3、5N，可見光照射復活速率分別為5.20×10106h、1.21×10。／h 和8.36×10／h。說 明小 劑量 紫外 照射 后 可見 光復 活 較快。現場消毒工藝為紫外線與二氧化氯聯合消毒，可控制大腸桿菌的可見光復活。
4．4 現場試驗單根紫外燈處理流量為50m／h，出水大腸桿菌*滅活，有效劑量達~U20mJ／cm ，考慮紫外燈老化以及燈管結垢的影響，選擇單根紫外燈處理流量為20m ／h，紫外消毒設備處理流量120 T／h。紫外消毒設備運行期間，處理效果較好，大腸桿菌均未檢出。 4．5本工程表明紫外線消毒設備對水源井突發性微生物污染處理*，紫外線消毒器設備安裝容易、用時短、操作方便，可以滿足應急需求。