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關(guān)鍵詞: 紫外線； 消毒； 飲用水； 處理

氯消毒會(huì)產(chǎn)生具有致癌作用的氯化消毒副產(chǎn)物，而近些年來賈第蟲和隱孢子蟲的發(fā)現(xiàn)，使現(xiàn)有的氯消毒工藝面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人們開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程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物對(duì)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[1]。

在眾多的替代消毒技術(shù)中，由于紫外線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。紫外線消毒的歷史非常悠久，在歐洲，飲用水紫外線消毒已有近百年的歷史。1910年，法國(guó)的馬賽一家自來水廠最先安裝了一套紫外線消毒系統(tǒng)對(duì)飲用水進(jìn)行消毒，到目前為止，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已在污水處理廠安裝了近4000套大型紫外線消毒系統(tǒng)，應(yīng)用該技術(shù)的廠家約占污水處理廠總數(shù)的10%。同時(shí)，至2001年底已有2000多家自來水廠采用了紫外消毒技術(shù)，占自來水廠總數(shù)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(guó)家將紫外線消毒列為用水終端和用戶進(jìn)水端及小型給水系統(tǒng)中的首選方法。尤其是發(fā)現(xiàn)自來水中存在隱孢子蟲后，美國(guó)已經(jīng)將紫外消毒工藝作為自來水消毒的最佳手段寫入供水法規(guī)中[2]。

1 紫外線消毒的生物學(xué)原理

紫外線位于X射線和可見光之間，在物理學(xué)上一般將紫外線分為真空紫外線區(qū)(<190nm)、遠(yuǎn)紫外區(qū)(190-300nm)和近紫外區(qū)(300-400nm)；按其生物學(xué)作用的差異，紫外線可分為UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫外線部分。水處理中實(shí)際上是使用紫外線的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[3]。

紫外線滅菌的原理是基于核酸對(duì)紫外線的吸收。紫外殺菌本質(zhì)上是一個(gè)光化學(xué)過程，每一粒波長(zhǎng)253.7nm的紫外線光子具有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(chǔ)，核酸分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類，其共同點(diǎn)是由磷酸二脂鍵按嘌呤與嘧啶堿基配對(duì)的原則而連接起來的多核苷酸鏈。當(dāng)微生物體受到紫外線照射時(shí)，會(huì)吸收紫外線的能量，從而引起DNA的損傷，最常見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(dāng)DNA受到紫外線照射后，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(gòu)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(wěn)定的化學(xué)鍵，從而阻止了DNA的復(fù)制[4,5]；另一方面，在紫外線的照射下可以產(chǎn)生自由基引起光電離，造成微生物不能復(fù)制繁殖，就會(huì)自然死亡或被人體免疫系統(tǒng)消滅，不會(huì)對(duì)人體造成危害，從而達(dá)到消毒的目的。

2 紫外線消毒對(duì)水中微生物的滅活效果

    紫外線消毒具有較高的微生物滅活效果，對(duì)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(shù)都是在1秒之內(nèi)。紫外線對(duì)常見細(xì)菌和病毒的滅菌效果如表1所示：

表1 　紫外技術(shù)對(duì)常見細(xì)菌病毒的殺菌效率(紫外輻射強(qiáng)度30mW/ cm2)

另外，紫外線消毒技術(shù)對(duì)近些年發(fā)現(xiàn)的致病性病原微生物賈第蟲和隱孢子蟲也具有良好的滅活效果。隱孢子蟲孢囊通過人畜的糞便排入環(huán)境，它們可在環(huán)境中存活很長(zhǎng)時(shí)間，隱孢子蟲卵囊和賈孢子蟲孢囊比其它水傳染病源微生物的存活時(shí)間長(zhǎng)，因而可引起多次疾病的爆發(fā)。隱孢子蟲引起的疾病非常嚴(yán)重，其普遍的的癥狀是腹瀉、嘔吐、低燒，類似流感的癥狀，而對(duì)免疫機(jī)能不健全的患者，如艾滋病患者，其疾病更為嚴(yán)重，導(dǎo)致死亡。如1994年美國(guó)拉斯維加斯市爆發(fā)隱孢子蟲病，20名艾滋病患者死亡[6-9]。近年來的研究表明，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99.9 %以上，并且通過大量的實(shí)驗(yàn)證明低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱孢子蟲[10~12]。紫外線消毒對(duì)軍團(tuán)菌也有良好的效果，Muraca比較了臭氧、紫外線和氯和加熱對(duì)軍團(tuán)菌的滅活情況，紫外線和加熱(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(dá)到同樣的滅活效果[13,14]。

3 紫外線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(fèi)用及安全性方面的比較（見表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(zhǎng)的時(shí)間，而紫外線消毒僅需幾秒鐘即可達(dá)到同樣的滅活效果�；瘜W(xué)消毒劑都會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)人體健康有害的消毒副產(chǎn)物，并且操作及管理也比較復(fù)雜，紫外線消毒在滅菌的過程中不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，而且運(yùn)行操作簡(jiǎn)便，其基建投資及運(yùn)行費(fèi)用也低于其他幾種化學(xué)消毒方法。

表2 紫外線消毒與其他消毒方法的比較

4 紫外線消毒應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

紫外線消毒工藝具有其他消毒工藝所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)消毒技術(shù)的缺點(diǎn)。歐洲許多國(guó)家以及北美的加拿大和美國(guó)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，推薦采用紫外線消毒技術(shù)。紫外線消毒的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：

(1) 紫外線消毒技術(shù)具有較高的殺菌效率，運(yùn)行安全可靠。紫外線消毒對(duì)細(xì)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(duì)水體和周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

(2) 對(duì)隱孢子蟲和賈第蟲有特效消毒效果，常規(guī)的氯消毒工藝對(duì)隱孢子蟲和賈第蟲的滅活效果很低，并且在較高的氯投量下會(huì)產(chǎn)生大量的消毒副產(chǎn)物，而紫外線消毒在較低的紫外線劑量下對(duì)隱孢子蟲和賈第蟲就可以達(dá)到較高的滅活效果。

(3) 不產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物，不增加飲用水的AOC含量。紫外線消毒不改變有機(jī)物的特性，并且由于不投加化學(xué)藥劑，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(wěn)定性的副產(chǎn)物。

(4) 能降低臭味和降解微量有機(jī)物，紫外線對(duì)水中多種微量有機(jī)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(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低。對(duì)每天5萬(wàn)噸污水用氯消毒來說，需建有一個(gè)130米長(zhǎng)、3米寬的接觸渠。采用紫外線消毒只需20米長(zhǎng)3米寬的面積；紫外線消毒運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，可達(dá)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(shì)。

(6) 消毒效果受水溫、pH影響小。

紫外線消毒技術(shù)在工程應(yīng)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(xù)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(duì)紫外殺菌有較大影響，降低消毒效果；

(3) 紫外燈套管容易結(jié)垢，影響紫外光的透出和殺菌效果，因此需要對(duì)套管進(jìn)行定期的清洗以及采取表面降溫措施來防止管垢的形成；

(4) 細(xì)菌的復(fù)活現(xiàn)象，一些細(xì)菌被紫外照射失活的病毒細(xì)菌可通過光的協(xié)助修復(fù)自身被破壞的組織，達(dá)到復(fù)活目的，另外一些細(xì)菌可能存在著暗復(fù)活現(xiàn)象(無(wú)需光照)；

(5) 國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)少，在國(guó)內(nèi)，雖然工程上已經(jīng)逐漸開始使用紫外線系統(tǒng)，但是對(duì)于紫外線消毒技術(shù)的研究并沒有完全開展起來，對(duì)于紫外線消毒的應(yīng)用也還存在較多問題。

5 紫外線消毒技術(shù)應(yīng)用前景

紫外線消毒具有廣譜性，對(duì)多種病源微生物都有較好的作用效果。歐洲許多國(guó)家以及北美的加拿大和美國(guó)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，都推薦采用紫外線消毒技術(shù)[15]。目前紫外線在飲用水消毒、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(yīng)用，盡管紫外線消毒技術(shù)存在無(wú)持久殺菌能力、細(xì)菌光修復(fù)問題及燈管的使用壽命等問題，但是相信隨著人們對(duì)紫外線消毒技術(shù)研究的不斷深入，殺菌效率更高的中壓燈、脈沖燈的出現(xiàn)，燈管使用壽命的延長(zhǎng)，以及對(duì)紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的深入，紫外線消毒裝置產(chǎn)品的商業(yè)化、國(guó)產(chǎn)化，綠色環(huán)保高效的紫外線消毒技術(shù)在我國(guó)飲用水消毒中將具有良好的應(yīng)用前景。

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9           Colin Fricker, J. Clancy. Crypto’s Protocol Prospects. Water Quality International. 1998(5):11-15

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11       Zia Bukhari , Thomas M. Hargy ,James R. Bolton ,et al. Medium2pressure UV for oocyst inactivation. J. AWWA. 1999,91(3):86-94.

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13       Muraca, P., Stout, J. E., Yu, V. L. Comparative Assessment of Chlorine, Heat, Ozone, and UV Light for Killing Legionella Pneumophila within a Model Plumbing System App and Env Micro. 198753(2):447-453

14       B. R. Kim, J. E. Anderson, S. A. Mueller. Literature Review-Effcacy of Various Disinfectants Against Legionella in Water Systems. Wat. Res. 2002,36:4433-4444

15       R. Sommer, A. Cabaj, D. Schoenen. Comparison of Three Laboratory Devices for UV-Inactivation of Microorganisms. Wat. Sci. & Tech. 1995,31(5):147-156