（环境工程专业论文）紫外线灭活三种代表性微生物的研究.pdfVIP

哈尔滨下稃大学硕十学批论文 摘要 紫外线消毒技术作为物理消毒方式的一种，具有广谱杀菌能力，无二次 污染。经过2 0 多年的发展，已经成为成熟可靠高效环保的消毒技术，在国外 多个领域得到了广泛的运用。在我国由于对其技术的了解有一定的局限性， 在污水处理中应用不多，最近几年才逐步兴起。 本文使用一套密闭式紫外线消毒装置，以大肠杆菌、酵母菌和枯草芽孢 杆菌为代表性微生物进行灭活实验，并对其灭活反应动力学进行分析。实验 结果表明，使用紫外线灭活大肠杆菌，照射初期灭活效果明显；存活数和灭 活率随生物负荷的增加而增加。照射样品保存在光照条件下时，存活的大肠 杆菌经过修复后增殖明显；保存在避光条件下时，存活的大肠杆菌修复后增 殖缓慢。被紫外线照射后，水样中存活的大肠杆菌失去部分生化特性。在照 射水层厚度为5 m m 时，浊度对紫外线灭菌效果影响有限。使用紫外线灭活酵 母菌，存活数没有随生物负荷的增加呈规律性变化；但灭活率随生物负荷的 增加而增加。使用紫外线灭活枯草芽孢杆菌，存活数和灭活率都随着生物负 荷的增加而增加。2 4 h 培养的酵母菌和枯草芽孢杆菌对紫外线的敏感度较高， 灭活效果好；相应的4 8 h 培养的样品对紫外线的敏感度相对较差。 使用c h i c k w a t s o n 方程对三种微生物的灭活反应进行动力学分析。三种 微生物灭活反应的相关系数都随生物负荷的增加而增加；生物负荷较低时， 实测值与拟合值偏差较大，此时更适合使用a b d e n n a c e u r 方程。灭活反应的 相关系数随水样浊度的增加而减小。生物负荷相近时，2 4 h 培养的酵母菌和 枯草芽孢杆菌灭活反应的相关系数要大于各自4 8 h 样品的相关系数。生物负 荷相近时，三种微生物的灭活反应相关系数按大肠杆菌、酵母菌、枯草芽孢 杆菌的顺序呈减小趋势。 关键词：紫外线消毒，大肠杆菌，酵母菌，枯草芽孢杆菌，动力学 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t u l t r a v i o l e td i s i n f e c t i o nw a sap h y s i c a lm e t h o d 。w h i c hc o u l di n a c t i v a t em o s t m i c r o o r g a n i s m sa n dh a dn oa d d i t i o n a lp o l l u t i o n s u l t r a v i o l e th a sb e c o m ea c r e d i b l e ，e f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n t a ld i s i n f e c t i o nm e t h o da f t e rm o r et h a n2 0 y e a r s d e v e l o p m e n t i tw a su s e di nm a n yf i e l d si nf o r e i g nc o u n t r i e s i nc h i n a , d u e t o 胁l ek n o w l e d g ea b o u ti t ，t h eu s a g eo fu l t r a v i o l e ti nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a s s e l d o mr e p o r t e d r e c e n ty e a r s ，m a n ys c h o l a r sp a i da t t e n t i o nt oa n ds t u d yo ni t ， a n ds o m ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c t o r i e sb e g a nt ou s eu l t r a v i o l e td i s i n f e c t i o n t h ei n a c t i v a t i o no fe s c h e r i e h i ac o l i ，s a c e h a r o m y c e sc e r e v i s i a eh a n s e na n d b a c i l l u ss b u t i l i ss p o r e sw e r es t u d i e db yt h el o w - p r e s s u r eu l t r a v i o l e td i s i n f e c t i o n e q u i p m e n t ；m o r e o v e rt h e k i n e t i c so fi n a c t i v a t i o nw a so b t a i n e d o u rr e s u l t s i n d i c a t e dt h a te s c h e r i c h i ac o l ic o u l d b ei n a c t i v a t e de f f e c t i v e l yb yu l t r a v i o l e tw h e n t h ei n i t i a li r r a d i a t i o np r o c e s s i n g , t h en u m b e r so fc o u n t i n gb a c t e r i aa f t e re x p o s u r e t ou va n dt h er a t i oo f i n a c t i v a t i o ni n c r e a s e d 、 ，i 也t h ei n i t i a lr i s i n g b e c a m eo f t h e p h o t o r e a c t i v a t i o n ，e s c h e r i c h i ac o l ii n c r e a s e df a s tw h e nt h es a m p l ew a sk e p ti n s u n n y ；a n dt h es a m p l ek e p ti n d a r ki n c r e a s e d s l o w l y m a n yp h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r so fe s c h e r i c h i ac o l ih a db e e nl o s ta f t e ru v e x p o s u r e w h e nt h ed e p t ho f w a t e rw a s5m i l l ，t h et u r b i d i t ya f f e c t e dt h ei n a c t i v a t i o nl i m i t e d l y s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a eh a n s e na n db a c i l l u ss b u t i l i ss p o r e sw e l ea l s oi n a c t i v a t e db yu l t r a v i o l e t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h en u m b e r so fc o u n t i n gb a c t e r i aa f t e re x p o s u r et ou v w e r ei n c r e a s e dw i t ht h ei n i t i a lr i s i n ga sw e l la st h er a t i o so fi n a c t i v a t i o n t h e b a c t e r i a ls t r a i n sc u l t i v a t e d2 4h o u r se x h i b i t e dl e s sr e s i s t a n c et h a nt h es a m p l e s c u l t i v a t e d4 8h o u r s ；t h e ya l s oh a dt h eb e t t e re f f e c to f i n a c t i v a t i o n t h ek i n e t i c so fb a c t e r i a lr e m o v a lo ft h et h r e eb a c t e r i aw a sa n a l y z e db yt h e 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 m o d e lo fc h i c k w a t s o n ，a l o n gw i t ht h eb a c t e r i ac o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n gt h e r e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h et h r e eb a c t e r i af i s e da c c o r d i n g l y t h et h e o r e t i c a l c o u n t i n gd a t aw e r em u c hd i f f e r e n tf r o mt h ea c t u a l d a t ew h e nt h eb a c t e r i a c o n c e n t r a t i o nw a st h i n i tw a ss u i t a b l et o 啪t h em o d e lo f a b d e n n a c e u rw h e nt h e b a c t e r i ac o n c e n t r a t i o nd e c r e a s i n g t h er e l e v a n tp a r a m e t e ro fi n a c t i v a t i o nr e d u c e d w i mt h et u r b i d i t yi n c r e a s i n g t h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fi n a c t i v a t i o no ft h e s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a eh a n s e na n db a c i l l u ss b u t i l i ss p o r e sc u l t i v a t e d2 4h o u r s w e r em u c hl a r g e rt h a nt h es a m p l e sc u l t i v a t e d4 8 h o u r sw h e nt h eb a c t e r i a c o n c e n t r a t i o n sw e r es i m i l a r , a n dt h em i c r o o r g a n i s m sf o l l o w e dt h ed e c r e a s i n g o r d e ro ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r s ：e s c h e r i c h i ac o l i s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e h a n s e n b a c i l l u ss b u t i l i ss p o r e s k e y w o r d s ：u l t r a v i o l e td i s i n f e c t i o n ，e s e h e r i c h i ac o l i ，s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e h a n s e n ，b a c i l l u ss b u t i l i ss p o r e s ，k i n e t i c s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：型：堕季 日期：矽年猬je t 哈尔滨t 稗大学硕十学f i ) ：论文 第1 章前言 1 1 城市污水消毒的必要性 污水中含有大量的病菌、病毒等对人体有害的物质。经城市污水处理厂 二级生化处理后虽然可以大大降低水中的病菌、病毒的浓度，但是出水中仍 然含有数量可观的病菌、病毒，会对二级出水的再次使用造成潜在的危险。 为了保护人类的生命健康，保护好水环境，我国国家环境保护总局和国家质 量监督检验检疫总局于2 0 0 2 年1 2 月2 4 日颁布的城镇污水处理厂污染物排 放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) q b 首次将病原微生物一粪大肠菌群列为基本控制指 标，要求城市污水必须进行消毒处理，且自2 0 0 3 年7 月1 日起实施，从而使 污水处理标准的病理指标与国际接轨。 2 0 0 2 年1 1 月，某些国家及地区爆发了非典型性肺炎，这一疫情的元凶 一冠状病毒的广泛传播和顽强存活的能力，使人们意识到消毒的重要性，尤 其是污水处理厂的出水消毒，成为防止疫情扩散的重要防线。2 0 0 3 年5 月4 日，国家环境保护总局要求“城镇污水处理厂出水应结合实际采取加氯或紫 外线、臭氧等消毒灭菌处理，出水水质粪大肠菌群数小于1 0 0 0 0 个l ”。由此 可见污水处理厂出水消毒的必要性和紧迫性。 以粪大肠菌群数作为衡量污水厂二级出水的微生物指标，是由于人类肠 道传染病的病原体，也和大肠杆菌一样随粪便排出体外，当发现有大肠杆菌 存在时，人们有理由怀疑也会有肠道传染病的病原体存在。人类肠道传染病 中，霍乱、伤寒、痢疾等的病原体也属细菌，但培养和检验这些细菌是很困 难的，不仅操作复杂，成本高，而且所花时间也太长，在生产实践中无法采 用。而大肠杆菌都有发酵乳糖和产酸产气的特点，一般实验室检验很容易发 现它们，而且它的抗氯化消毒的能力，也比其它肠道传染病的病原菌要强得 多。当大肠杆菌被杀灭到某一较低数量级时，上述肠道传染病的病原菌一般 早已全部死亡【l 】。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 1 2 城市污水消毒标准 从历史上看，霍乱、伤寒、痢疾和甲、戊型肝炎这些传播快发病率高且 曾经引起过大流行的消化道传染病，其传播途径都是水源。单是一年内死于 腹泻的人便有四百万名，其中八成是儿童。在非洲撒哈拉一带，1 9 8 7 年因痢 疾而招致的间接损失高达八亿元。1 9 5 5 1 9 5 6 年印度新德里因水源受污染， 在1 7 0 万城市人口中就有2 9 0 0 0 人患甲型急性黄胆性肝炎，我国建国后虽无 大的事件发生，但也有因食用污水灌溉的蔬菜而造成伤寒与痢疾发病明显增 高的事例【2 】。为了保护人类的生命健康，保护好水环境，世界许多国家和地 区( 北美、欧盟、日本、韩国、台湾等) 都要求对城市污水在排放前进行消毒 处理，并制定了相应的消毒指标。 美国的污水排放标准一般是由国家环保署( e p ：a ) 制定出指导性原则，再由 各州制定出自己的排放标准，向本州的污水处理厂发放国家污染物清除系统 ( n p d e s ) 排放许可证，证上规定各个污水处理厂的详细排放指标。该许可证 及监测数据最后汇总到美国环保署监控管理，不能达标的污水处理厂将被处 以罚金。该执行管理体系是世界上最为严格的，从而保证了标准的严格实施 和执行。目i ； 美国大部分州对经过二级生化处理后的污水出水消毒指标为粪 大肠菌群不超过2 0 0 个l o o m l ，极个别州的标准为粪大肠菌群不超过4 0 0 个 l o o m l 或1 0 0 0 个1 0 0 m l 。在污水再生处理方面，美国大部分州采用了美国 加州的消毒标准，即加利福尼亚第2 2 号条例，该标准对非跟制性使用的回用 水的消毒标准为总大肠菌群不超过2 1 2 个l o o m l 。加拿大的污水排放消毒指 标与美国类似。欧盟国家的污水排放标准主要受浴场水指导准贝l j ( b a t h i n g w a t e rd i r e c t i v e s ) 约束，现行标准为受纳水体中的总大肠菌群不超过1 0 0 0 0 个 1 0 0 m l ，且粪大肠菌群不超过2 0 0 0 个1 0 0 m l ，目前欧盟正在对这一标准进 行修改，预计新标准中的粪大肠菌群数将修订为不超过1 0 0 0 个1 0 0 m l 。 我国的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 将粪大肠菌 群列为基本控制项目。该标准规定执行二级标准和一级b 类标准的污水处理 2 哈尔滨犟大学硕十学位论文 厂粪大肠菌群最高允许排放浓度不超过1 0 0 0 0 个l ( b p1 0 0 0 个1 0 0 m l ) ，执行 一级a 类标准的不超过1 0 0 0 个l ( 即1 0 0 个1 0 0 m l ) 。部分国家和地区所采取 的标准归纳见表1 1 。 表11 部分国家和地区所采取的标准 国家或地区指标值标准 美国国家环保局 2 0 0 个1 0 0 m l 二级生化处理后的出水 ( e p a ) 美国加利福尼弧第总人肠菌群数2 1 个1 0 0 m l非限制性使用的回用水 2 2 号条例 欧盟2 0 0 0 令 1 0 0 m l 浴场水指导准则 总大肠菌群数1 0 0 0 个m l 水污染环境质量标准一二级标准，渔 日本 业一级标准 1 0 0 0 0 个儿 - 二级标准 中国 1 0 0 0 个，l 一级标准a 类 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 1 0 0 0 0 个l 一级标准b 类 5 0 0 0 个几 医院、兽医院及医疗机构含病原体污 水：三级标准 1 0 0 0 个，l 医院、兽医院及医疗机构含病原体污 水：二级标准 中国 5 0 0 个几 医院，兽医院及医疗机构含病原体污 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 水：一级标准 1 0 0 0 个几 传染病、结核病医院：三级标准 5 0 0 个l传染病、结核病医院：三级标准 1 0 0 个l 传染病、结核病医院：三级标准 上海市地方标准 3 0 0 0 个，l 黄浦江上游水源保护区 ( d b 3 l ，1 9 9 1 9 9 7 ) 1 0 0 0 0 个几 黄浦江上游准水源保护区 哈尔滨下程大学硕十学位论文 ( 续表) 国家或地区指标值 标准 中国再生水朋作冷2 0 0 0 个l再生水用作冷却水 却水的水质控制标 准 ( g b 5 0 3 5 5 2 0 0 2 ) 中国城市污水再生总大肠茁群数3 个几城市污水再生用作杂用水 利j j 城市杂用水水 质( g b l 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 中国城市污水再生1 0 0 0 0 个，l观赏性景观环境用水河道、湖泊 利用景观环境用水2 0 0 0 个，l观赏性景观环境用水水景类 水质5 0 0 个l 娱乐性景观环境用水河道、湖泊 ( g b l 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 不得检出娱乐性景观环境用水水景类 1 3 污水消毒技术的国内外现状 。目前国内外水处理中使用的消毒方法有很多。采用化学药剂消毒方法时 使用的主要有卤素消毒剂( 包括氯气、次氯酸盐、氯胺、二氧化氯) 、臭氧和 过氧乙酸；采用物理消毒方法时主要是使用砂滤或膜过滤对微生物截留而达 到消毒的目的，通常与其他消毒方式配合使用以提高去除效率；采用光化学 消毒是主要通过由光辐射导致的光化学反应来进行，目前常用的是紫外线消 毒；此外，还包括电化学消毒方法等。而应用较为广泛的消毒方式为以下4 种：液氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒弘- 9 1 。 1 3 1 液氯消毒 液氯是最常用的消毒剂。氯在水中发生歧化反应，生成次氯酸( h c i o ) 和盐酸( h c i ) ，其反应方程式为： c 1 2 + h2 0 h c l 0 4 - h + 4 - c i + 4 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 液氯用于水消毒时，起灭菌作用的主要是次氯酸。因为次氯酸是体积很 小的中性分子，能扩散到带有负电荷的细菌表面，具有较强的渗透力，能穿 透细胞壁进入细菌内部。氯对细菌的作用是破坏细菌的酶系统，导致细菌死 亡；而氯对病毒的作用主要是对核酸破坏的致死性作用【1 0 1 。 自从2 0 世纪4 0 年代后期氯应用于废水消毒后，氯化消毒己经成为污水 消毒中最广泛的一种消毒剂，污水氯化在防止与水有关的传染病方面起了很 重要的作用。除了氯气( c i ，) 以外，一些含氯的化合物如次氯酸( h c l 0 ) 、次 氯酸钠( n a c l o ) 等，都可以用作消毒剂。生化处理出水氯化消毒的消毒剂用 量主要与水质有关，有机物含量、还原性无机物量以及水中氨的浓度等都影 响氯消毒剂的用量。 许多学者研究了氯化过程对微生物的消毒效果，表明尽管生化处理出水 中悬浮物会影响消毒效果，但是氯化消毒还是能够很好的去除水中的细菌： 另外，氯化消毒在去除水中一些微生物胞囊和有关的病毒时需要非常高的游 离氯浓度】。也有研究表明氯化消毒效果受水中氮( 有机氮、氨、硝酸盐、贬 硝酸盐1 浓度的影响【1 2 1 。 污水氯化消毒的主要缺点是在消毒过程中生成消毒副产物( d b p ) 。消毒 副产物被认为具有致癌性；氯化消毒的另一个缺点是氯化废水中的余氯具有 较强的毒性，会对水生态系统产生影响。氯消毒会增加水中氯离子( c 1 ) 的浓 度，有研究表明，氯离子( c i 。) 是导致输水设施、用水设施腐蚀的重要因素。 1 3 2 二氧化氯消毒 1 8 1 1 年至1 8 1 5 年期间，汉弗里戴维( h u m p h v yd a r y ) 发现了二氧化氯， 1 9 2 t 年德国曾制造出较纯的二氧化氯，但未能大量应用工业生产。1 9 4 0 年美 国马蒂逊化学公司研究成功m a t h i c s o n 法，开始工业化生产c 1 0 2 。1 9 4 6 年加 拿大r a p s o n 博士发明的r l 法，在加拿大的魁北克地区首次工业化。不久 r a p s o n 博士又发明r 2 法。s o l v c y 法是美国阿莱德公司早期开发的工艺，随 后阿莱德公司在上述各种工艺的基础上又开发了一系列r 系新工艺，并按照 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 开发的先后顺序分别命名为r 3 ，r 3 h ，心，r 5 。氏，r 7 ，风法，都是由a 1 b r i g h t w i l t o na m r i c a n ( 原阿莱德公司) 开发的。其中1 9 6 7 年在美国首先工业化的r 3 法，反应原理与r 2 法相同，主要是改进了设备和溶液的循环，并提高了二氧 化氯水溶液的浓度。苏联和日本也在1 9 7 3 年分别建厂，转化率提高到9 7 ， 生产成本比r 2 法降低，1 9 8 5 年实现工业化。直接法由c h e m e t i c s 公司开发， 1 9 8 7 年在t q v 6 e 应用0 3 , 1 4 】。 目前，仅在美国就有4 0 0 多家水厂、在欧洲已有数千家水厂在应用二氧 化氯。使用二氧化氯的目的包括除臭除味、脱色、消毒、除铁除锰、控制卤 代烃的形成等【”】，由于二氧化氯不会与水中的腐植酸等反应生成三氯甲烷， 近年来人们对于二氧化氯消毒表现出更大的兴趣并进行了广泛而深入的研 究。德国、美国、瑞士、法国、加拿大等欧美发达国家的水厂已广泛使用二 氧化氯消毒处理饮用水和废水。 且前我国二氧化氯、稳定性二氧化氯的生产企业已有3 0 余家，产品品牌 近4 0 种，全国总生产能力达1 万妇；二氧化氯发生器的研制生产单位已有5 家，用户遍布全国各地。加强二氧化氯生产技术和应用技术的开发，推动二 氧化氯在我国的广泛应用，前景十分广阔。 1 3 3 臭氧消毒 臭氧是在距离地球表面2 5 3 0 k m 的高空，因受太阳紫外线照射的缘故， 形成了包围在地球外围空间的臭氧层，这厚厚的臭氧层正是入类赖以生存的 保护伞【1 7 1 。 在现阶段，臭氧消毒技术在水处理中的应用主要是氧化多余或有毒的无 机物，如氰化物等，氧化去除水中有机物，特别是微生物难以降解的有机物， 如表面活性剂，降低水中b o d 和c o d ，杀灭水中病毒、细菌，生成洁净无 害的消毒水。同时广泛应用于饮用水杀菌、中水回用净化、污水处理、温室 土壤消毒、游泳池水处理和医院污水处理。除此之外，臭氧还在食品行业和 制药行业医学中的空气杀菌消毒及原料、加工器具和场地的清洗消毒；水产 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 养殖业中的用水处理；家庭居室空气净化消毒、蔬菜瓜果表面的残留农药降 解：畜禽养殖厂的空气杀菌消毒、除臭、除异昧等领域得到广泛的应用。 我国从6 0 年代末开始对臭氧发生器的研制，7 0 年代以后，在北京、上 海、抚顺等地也相继刀：展了臭氧化法水处理方面的各项研究。到现在为止， 我国已能制造各种不同形式的臭氧发生器，并已定点成批生产。与此同时， 国内利用臭氧对自来水消毒，以及工业废水( 炼油，印染，胶片等废水) 的处 理都已获得不少的成果，但是，应当看到，在臭氧发生器生产方面和世界先 进国家相比，我们还很落后( 例如臭氧发生器的每台产率和单管产率都处于国 外6 0 年代的水平) 。特别是臭氧化法在水处理方面的实际应用才刚刚开始， 还存在不少问题| l ”。 1 3 4 紫外线消毒 早在1 8 7 8 年人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。1 9 0 1 年和1 9 0 6 年人类先后发明了水银光弧这一人造紫外光源和传递紫外光性能 较好的石英材质灯管，法国马赛一家自来水厂很快在1 9 1 0 年首次使用紫外线 消毒工艺。人类对紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用则始于2 0 世纪 6 0 年代中期，并于7 0 年代到8 0 年代初对紫外线消毒在城市污水处理中的应 用进行了大量早期的研究，这主要是由于当时人们已认识到被广泛使用的加 氯消毒工艺中的余氯对受纳水体中的鱼类等生物有毒，而且发现并确认了氯 消毒等化学消毒方法会产生如三卤甲烷( t h m s ) 等致癌、致基因畸变的副产物 1 1 9 1 。这些发现促使人类寻求一种更好的消毒方法。 加拿大安大略省水资源委员会于1 9 6 5 年和1 9 6 9 年对紫外线消毒技术应 用于城市污水处理以及对受纳水体的影响进行了研究和评估1 2 0 。其他加拿大 研究人员对紫外线消毒的效果、技术可行性、影响效果的水质因素、对受纳 水体中鱼类的影响、消毒副产物以及与加氯消毒技术经济比较进行了大量先 驱性的研究工作1 2 1 , 2 2 2 3 1 。这些研究结果表明，紫外线污水消毒技术可行，可 达到和加氯相同甚至更好的消毒效果，对受纳水体中生物无毒副作用，不产 7 哈尔滨1 。稃大学硕+ 学位论文 生消毒副产物。以上研究为推动紫外线消毒在城市污水处理中的应用奠定了 基础。 紫外线污水消毒技术如今已被广泛应用于各类城市污水的消毒处理中， 包括低质污水、常规二级生化处理后的污水、合流管道溢流废水和再生水的 消毒【2 4 】。目前在世界各地己经有3 0 0 0 多家城市污水处理厂安装使用了紫外 线污水消毒系统，其中9 5 以上的系统采用了明渠式模块化紫外线系统的创 意。这些污水消毒系统规模小的每天处理几千n 1 3 ，大的每天处理上百万m 3 。 对于低质污水的消毒，即只经过一级处理一级强化处理的污水，其特点是高 t s s ( 5 0 - 1 5 0 m g l ) 和低紫外穿透率( 5 屯5 ) ，这类污水如果使用化学消毒工 艺，将会产生大量的三致副产物。目前美国夏威夷沙岛污水处理厂是世界上 最大的采用紫外线对低质污水消毒的城市污水处理厂，处理规模为5 6 力| m 3 d ，采用了明渠式中压灯消毒系统。常规二级生化处理后的污水消毒，是 紫外线污水消毒应用最为普遍的领域。这类污水t s s 一般在1 0 - 3 0 m g l 紫外 穿透率在4 0 - - 7 0 。目前正在建造的美国v a l l e yc r e e k 污水处理厂建成后可 消毒2 2 7 万m 3 d 污水，将成为世界上最大的紫外线污水消毒系统，该系统为 明渠式中压灯消毒系统。合流管道溢流污水用紫外线消毒，不仅消毒效果好， 而且比加氯消毒在剂量控制上更为可靠和容易。这类污水的特点是水质可以 在短时间内有很大幅度的变化，例如t s s 可在1 0 - ! o o m g l 间，紫外穿透率 可在5 t ，扣7 0 间变化。美国v i l l a g ec r e e k 污水处理厂采用了紫外线消毒技术 每天可对1 3 6 万m 3 c s o 污水进行消毒。该紫外线消毒系统是目前世界上最大 的紫外线污水消毒系统，也采用了明渠式中压灯消毒技术。再生水的消毒， 是紫外线污水消毒的另一个重要应用范围，也是污水消毒标准最为严格的。 再生水表现为低浊度和高紫外穿透率，从美国的情况看，出水浊度按要求一 般不得超过2 n t u ，紫外穿透率一般在6 5 * 0 - 8 0 左右。目前世界上最大的使 用紫外线消毒技术的再生水处理厂是加州s a n t ar o s a 污水处理厂，处理规模 2 5 万m 3 d ，该系统为明渠式中压灯消毒系统。 3 哈尔滨。稃大学硕十学付论文 在亚洲，1 9 9 9 年香港石湖墟污水处理厂投入运行，该厂规模2 4 万m 3 d ， 消毒后粪大肠杆菌小于1 0 0 0 个1 0 0 m l 。2 0 0 0 2 0 0 3 年间，陆续有深圳市龙岗 大工业区污水处理厂( 5 6 万m 3 d ) 、上海长桥污水处理厂( 2 2 万m 3 ，d ) 、上海 松江北区污水处理厂( 8 万m 3 甜) 、无锡新区污水处理厂0 万1 1 1 3 d ) 、苏州新区 第一污水处理厂( 4 万m 3 d ) 和上海龙华污水处理厂( 1 0 5 万m 3 ，d ) 等采用紫外线 消毒系统【2 5 1 。 紫外线消毒技术作为物理消毒方式的一种，具有广谱杀菌能力，无二次 污染。经过2 0 多年的发展，已经成为成熟可靠高效环保的消毒技术，在国外 多个领域得到了广泛的运用。在我国由于对其技术的了解有一定的局限性， 在污水处理中的应用不多。 1 4 紫外线消毒技术 1 4 1 紫外线消毒的机理 紫外光( u v ) 是波长在1 0 0 4 0 0 n m 之间的电磁波谱的一部分。紫外光按 照波长范围又可以分为u v a ( 3 1 5 4 0 0 n m ) 、u v b ( 2 8 0 3 1 5 n m ) 、u v c ( 2 0 0 2 8 0 n m ) 和真空紫外线( 1 0 0 2 0 0 m n ) 4 部分，紫外线杀菌的机理因为波长范围 的不同而不同。 短波紫外( 主要是u v c 和u v b ) 主要是促进微生物体内d n a 中顺位 ( c i s - s y n ) 的环丁烷瞌啶二聚体( c p d s ) 的形成；同对也会促进一些比例很 小的6 _ 4 光化学产物( 6 - 4 p p s ) 和其他的光化学产物的产生【2 6 i 。d n a 中的这 种损伤阻碍了基因的正常复制，从而导致微生物的失活，死亡。除了基因外， 微生物体内的蛋白质和酶类也会吸收u v c 和u v b ，对微生物产生明显的伤 害嘶】。 此外，长波紫外( u v a ) 也能够对微生物造成伤害。主要是通过激活细 胞内的感光分子产生活性物质，包括0 2 、h 2 0 2 和o h 等，这些活性物质能 够伤害基因和其他细胞内的分子而造成致死和亚致死的影响，如发生突变和 9 哈尔滨_ t 稃大学硕十学位论文 生长缓慢等 2 6 1 。 目前，紫外线消毒主要还是依靠短波紫外的作用( u v c ) ，即通过环丁烷 嘧啶二聚体的形成而达到灭菌的目的，见图1 1 。 3 u v h 垡塑塑2 - o h o 图1 1d n a 中同一链上相邻的胸腺嘧啶核苷酸在紫外光作用下生成胸腺嘧啶二聚体 d n a 吸收u v 光后，能量会定域在d n a 链中的胸腺嘧啶( d 上。这是因 为胸腺嘧啶具有d n a 碱基中最低的三重态能级，光吸收后产生的碱基激发 单重态，若经历自旋转换形成三重态，能量就会转移到胸腺嘧啶上生成胸腺 嘧啶激发三重态( 3 t + ) 。3 t * 可与d n a 的同一链中另一相邻的胸腺嘧啶( 或者 胞嘧啶c ) 发生化学反应，形成环丁烷型嘧啶二聚体f 埘。在d n a 中相邻嘧啶 碱基之间的反应，使两个p 键( 每个嘧啶碱基一个) 转化为两个r 键，它和两 个乙烯分子转化为一分子的环丁烷过程类似，这可表示为【2 + 2 】光环加成反 应，是受轨道对称性控制的。因此，两个嘧睫碱基的光环加成是轨道允许的， 热反应是禁阻的。同样，对于逆反应，环丁烷型产物( 即嘧啶二聚体) 不能通 过非光化学过程( 基态热反应) 返回二分子嘧啶碱基【2 8 l 。胸腺嘧啶二聚体的异 构体的结构见图1 2 。在d n a 链上相邻的胸腺嘧啶在u v 光作用下，生成的 二聚体的结构主要为c i s s y n ，极少量的为t r a n s s y n 型。 1 4 2 紫外线消毒装置 紫外线消毒系统可按设计方式分为两种：明渠型或封闭型网。明渠型为 在淘槽中放置由石英管罩住、加以保护的紫外线消毒灯而使污水从中流过的 装置；封闭型则为将石英管罩住的、加以保护的紫外线消毒灯装入圆桶形密 封的反应器中，反应器再与污水管连接的装置。紫外线灯套在石英管中，与 1 0 哈尔滨下稗大学硕十学位论文 水流垂直或平行。相对而言，明渠型比封闭型更容易监测和维护，对水流阻 力也小。在每种系统内还应包括清洗设施。在小厂，最方便的方法是人工使 用清洁液定期清洗灯罩；大、中型污水厂则可设置自动清洗装置和清洗池。 hh c a n - 掣n ho hh 打口口伽 图1 2 胸腺嘧啶二二聚体4 种异构体的结构 按紫外线消毒灯的照射方式可将紫外线消毒系统分为水下照射式和水面 照射式。前者的紫光灯被套入石英管中加以保护并置于水下，多层多段的灯 管组合可以向四周充分辐射，水处理量较大，但清洗和维修不便；而后者的 紫光灯则悬挂于水面上，便于维护检修，但受水层厚度的限制较大，处理水 量较小，且紫外线的利用率不高，易对环境和操作人员造成辐射危害。现行 的污水处理厂多采用水下式紫外线消毒方式。 按紫外线消毒灯的类型又可将紫外线消毒系统分为三类：低压、低强度 系统；低压、中强度系统；中压、高强度系统。 紫外线消毒灯管类型可分成低压、中压、高压3 种，常用的是低压和中压 系统。低压汞灯内为负压，汞呈蒸汽状，中压汞灯内为常压。低压灯按输出 能量的不同分为高强度和低强度两类。低强度灯类似于普通的荧光灯，在内 部镜头上没有磷涂层。镜头由特殊玻璃制成，因此可以保持较高的紫外线转 哈尔滨1 程人学硕十学位论文 输率，防止镜头被紫外线晒黑。低压高强度灯是近来用于污水处理中较多的 产品，其紫外线转换率比低压低强度灯高4 倍，单根功率也达到1 0 0 w 以上。 中压系统每根灯能耗最高可达5 0 0 0 w ，而低压系统每根灯管能耗为6 5 1 5 0 0 w 。处理同样的水量，中压系统与低压系统相比，则需要较少的灯管， 水流通过时的水头损失也较小，灯管自清洁系统的费用也较少。但由于中、 高压系统发出的波长范围宽，而能被有效利用的只有小部分，所以能量转换 率低( 通常只是低压系统的1 2 1 3 ) 、能耗大，因此一般只在大型水处理厂中 使用。 紫外线消毒效果的好坏与紫外线光源发出有效波长的能量转换率、紫外 线弧长有关，还与灯管和水的透射率以及照射时间有关。现在的高效灯源可 发出4 0 以上的有效光谱，石英灯管的透射率也在9 0 以上。因此，与传统 意义上的紫外线灯已不能相提并论。目前，世界上先进技术生产的灯管寿命 已达1 5 0 0 0 h 以上，但价格却降低了不少，从而大大降低了投资及运行成本。 1 4 3 影响紫外线消毒效果的因素 1 4 3 1 紫外剂量 紫外剂量是影响消毒效果的直接因素。所谓紫外剂量就是紫外光强度与 接触时间的乘积，在相同的紫外光强度条件下，接触时间决定了紫外剂量的 大小。在大型污水处理厂中，由于水量大，接触时间得不到保证，因此用紫 外线消毒的效率比小型污水处理厂差。从理论上分析，紫外剂量越大，消毒 效果越好，然而紫外消毒有一限值，超过此限值则不能经济有效地对额外的 微生物进行灭杀。如果分别考虑紫外光强度与接触时间对消毒效果的影响， 可以发现，对于不同种类的微生物，两者的影响是不同的。在紫外剂量相同 的情况下，紫外光强度对于大肠埃希氏杆菌影响更大，这是因为细胞中的修 复酶对紫外光强度更敏感；而对于真核酵母菌细胞来说，增加接触时间更有 利于灭杀，当然对于更多的微生物，如噬菌体、孢子，把两者分开讨论是没 哈尔滨工程大学硕十学位论文 有多大意义的，原因可能在于其在紫外线消毒过程中处于一种不活动状态。 因此没有必要确定最少的接触时间和最小的紫外光强度，两者的乘积才是影 响紫外线消毒效果的必要因素。 1 4 3 2 微生物的种类与负荷 由于污水中细菌、病毒的种类繁多，且对紫外线的抗性不同，因此对于 不同类型的污水，呈现出不同的消毒效果。有些微生物对于紫外线比较敏感， 去除率较高，如粪大肠菌( f a e c a lc o i l f o r m s ) 等，而有些微生物则不然，需用较 高的紫外剂量进行灭杀，如f r n a 大肠杆菌菌体、铜绿色极毛杆菌 ( p s e u 2 d o m o n a sa e r u g i n o s a ) 等。微生物负荷是影响紫外线消毒效率的另一大因 素，较高的微生物量必然要求更商的紫外剂量。目前，在紫外线消毒器的设 计中，主要是根据灭活t c ( 总大肠菌) 、f c ( 粪大肠菌) je c o l i ( 大肠埃希氏菌) 、 粪链球菌和沙门氏菌数量来估计紫外线剂量需求。 1 4 3 3 水质因素 1 、紫外线的穿透率( u v n 一般来说，紫外线的穿透率越低，消毒效果越差。污水的成分很复杂， 含有大量的有机物、无机物和微生物，特别是来自一些工业废水( 如印染、 纺织、屠宰废水等) 的成分更加复杂，会吸收紫外线，从而降低水体的紫外 穿透率。穿透率与前端处理工艺、污水来源以及水中工业化合物的成分有关。 法国的一家污水厂运行紫外线消毒系统后表明：当u v 输出功率为 2 6 7 w u v c ，穿透率 5 5 ，并且c o d 和s s 的值都比较低的情况下，可以获得较好的消 毒效果。 2 、总悬浮物( t s s ) 总悬浮物对紫外线消毒的影响主要表现在：( 1 ) 悬浮颗粒吸收并分散了 紫外能量，( 2 ) 微生物隐藏在颗粒中受到保护，避免了紫外线和化学药剂的 破坏。如果通过膜法过滤，再用紫外线消毒，那么所需紫外线卉寸量大大减少， 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 同时消毒效果也有很大提高。在比较国内与国外紫外线消毒性能差别时，有 观点认为：国外水处理厂出水的s s l o m g l ，而国内处理出水s s 为2 0 3 0 m g l ，这方面的差异使得国内污水厂在使用紫外线消毒后的杀菌效果较 差。 3 、颗粒物的尺寸分布( p s d ) 颗粒物的尺寸分布影响紫外线的消毒效率。当颗粒物粒径超过某一临界 值时，紫外剂量随着污水中颗粒物粒径的增加丽增加。对于某些致病微生物， 由于其易结成大颗粒的团状物，在处理这类污水时，紫外线消毒的效率不高， 并受到了一定的限制。 4 、其它影响因素 除上述一些影响因素外，其他一些因素也会不同程度地对紫外线消毒的 效果产生一定的影响，如铁离子化合物可以降低紫外穿透率，为微生物提供 一道保护屏障，增加消毒阻力，增加有清洗装置的石英套管结垢量等，从而 影响消毒效果。 1 4 4 紫外线消毒技术与其他技术的比较 表1 1 中列出了现行的几种消毒技术比较，可见紫外线消毒技术具有运 行成本低、消毒效果好、无有害物产生及适用范围宽等优点，但该法也存在 着能耗大、对水质要求严且无持续杀毒效果等缺点。 1 4 5 紫外线消毒动力学 在一混合均匀、光程短( d i c m ) 的水消毒区内，杀菌速率可以用近似的一 级光生化反应动力学方程式表示： _ d n ：k i n o - d 讲 式中v 微生物活体浓度，个l f 一杀菌照射时b j ，s 1 4 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 ，一平均辐照强度，m w c m 2 t 一一级灭活反应速率常数，c m 2 ，肌矿j 对式1 - l 积分后并取对数得： g 甓一船 式中 o 一照射前微生物活体浓度，个l 矗一紫外c 剂量，( m w s ) c m 2 表1 1 紫外线消毒技术与其他几种常用消毒技术的比较 ( 1 2 ) 项目液氯臭氧二氧化氯紫外线 成本0 0 2 元 n 30 1 0 元m 3o 0 8 元 n 30 0 1 6 元 n 3 优点 便宜：技术成熟、 现场发生，反应速 不受p h 影响；易不投加化学药剂，无 氯瓶来源广，加氯度快 消毒后，臭溶于水，投加量二次污染；使_ j 简 系统安全可靠，有氧立即分解，基本少，残留量少：投便、安全、快速，易 持续消毒作用消除了对生物群资少、产率高且在实现自动化 的毒效；使水的溶水中滞留时间长， 解氧增加，无毒能杀除和抑制细 菌；在一定的范围 内，杀菌能力随着 温度升高而升高 缺点对某些瘸毒、芽孢生产臭氧效率低，易爆：只能现场发 电耗大；紫外灯管和 无效；残毒；产生运行和维护费用生、使用，设备复石英套管需定期更 臭味；有强烈刺激高：臭氧必须边生杂，操作管理要求换清除；对处理出水 性、有