呂鑑¹ 劉紅² 王俊嬌¹ 何建平² 孟光輝² 岳亮² 汪宏玲²高原²
（1北京工業(yè)大學(xué)“水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　 2北京城市節(jié)水管理中心）

　　摘要：常規(guī)的氯消毒會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷等致癌、致畸、致突變的三致物質(zhì)，而紫外線消毒具有殺菌高效、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)紫外線消毒技術(shù)用于再生水消毒進(jìn)行了研究分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同流量（即不同照射時(shí)間）下回用水的消毒效果和消毒后水中細(xì)菌隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)公式，同時(shí)分析了水中有機(jī)物對(duì)紫外線用于再生水消毒的影響，為再生水紫外線消毒提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞：再生水　 紫外線　 細(xì)菌　 靜置時(shí)間　 可見(jiàn)光　 COD_cr

Study on water-reused disinfection by ultraviolet radiation

[Abstract]: The routine disinfection by chlorine will produce some outgrowths which may causing cancer, monstrosity or mutation, such as benzotrichloride . But the disinfection by ultraviolet radiation has several strongpoint, which sterilize efficiently, which does not make the water polluted again, etc. In this paper, the disinfection of water-reused by ultraviolet radiation is studied. Based on experiments, the disinfectant effects by ultraviolet radiation are analyzed, the expressions, that indicate the uptrend of the bacterium, is got, and the influence that the organic compounds in the water- reused work on the disinfection by ultraviolet radiation is analyzed, too. All that the experiments and the expressions are the foundation for the disinfection by ultraviolet radiation applied on water-reused.

[Keywords]: water-reused; ultraviolet radiation; bacteria; static duration; visible light; COD_cr　 　　　

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x

　　隨著水資源的日益短缺，污水的再生回用也越來(lái)越多，再生水的水質(zhì)一直是用戶(hù)關(guān)注的熱點(diǎn)。在再生水的處理過(guò)程中，原污水在經(jīng)過(guò)之前的處理后，在去除了懸浮物、降低了水的濁度的同時(shí)，也去除了大部分的微生物（其中包括病原微生物）。但盡管如此，水中的細(xì)菌、病毒等微生物的絕對(duì)含量還是很可觀，并存在有病原菌的可能，因此，污水在回用之前應(yīng)進(jìn)行消毒處理，這是保證回用水用水安全、衛(wèi)生的最后保障。《建筑中水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50336－2002（2003年版）中明確規(guī)定：“中水處理必須設(shè)有消毒設(shè)施”。自從二十世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)氯消毒后的水中殘留有三鹵甲烷等“三致物質(zhì)”（致癌、致畸、致突變），對(duì)紫外線消毒的研究和應(yīng)用逐漸開(kāi)展起來(lái)。
　　紫外線消毒具有殺菌高效、光譜性，無(wú)二次污染，消毒時(shí)間短，效率高，占地小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)安全、簡(jiǎn)便^[2.3]等特點(diǎn)，越來(lái)越受到科研工作者的青睞。在西方已成為給排水系統(tǒng)中的重要的消毒手段，但用于水處理尤其是再生水處理方面的很少。
　　再生水主要用于景觀、綠化、沖廁等用水。隨著再生水用水量和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)可能接觸人體的再生水的水質(zhì)要求也較之以前提高了。紫外線消毒不僅在技術(shù)方面有很好的優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)方面，其土建﹑運(yùn)行﹑維護(hù)等各方面的費(fèi)用，比起氯消毒都要少，更適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)狀況，因此研究紫外線消毒系統(tǒng)用于再生水的處理,對(duì)于提高水的安全性具有非常重要的意義。
　　本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)紫外線消毒器前后回用水中細(xì)菌總數(shù)的檢測(cè)、分析，旨在對(duì)紫外線消毒技術(shù)用于再生水消毒的可行性進(jìn)行研究分析，為紫外線消毒應(yīng)用于再生水消毒提供參考。

2 紫外線消毒原理

　　紫外線消毒是一種物理消毒方法，不添加任何化學(xué)藥劑。紫外線消毒主要是用紫外光摧毀微生物的遺傳物質(zhì)核酸（DNA或RNA），使其不能分裂復(fù)制以去掉其繁殖能力，最終導(dǎo)致細(xì)胞功能的衰退而死亡，從而達(dá)到殺菌的目的。研究表明，波長(zhǎng)在253.7nm處的紫外線的殺菌效果最好^[4.5]，因此，紫外線消毒也稱(chēng)為紫外C消毒。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

　　北京某高校以公共浴池出水為原水，處理后的再生水作為學(xué)生宿舍的沖洗用水和綠地澆灑用水，處理規(guī)模為200立方米/日。本實(shí)驗(yàn)以上述再生水作為研究對(duì)象，進(jìn)行了照射時(shí)間和靜置時(shí)間對(duì)紫外線消毒效果的影響研究，得出實(shí)驗(yàn)條件下的最佳照射時(shí)間和消毒后再生水在不同保存條件下的細(xì)菌增長(zhǎng)公式。還對(duì)再生水的COD_cr進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究了COD_cr對(duì)再生水紫外線消毒的影響；同時(shí)通過(guò)對(duì)消毒前后的COD_cr和TOC的對(duì)比，研究分析了紫外線對(duì)再生水中有機(jī)物的去除和降解。
3.1 實(shí)驗(yàn)工藝與材料
3.1.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程及裝置
　　實(shí)驗(yàn)原水為洗浴廢水，經(jīng)預(yù)曝氣、曝氣、沉淀處理后，由泵提升后進(jìn)入紫外消毒器。工藝流程圖見(jiàn)圖3.1 。經(jīng)過(guò)篩選，選用的紫外線消毒器的型號(hào)為T(mén)rojan UVMax B，處理流量為0.42～1.14m³/h。

圖3.1 實(shí)驗(yàn)工藝圖

3.1.2 檢測(cè)方法
　　細(xì)菌總數(shù)：平板計(jì)數(shù)法
　　CODcr：重鉻酸鉀法
　　TOC：MultiN/C3000 TC/TN分析儀
3.2　實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析
3.2.1 最佳照射時(shí)間的確定
　　洗浴廢水經(jīng)隔柵、毛發(fā)去除器、曝氣池、沉淀池預(yù)處理后，用泵提升通過(guò)UV消毒器，流程如圖3.1所示。通過(guò)流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量以控制消毒時(shí)間，流量分別按450 L/h、600 L/h、800 L/h、1000 L/h、1150 L/h5個(gè)流量梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定紫外線消毒器前后的細(xì)菌總數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.2。

圖3.2 不同流量下的細(xì)菌滅菌率

　　由圖3.2可以看出，在流量小于1000L/h時(shí)，即細(xì)菌的滅菌率都在99％以上，但消毒出水的細(xì)菌總數(shù)仍然在10²數(shù)量級(jí)。在流量為450L/h時(shí)，滅菌率可以達(dá)到99.9％，滅菌效果很好。當(dāng)流量為600L/h時(shí)，即照射時(shí)間為11s時(shí)，出水的細(xì)菌總數(shù)為36個(gè)/ml，細(xì)菌的滅菌率為99.89％，已經(jīng)達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，細(xì)菌的滅菌率達(dá)到99％（即2log）所需要的紫外線劑量為214222mWs/cm²，細(xì)菌的滅菌率達(dá)到99.9％（即3log）所需要的紫外線劑量為476049mWs/cm²。
3.2.2 消毒后水中細(xì)菌隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)^[6]表3.1列出了經(jīng)紫外線消毒后，不同保存條件下的水在靜置不同時(shí)間后的細(xì)菌總數(shù)。

表3.1 靜置時(shí)間、光照對(duì)已消毒水中細(xì)菌增殖的影響

靜置時(shí)間（h）

細(xì)菌總數(shù)（個(gè)/ml）

備　 注

開(kāi)口見(jiàn)光保存

密閉避光保存

0

102

102

消毒前水中細(xì)菌總數(shù)為N₀＝1.8×10⁵個(gè)/ml，實(shí)驗(yàn)流量為Q＝450L/h，環(huán)境溫度t＝25℃

3

200

151

6

367

249

8

880

420

10

950

430

　　由表3.1可知，進(jìn)水的細(xì)菌總數(shù)為1.8×10⁵個(gè)/ml，經(jīng)UV消毒器出水的細(xì)菌總數(shù)為102個(gè)/ml。由于紫外線并沒(méi)有將水中細(xì)菌全部殺死，在靜置了一段時(shí)間后，水中殘留的細(xì)菌會(huì)再度繁殖。消毒前水中的細(xì)菌總數(shù)不同，在同樣的流量下，消毒后水中的細(xì)菌的細(xì)菌總數(shù)也不同。
　　消毒后水中細(xì)菌的增長(zhǎng)情況與靜置時(shí)間、光照的關(guān)系如圖3.3所示。

圖3.3 消毒出水靜置不同時(shí)間后水中細(xì)菌總數(shù)的變化（見(jiàn)光和避光條件保存）

　　對(duì)圖3.3的研究表明，在避光條件下，水中細(xì)菌的增殖情況與靜置時(shí)間符合下列關(guān)系式：

　　ln(N/N₀)=a·t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

或　 N＝N₀·e^at 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

式中　　　 N――靜置不同時(shí)間后水中的細(xì)菌總數(shù)，個(gè)/ml；
　　　　　 N₀――消毒后水中的細(xì)菌總數(shù)，個(gè)/ml；
　　　　　 t――靜置時(shí)間，h。

對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到

　　ln(N/N₀)=0.1543·t　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （3）

或　 N＝N₀·e^0.1543t　　 　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

　?。?）式和（4）式的相關(guān)系數(shù)R²＝0.9689，能較好的描述細(xì)菌的增長(zhǎng)情況，式（4）的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比見(jiàn)圖2.2。
　　消毒后水中的細(xì)菌總數(shù)為102個(gè)/ml，滅菌率為99.94％。在靜置10h后，細(xì)菌總數(shù)增長(zhǎng)了近10倍。這是因?yàn)樗诮?jīng)過(guò)消毒后，水中的細(xì)菌并沒(méi)有完全被殺死，仍然還殘留有部分細(xì)菌，而再生水在經(jīng)過(guò)前面的處理后依然有少量的細(xì)菌生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，殘存的細(xì)菌很快會(huì)再度繁殖。從圖3.3中的曲線可以看出，在初期，細(xì)菌增長(zhǎng)較緩慢，一段時(shí)間后，細(xì)菌的增長(zhǎng)速率明顯加快。這是由于經(jīng)過(guò)紫外線照射后，殘留的細(xì)菌雖未被殺死，但其DNA或RNA已經(jīng)受到不同程度的損傷，需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的修復(fù)才可以繼續(xù)繁殖。消毒前水中的細(xì)菌總數(shù)不同，在相同流量（即相同紫外劑量）下，消毒后水中的細(xì)菌總數(shù)也不相同。在相同條件下，消毒前水中的細(xì)菌總數(shù)越多，消毒后水中的細(xì)菌總數(shù)也越多。這也是紫外線消毒的一個(gè)不足――沒(méi)有持續(xù)消毒能力。因此，經(jīng)紫外線消毒后的再生水應(yīng)盡快使用，避免水質(zhì)超標(biāo)。
3.2.3 光照對(duì)細(xì)菌增長(zhǎng)的影響^[6]根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式（1），求出在有光照條件下，細(xì)菌的增長(zhǎng)公式為

　　ln(N/N₀)=0.2357·t　　　　　　　　　　　　　　　　　 （5）

或　 N＝N₀·e^0.2357t　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （6）

　　對(duì)公式（3）、（4）和公式（1）、（2）比較，可見(jiàn)光保存下的細(xì)菌增長(zhǎng)率是避光保存條件的1.5倍多，即對(duì)再生水消毒后，在可見(jiàn)光條件下細(xì)菌的增殖速率要遠(yuǎn)大于避光條件下的細(xì)菌增殖率。這一結(jié)果同飲用水紫外線消毒后的水中細(xì)菌增殖情況類(lèi)似。分析原因主要是在光照條件下，再生水中細(xì)菌能獲得較多能量，受損細(xì)菌迅速修復(fù)，繁殖能力增強(qiáng)。因此，建議再生水管道采用不透光材質(zhì)，避免細(xì)菌獲得光能快速繁殖。
3.2.4 水中有機(jī)物對(duì)紫外線消毒效果的影響
　　水中的有機(jī)物會(huì)吸收紫外線，降低水體的紫外線穿透率（UVT）^[4]，從而影響消毒效果。圖3.4和圖3.5給出了流量為600L/h和800l/h時(shí)不同COD_cr和細(xì)菌滅菌率之間的關(guān)系。

圖3.4　 流量為600L/h時(shí)不同COD_cr下的細(xì)菌滅菌率圖

圖3.5　 流量為800L/h時(shí)不同COD_cr下的細(xì)菌滅菌率圖

　　所取水樣的細(xì)菌總數(shù)在10⁴～10⁵個(gè)/ml。從圖3.4和圖3.5 可以看出，細(xì)菌的滅菌率都在99％以上，在流量為600L/h時(shí)，消毒后水中的細(xì)菌總數(shù)均小于100個(gè)/ml，可以達(dá)到飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意到，水樣的COD_cr值都不高，在30mg/l以下,而再生水的COD_cr值都很低。因此，可以得出，COD_cr較低的再生水，COD_cr對(duì)消毒效果沒(méi)有太大的影響，紫外線的消毒效果都很好。
3.2.5 紫外線對(duì)再生水中有機(jī)物的降解

圖 3.6 流量為450L/h時(shí)消毒前后COD_cr的變化

圖 3.7 流量為450L/h時(shí)消毒前后TOC的變化

　　圖3.6和3.7分別給出了紫外線消毒器前后水體的COD_cr和TOC的值。由圖3.6中可以看出，消毒后水中的COD_cr要小于消毒前的值，圖3.7同圖3.6有相同的趨勢(shì)，消毒后水體的TOC值要小于消毒前的TOC值。也就是說(shuō)，紫外線可以減少水體的COD_cr和TOC值，而COD_cr和TOC雖然是兩項(xiàng)指標(biāo)，但都是反映水體的有機(jī)物含量的指標(biāo)，因此可以得出，紫外線可以降解水中的微量有機(jī)物。

4 結(jié)論

　?。?）紫外線對(duì)再生水具有很好的消毒效果，滅菌率可達(dá)99％以上，消毒后的細(xì)菌總數(shù)甚至可達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）以北京某大學(xué)再生水處理站的沉淀出水為研究對(duì)象，確定了避光和可見(jiàn)光條件下細(xì)菌的增長(zhǎng)同靜置時(shí)間的關(guān)系式：

　　N＝N₀·e^0.1543t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4）
　　N＝N₀·e^0.2357t　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

　　對(duì)式（4）和（6）比較分析，在有光照條件下，細(xì)菌增長(zhǎng)繁殖較快，建議回用水管道采用不透光材質(zhì)；上式還可以作為紫外線消毒器的流量控制和消毒后水箱或清水池設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。
　?。?）對(duì)COD_cr較低的水體，COD_cr對(duì)消毒效果沒(méi)有太大的影響，細(xì)菌的滅菌率可以達(dá)到99％以上，消毒效果很好。
　?。?）將紫外線消毒前后的水樣的COD_cr和TOC的對(duì)比，得出紫外線可以降解水體的微量有機(jī)物。
　?。?）紫外線在再生水處理中滅菌效果很好，有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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