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紫外線殺菌原理及效率
讓我們了解紫外線
 
我們都了解,便宜、方便的消毒殺菌方式是太陽光,實際上,我們只是運用太陽光源中之紫外線作為殺菌工具。紫外線一直被人們普遍采用,因為它不但方便、便宜、無污染且無殘留物,其惟一缺點是在良好的天氣環境下才能取得。
  在1878年,Downee and Blunt已發現紫外線的殺菌能力,但當時仍沒有產生紫外線的方法,故這一發現未能應用。
  1901年,Cooper and Hewitt發明了水銀電弧紫外線燈,但受制于當時燈絲材料、真空技術、石英純度等技術的局限,水銀電弧燈的壽命不長,而UV-C的效率也低,但水銀電弧燈的發明,為人類使用紫外線殺菌打開了大門。
  1940年美國發明了水銀燈后才有所改變。低壓水銀燈的特點是工作穩定,紫外線效率高(能量中30-40%轉化為殺菌功耗),再加上石英提純,及真空技術提高,低壓水銀紫外線燈壽命可長達10000小時(原強度的80%)。低壓水銀燈的發明,使紫外線應用有很大的發展。
  美國對UV消毒設備應用比歐洲略慢,這種情況到20世紀70年代有所改變。在此之前,美國主要用氯消毒。隨著急劇城市化及城市生活污水廠的大量興建,大量的污水經氯消毒后排入自然水體并作為飲用水水源,造成污水廠下游水體嚴重的氯污染。這些污染有:
  ①余氯:污水廠為維持殺菌效果,要在排放水中保持余氯,余氯排入自然水體,會把水中的微生物、藻類等殺死。把水體② 自1801食物鏈的低層摧毀,微生物及藻類死亡,使小魚、蝦及其它殼類生物的食物不夠而數量減少,進而影響其它水產物的數量及平衡。
  ②氯消毒還會產生致癌的氯氮化合物,氯在殺死微生物的過程中和致癌的細胞中的有機物產生氧化反應,其中的副產品有氯氨及氯鹵化合物,其中THM(trihalgen methane)是致癌物質。THM在水產物體內累積,人類食用后也會留在人體內,引發癌癥。
紫外消毒器工作原理

紫外線殺菌原理

在地球上所有以知的生命形式,都是以DNA及RNA作為繁殖、遺存的基礎。D NA及RNA都以4種化學物單元組成
      A--Adenine腺嘌呤
      T--Thymine胸腺嘧啶
      C--Cytosine胞核嘧啶,氧氨嘧啶
      G--Guanine烏嘌啶(核酸的基本成分)
      細胞繁殖時,DNA中的長鏈打開,打開后每條長鏈長的A單元會尋找T單元連合,每條長鏈都可復制出與剛分離的另一條長鏈同樣的鏈條,恢復原來分裂前的完整DNA,成為新生細胞的基礎。波長在240-270nm的紫外線能打破DNA生產蛋白質及復制的能力。細菌病毒的DNA,RNA受破壞后其生產蛋白質的能力和繁殖能力均已喪失。因細菌,病毒一般生命周期很短,不能繁殖的細菌,病毒就會迅速死亡。

紫外線消毒技術的優勢
  紫外C-消毒技術對細菌病毒以及其它致病體的消毒效果已得到全世界的公認。紫外C-消毒技術具有下列明顯的優點。
1.紫外C-消毒技術具有其它技術無可比擬的殺菌效率
表1列出紫外C-技術對常見幾種細菌病毒的殺菌效率。由表1可見,紫外線對細菌、病毒的殺菌作用一般在一秒以內。而對傳統紫外、氯氣以及臭氧方法來說,達到紫外線的效果一般需要20分鐘至一小時的時間。 
表1 紫外C-水消毒設備對常見細菌病毒的殺菌效率 (紫外輻射強度:30,000μW/cm2)

種類 名稱 100%殺菌所需的時間(秒) 種類 名稱 100%殺菌所需的時間(秒)
細菌類 炭疽桿菌 0.30 細菌類 結核(分支)桿菌   0.41>
白喉桿菌 0.25 霍亂弧菌 0.64
破傷風桿菌 0.33 假單胞桿菌屬 0.37
肉毒梭菌 0.8 沙門氏菌屬 0.51
痢疾桿菌 0.15 腸道發燒菌 0.41
大腸桿菌 0.36 鼠傷寒桿菌 0.53
鉤端螺旋桿菌 0.2 至賀氏菌屬 0.28
嗜肺軍團菌屬 0.2 葡萄球菌屬 1.23
微球菌屬 0.4-1.53 鏈球菌屬 0.45
病毒類 腺病毒 0.10 病毒類 流感病毒 0.23
噬菌胞病毒 0.20 脊髓灰質炎病毒 0.80
柯薩奇病毒 0.08 輪狀病毒 0.52
愛柯病毒 0.73 煙草花葉病毒 16
愛柯病毒I型 0.75 乙肝病毒 0.73

霉菌孢子

黑曲霉 6.67 霉菌孢子 軟孢子 0.33
曲霉屬 0.73-8.80 青霉菌屬 2.93-0.87
大糞真菌 8.0 產毒青霉 2.0-3.33
毛霉菌屬 0.23-4.67 青霉其它菌類 0.87
水 藻 類 藍綠藻 10-40 水 藻 類 草履蟲屬 7.30
小球藻屬 0.93 綠 藻 1.22
線蟲卵 3.40 原生動物屬類 4-6.70
魚 類 病 Fungl病 1.60 魚 類 病 感染性胰壞死病 4.0
白斑病 2.67 病毒性出血病 1.6

2.高效殺菌廣譜性
    紫外線技術在目前所有的消毒技術中,殺菌的廣譜性是較高的。它對幾乎所有的細菌,病毒都能高效率殺滅。并且對一些對人類危害極大的,而氯氣以至臭氧無法或不能有效殺滅的寄生蟲類(例如隱性包囊蟲 cryptosporidium,賈第鞭毛蟲giardia等)都能有效殺滅。表1也可看出紫外線水消毒設備的殺菌廣譜性。
3. 無二次污染
    由于紫外線技術可以被控制為僅僅是殺菌,并且不加入任何化學藥劑,因此它不會對水體和周圍環境產生二次污染。不改變水中任何成分。對氯消毒來說,其與水中有機物產生的有機氯已被公認為對人體有致癌作用,并且水中含有的氯化合物在某些場合下會起到反作用,對水中生物以及水環境產生毒害。臭氧方法也有類似的問題。大量難聞的未溶解到水中的臭氧揮發到空氣中,有害于附近工作人員的身心健康。
4. 運行安全、可靠
    傳統的消毒技術如采用氯化物或臭氧,其消毒劑本身就是屬于劇毒、易燃、易爆的物質。這些物質的使用對操作現場人員以及周圍環境和居民安全產生潛在的威脅,需要特別小心。我國的公安、消防及環保等部門對這些高危物質的使用有嚴格的運輸、保存和操作規定。這些都極大地增加了基層使用單位領導、操作人員和周邊居民的心理負擔和不安全感。現代紫外C-消毒系統不存在這樣的安全隱患,是一種對周邊環境以及操作人員相對安全可靠得多的消毒技術。

5. 運行維護簡單,費用低
    通常一種高效率的技術總是和高成本,高運行費用聯系在一塊。但是,紫外技術卻是例外。由于九十年代對紫外核心技術的完善,紫外C消毒技術不僅消毒效率是所有消毒手段中較高的,而且消毒運行維護簡單,運行成本低,在千噸處理量水平可達到每噸水4厘人民幣甚至更低,因此,其性能價格比是所有消毒技術中較高的。它既具有其它消毒技術無法比擬的高效率,又具有成本和運行費低的優點。在千噸水處理量水平,它的成本只是氯消毒的1/2,是氯加脫氯消毒的2/5,更只有臭氧消毒成本的1/9。即使在十萬噸處理量水平,紫外消毒設備的投資及運行成本也遠遠低于其它消毒技術。

6. 占地小,無噪音
    我公司生產的紫外C-消毒設備。對每小時處理80噸水的NLC-2000設備來說,其占地只有1.7米×0.8米,高1.5米,重220斤。若預留足夠空間,該系統共需4平米的運行操作空間。如果處理水量減少,設備占地體積相應減少。另外,紫外消毒設備如果靠自流式供水(無水泵),將不產生任何噪音。
7. 連續大水量消毒
    九十年代末紫外C消毒技術的另一特點是一年365天,一天24小時連續運行。除定期需一、二小時以內的例行保養外,其理想操作條件是24小時連續運行。大水量消毒是現代紫外的另一大特征。除了可以消毒小水量(每小時幾十升),也可以消毒大水量。目前紫外技術在實際應用中理想狀態已達到每小時6萬噸。如果實際需要,還可以更大。
8. 應用領域廣
    在目前所有的消毒技術中,沒有一種像紫外技術一樣,具有如此廣泛的應用領域。它不僅可以消毒淡水,還可以消毒海水;不僅可以消毒飲用水,還可以消毒廢水。它可廣泛應用在各種各樣需要水消毒的領域。例如,養殖業海水消毒,貝類凈化,農業加工用水,飲用純凈水,電子,醫藥,生物工業用超純凈水,各種飲料,啤酒以及食品加工,污水處理后的消毒,自來水消毒,游泳池,城市噴泉裝飾用水,中央空調及電站等冷卻水,和軍事基地,艦船,潛艇用水等。
    現代紫外消毒技術與傳統消毒技術的比較由表2給出。它克服了現有傳統消毒技術的缺點。在消毒過程中,不添加任何化學物質,也不產生或在水體中留下任何有害物質,運行安全、可靠,安裝、維修簡單,特別是投資及運行維修費用低以及極好的消毒效果。歐洲許多國家以及北美的加拿大和美國已在九十年代分別修改了環境立法,在廢水處理后的消毒,以及飲用水的消毒上,推薦采用紫外-C消毒技術。

表2   紫外C消毒技術與幾種傳統消毒技術的比較

主要指標 紫外-C 氯氣 臭氧 膜過濾
殺菌方式 光線 化學 化學 過濾
殺菌效率 極高

殺菌廣譜性

二次污染

消毒水量 極大
安全性
可靠性
毒性
工程投資
運行費用
維護費用
接觸時間
水質變化
水質影響
系統體積
噪音
應用領域

水病菌培養比較圖

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