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北京工業大學“水質科學與水環境恢復工程”重點實驗室　 2北京城市節水管理中心）

　　摘要：常規的氯消毒會產生三鹵甲烷等致癌、致畸、致突變的三致物質，而紫外線消毒具有殺菌高效、無二次污染等優點。本文對紫外線消毒技術用于再生水消毒進行了研究分析，通過實驗分析了不同流量（即不同照射時間）下回用水的消毒效果和消毒后水中細菌隨靜置時間的增長公式，同時分析了水中有機物對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驗基礎。
　　關鍵詞：再生水　 紫外線　 細菌　 靜置時間　 可見光　 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 實驗目的和意義

　　隨著水資源的日益短缺，污水的再生回用也越來越多，再生水的水質一直是用戶關注的熱點。在再生水的處理過程中，原污水在經過之前的處理后，在去除了懸浮物、降低了水的濁度的同時，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，水中的細菌、病毒等微生物的絕對含量還是很可觀，并存在有病原菌的可能，因此，污水在回用之前應進行消毒處理，這是保證回用水用水安全、衛生的最后保障。《建筑中水設計規范》GB 50336－2002（2003年版）中明確規定：“中水處理必須設有消毒設施”。自從二十世紀70年代發現氯消毒后的水中殘留有三鹵甲烷等“三致物質”（致癌、致畸、致突變），對紫外線消毒的研究和應用逐漸開展起來。
　　紫外線消毒具有殺菌高效、光譜性，無二次污染，消毒時間短，效率高，占地小，結構簡單，運行維護安全、簡便^[2.3]等特點，越來越受到科研工作者的青睞。在西方已成為給排水系統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用領域的擴大，對可能接觸人體的再生水的水質要求也較之以前提高了。紫外線消毒不僅在技術方面有很好的優勢，在經濟方面，其土建﹑運行﹑維護等各方面的費用，比起氯消毒都要少，更適合我國的經濟狀況，因此研究紫外線消毒系統用于再生水的處理,對于提高水的安全性具有非常重要的意義。
　　本實驗主要通過對紫外線消毒器前后回用水中細菌總數的檢測、分析，旨在對紫外線消毒技術用于再生水消毒的可行性進行研究分析，為紫外線消毒應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，不添加任何化學藥劑。紫外線消毒主要是用紫外光摧毀微生物的遺傳物質核酸（DNA或RNA），使其不能分裂復制以去掉其繁殖能力，最終導致細胞功能的衰退而死亡，從而達到殺菌的目的。研究表明，波長在253.7nm處的紫外線的殺菌效果最好^[4.5]，因此，紫外線消毒也稱為紫外C消毒。

3 實驗及數據分析

　　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生宿舍的沖洗用水和綠地澆灑用水，處理規模為200立方米/日。本實驗以上述再生水作為研究對象，進行了照射時間和靜置時間對紫外線消毒效果的影響研究，得出實驗條件下的最佳照射時間和消毒后再生水在不同保存條件下的細菌增長公式。還對再生水的COD_cr進行了監測，研究了COD_cr對再生水紫外線消毒的影響；同時通過對消毒前后的COD_cr和TOC的對比，研究分析了紫外線對再生水中有機物的去除和降解。
3.1 實驗工藝與材料
3.1.1 實驗工藝流程及裝置
　　實驗原水為洗浴廢水，經預曝氣、曝氣、沉淀處理后，由泵提升后進入紫外消毒器。工藝流程圖見圖3.1 。經過篩選，選用的紫外線消毒器的型號為Trojan UVMax B，處理流量為0.42～1.14m³/h。

圖3.1 實驗工藝圖

3.1.2 檢測方法
　　細菌總數：平板計數法
　　CODcr：重鉻酸鉀法
　　TOC：MultiN/C3000 TC/TN分析儀
3.2　實驗方法及數據分析
3.2.1 最佳照射時間的確定
　　洗浴廢水經隔柵、毛發去除器、曝氣池、沉淀池預處理后，用泵提升通過UV消毒器，流程如圖3.1所示。通過流量計調節進水流量以控制消毒時間，流量分別按450 L/h、600 L/h、800 L/h、1000 L/h、1150 L/h5個流量梯度進行實驗，分別測定紫外線消毒器前后的細菌總數。實驗結果見圖3.2。

圖3.2 不同流量下的細菌滅菌率

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

表3.1 靜置時間、光照對已消毒水中細菌增殖的影響

靜置時間（h）

細菌總數（個/ml）

備　 注

開口見光保存

密閉避光保存

0

102

102

消毒前水中細菌總數為N₀＝1.8×10⁵個/ml，實驗流量為Q＝450L/h，環境溫度t＝25℃

3

200

151

6

367

249

8

880

420

10

950

430

　　由表3.1可知，進水的細菌總數為1.8×10⁵個/ml，經UV消毒器出水的細菌總數為102個/ml。由于紫外線并沒有將水中細菌全部殺死，在靜置了一段時間后，水中殘留的細菌會再度繁殖。消毒前水中的細菌總數不同，在同樣的流量下，消毒后水中的細菌的細菌總數也不同。
　　消毒后水中細菌的增長情況與靜置時間、光照的關系如圖3.3所示。

圖3.3 消毒出水靜置不同時間后水中細菌總數的變化（見光和避光條件保存）

　　對圖3.3的研究表明，在避光條件下，水中細菌的增殖情況與靜置時間符合下列關系式：

　　ln(N/N₀)=a·t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

或　 N＝N₀·e^at 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

式中　　　 N――靜置不同時間后水中的細菌總數，個/ml；
　　　　　 N₀――消毒后水中的細菌總數，個/ml；
　　　　　 t――靜置時間，h。

對表1的數據進行回歸分析，得到

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

或　 N＝N₀·e^0.1543t　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　（3）式和（4）式的相關系數R²＝0.9689，能較好的描述細菌的增長情況，式（4）的計算值和實驗值的對比見圖2.2。
　　消毒后水中的細菌總數為102個/ml，滅菌率為99.94％。在靜置10h后，細菌總數增長了近10倍。這是因為水在經過消毒后，水中的細菌并沒有完全被殺死，仍然還殘留有部分細菌，而再生水在經過前面的處理后依然有少量的細菌生長所需的營養基質，殘存的細菌很快會再度繁殖。從圖3.3中的曲線可以看出，在初期，細菌增長較緩慢，一段時間后，細菌的增長速率明顯加快。這是由于經過紫外線照射后，殘留的細菌雖未被殺死，但其DNA或RNA已經受到不同程度的損傷，需要經過一定時間的修復才可以繼續繁殖。消毒前水中的細菌總數不同，在相同流量（即相同紫外劑量）下，消毒后水中的細菌總數也不相同。在相同條件下，消毒前水中的細菌總數越多，消毒后水中的細菌總數也越多。這也是紫外線消毒的一個不足――沒有持續消毒能力。因此，經紫外線消毒后的再生水應盡快使用，避免水質超標。
3.2.3 光照對細菌增長的影響^[6]根據表1的實驗數據和公式（1），求出在有光照條件下，細菌的增長公式為

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

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

　　對公式（3）、（4）和公式（1）、（2）比較，可見光保存下的細菌增長率是避光保存條件的1.5倍多，即對再生水消毒后，在可見光條件下細菌的增殖速率要遠大于避光條件下的細菌增殖率。這一結果同飲用水紫外線消毒后的水中細菌增殖情況類似。分析原因主要是在光照條件下，再生水中細菌能獲得較多能量，受損細菌迅速修復，繁殖能力增強。因此，建議再生水管道采用不透光材質，避免細菌獲得光能快速繁殖。
3.2.4 水中有機物對紫外線消毒效果的影響
　　水中的有機物會吸收紫外線，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時不同COD_cr和細菌滅菌率之間的關系。

圖3.4　 流量為600L/h時不同COD_cr下的細菌滅菌率圖

圖3.5　 流量為800L/h時不同COD_cr下的細菌滅菌率圖

　　所取水樣的細菌總數在10⁴～10⁵個/ml。從圖3.4和圖3.5 可以看出，細菌的滅菌率都在99％以上，在流量為600L/h時，消毒后水中的細菌總數均小于100個/ml，可以達到飲用水的水質標準。應當注意到，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對消毒效果沒有太大的影響，紫外線的消毒效果都很好。
3.2.5 紫外線對再生水中有機物的降解

圖 3.6 流量為450L/h時消毒前后COD_cr的變化

圖 3.7 流量為450L/h時消毒前后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，消毒后水體的TOC值要小于消毒前的TOC值。也就是說，紫外線可以減少水體的COD_cr和TOC值，而COD_cr和TOC雖然是兩項指標，但都是反映水體的有機物含量的指標，因此可以得出，紫外線可以降解水中的微量有機物。

4 結論

　　（1）紫外線對再生水具有很好的消毒效果，滅菌率可達99％以上，消毒后的細菌總數甚至可達到飲用水的標準。
　　（2）以北京某大學再生水處理站的沉淀出水為研究對象，確定了避光和可見光條件下細菌的增長同靜置時間的關系式：

　　N＝N₀·e^0.1543t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4）
　　N＝N₀·e^0.2357t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　對式（4）和（6）比較分析，在有光照條件下，細菌增長繁殖較快，建議回用水管道采用不透光材質；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計的參考依據。
　　（3）對COD_cr較低的水體，COD_cr對消毒效果沒有太大的影響，細菌的滅菌率可以達到99％以上，消毒效果很好。
　　（4）將紫外線消毒前后的水樣的COD_cr和TOC的對比，得出紫外線可以降解水體的微量有機物。
　　（5）紫外線在再生水處理中滅菌效果很好，有很好的應用前景。

參考文獻

1．呂鑑 播磨干夫 著《中國における排水再利用と中水處理技術》日本ABC出版社　 1995年
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