紫外線消毒拖尾效應的研究*

李呢楠，張　兵，鄧保慶

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海　20093)

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紫外線消毒拖尾效應的研究*

李呢楠，張兵，鄧保慶

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海20093)

紫外線消毒實驗選用大腸桿菌為消毒對象。相同紫外強度、劑量條件下，測定不同水流高度(1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm)，不同流速(20 L/h、40 L/h、60 L/h)時，紫外劑量和大腸桿菌滅活率的關系曲線，并做相互比較。結果表明：紫外消毒過程中存在“拖尾”效應，對消毒效率產生較大影響；以流量為變量，隨著流量增加、流動狀態(tài)的激烈，拖尾效應在減弱，消毒效率在提升；以水流高度為變量，隨著水流高度的增加，拖尾效應略微的增強，消毒效率有所下降。顯然，水流高度變化對于拖尾效應和消毒效率的影響要弱于流量變化帶來的影響。

紫外消毒；大腸桿菌；拖尾效應

紫外消毒技術在污水處理中已得到廣泛應用，以其滅菌廣譜性、處理時間短、有害消毒副產物少、操作安全等優(yōu)勢成為氯消毒重要的取代工藝[1]。紫外線主要作用于細胞內的DNA，使同一條鏈DNA相鄰嘧啶間形成胸腺嘧啶二聚體，引起雙鏈結構扭曲變形,阻礙堿基正常配對，從而抑制DNA的復制，輕則使微生物發(fā)生突變，重則造成微生物死亡[2-3]。但由于懸浮顆粒和生物絮體的存在，影響紫外線的穿透能力，使得在整個處理空間內輻射不易做到均勻分布，有照射的陰影區(qū)，對微生物和病菌產生保護作用，造成消毒出水有一定的微生物風險[4]。紫外消毒的這些缺點綜合作用導致隨著時間的延長滅活率保持一定水平不變(如圖1所示)，即本文所說的紫外消毒的“拖尾”效應[5]。“拖尾”現象在現實的紫外消毒過程中往往被忽視，而紫外消毒設備安裝運行后，其紫外強度和幾何參數往往已經固定[6]。為了探究如何避免和緩解“拖尾”現象帶來的不良影響，我們可以嘗試通過改變水流的速度和高度這兩個邊界條件來達到目的，也為后續(xù)紫外消毒設備的設計和研究提供幫助。

圖1　紫外線消毒的拖尾現象

1　實　驗

1.1實驗菌種及水樣

本研究中采用的研究菌種購于中國工業(yè)微生物菌種保藏中心(CICC)，菌種名稱為：大腸埃希氏菌(Escherichia coli),編號為21525。使用時將菌種接種到100 mL營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基中，于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中以100 r·min-1轉速振蕩培養(yǎng)24 h。將培養(yǎng)后的菌液在6000 r·min-1轉速下離心10 min，棄去上清液，將其沉淀物重新溶于一定量無菌生理鹽水，配制成初始濃度約為107CFU·mL-1的菌懸液備用[7]。

1.2實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，在不銹鋼半封閉腔體內安裝一根長30 cm，功率為75 W低壓紫外燈管(Philips)，波長為253.7 nm，距離水面3.0 cm。紫外強度用UV-M紫外輻射計測定，紫外強度為1.20 mW·cm-2。由循環(huán)水泵提供動力，調節(jié)閥門控制流速，水樣在實驗裝置中循環(huán)流動，在反應器內接受紫外燈的照射，水箱左側設有一個取樣口。

圖2　實驗裝置圖

反應器為有機玻璃制成的開口矩形流槽，配以石英玻璃封蓋。為達到不同水流高度的目的，我們設計制作了長、寬相同(分別為30 cm、3 cm)但不同高度的反應器(1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm)。

1.3實驗方法

測定不同水流高度(1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm)條件下，不同流速(20 L/h、40 L/h、60 L/h)時，紫外劑量和大腸桿菌滅活率的關系曲線[8]，并做相互比較。

實驗時取20 L自來水注入實驗裝置中，開啟循環(huán)水泵，通過閥門控制流速。裝置流速穩(wěn)定后，取10 mL菌液注入實驗水樣中，待充分混合，開啟紫外燈，進行紫外消毒，按照一定的照射時間間隔(照射時間根據水在反應器中的停留時間和紫外劑量來確定)，進行連續(xù)的取樣。每次取樣1 mL，用無菌生理鹽水稀釋100倍，取0.1 mL稀釋后菌液在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上涂布，于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18 h后，在菌落計數器中進行計數統(tǒng)計[9]。

1.4消毒效果評價

消毒效果依據不同紫外劑量下水樣中大腸桿菌的滅活率來計算的：

滅活率=lg(N/N0)

式中：N0——未經紫外照射的水樣中大腸桿菌的個數

N——受到紫外輻射一定時間后的等量水樣中剩余大腸桿菌的個數

2　結果與討論

2.1不同流速對拖尾效應的影響

圖3～圖5反應的是在同一水流高度，不同流速對紫外消毒拖尾效應的影響。可以看出，紫外消毒的拖尾效應是十分明顯的。同時，隨著流速的增加，拖尾效應在逐步的減弱，消毒的效率在提高。

當流量為20 L/h，流速較低，反應器內水流平穩(wěn)，消毒曲線相對較早的進入拖尾區(qū)域，消毒效率也是最差的；當流量為40 L/h時，反應器進口有漩渦產生，有明顯的湍流現象，而拖尾效應相對于流量20 L/h有明顯減弱，消毒效率也有顯著提升；流量60 L/h時，湍流現象更為明顯，拖尾效應和消毒效率略微的優(yōu)于40 L/h。

以2 cm水流高度情況下為例，60 L/h流量下的消毒效率相對于40 L/h和20 L/h分別提升了約11%和54%。

圖3～圖5所反應的結果基本一致：拖尾效應和消毒效率受到水流速度變化的影響。流速的增加造成水流狀態(tài)的變化，而水流狀態(tài)的變化影響了大腸桿菌在顆粒物上的吸附和生物絮體的形成[10]，減少了它們對紫外線的遮擋和吸收作用[11]，從而減弱了拖尾效應并且提高了消毒效率。

圖3　3 cm水流高度下不同流量時的消毒曲線

圖4　2 cm水流高度下不同流量時的消毒曲線

圖5　1 cm水流高度下不同流量時的消毒曲線

2.2不同水流高度對拖尾效應的影響

圖6～圖8反映的是不同水流高度對拖尾效應的影響。從圖6～圖8可以看出，在相同水流速度下，隨著水流高度的增加，拖尾效應略微的減弱，消毒效率有所提升，但提升的效果沒有流量變化所帶來的提升明顯。顯然，水流高度對于拖尾效應和消毒效率的影響要弱于流量變化的影響。

圖6　20 L/h時不同水流高度的消毒曲線

圖7　40 L/h時不同水流高度的消毒曲線

圖8　60 L/h時不同水流高度的消毒曲線

以20 L/h流量情況下為例，三種水流高度的消毒曲線幾乎是在同一位置進入拖尾區(qū)域。1 cm水流高度的消毒效率相對于2 cm和3 cm分別提升了約7%、12%。

造成這種情況的原因在于，雖然水流高度會對紫外線的穿透效果產生影響，但紫外燈是對裝置中循環(huán)的水樣進行消毒，相同流量情況下裝置內水流狀態(tài)相同，水體接受到的紫外劑量是相同的[12]，所以拖尾效應和消毒效率方面的差異沒有流量變化時大。

3　結　論

(1)紫外消毒過程中存在“拖尾”效應，對消毒效果產生較大影響。

(2)紫外燈對循環(huán)流動的水樣進行消毒時，在相同紫外強度、劑量和水流高度下，不同流量產生水流狀態(tài)的變化對紫外消毒拖尾效應和消毒效率有較大影響。隨著流量增加、流動狀態(tài)的激烈，拖尾效應在減弱，消毒效率在提升。

(3)在流量一定情況下，改變水流高度，但由于紫外燈是對裝置中循環(huán)的水樣進行消毒，相同流量情況下裝置內水流狀態(tài)相同，水體接受到的紫外劑量是相同的，所以拖尾效應和消毒效率方面沒有太大的差異。

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Tailing Effect of UV Disinfection

LINi-nan,ZHANGBing,DENGBao-qing

(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

E. coli was selected in the ultraviolet disinfection. Under the same UV intensity and dose, the E. coli inactivated curves were investigated in different water height (1.0 cm, 2.0 cm, 3.0 cm) and different flow (20 L/h, 40 L/h, 60 L/h), and then compare to each other. The results showed that tailing effect occured in ultraviolet disinfection and had larger impact on disinfection efficiency. Base on the flow, with the flow increasing and state intense, the tailing phenomenon weakened gradually and disinfection efficiency was developed as well, Furthermore, as the height of flow elevated, the tailing phenomenon enhanced slightly, on the contrary, the efficiency of disinfection was weakened more or less. It was obvious that the height of flow impacting on the tailing effect and disinfection efficiency was much weaker than the flow changing dose.

UV disinfection; E.coli; tailing effect

上海市科委自然科學基金項目(No：13ZR1427600)。

李呢楠，上海理工大學環(huán)境工程專業(yè)研究生。

鄧保慶，上海理工大學環(huán)境工程專業(yè)副教授。

Q98

A

1001-9677(2016)08-0058-03