紫外殺菌裝置在反滲透凈水機末端的應用研究

張宇菲 耿慶松 劉志強

ZHANG Yufei GENG Qingsong LIU Zhiqiang

青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

Qingdao Economic and Technology Development District Haier Water Heater Co., Ltd. Qingdao 266101

1 引言

隨著人們消費水平的提升，越來越多的人們開始注重家庭的飲水安全，細菌病毒已成為健康生活的頭號公敵。且凈水產品的普及化，使得反滲透凈水機涌入人們的視野，將其接入至供水管網以作為用水終端，從而提高家庭飲水質量。反滲透凈水機的基本功能包括去除臭味、顆粒物，改善感官性狀，去除有害的化學物質如有機物和重金屬，去除微生物等。目前，越來越多的人對家用凈水器提出了可以生飲的要求，即出水可以直接飲用，因此飲用水的微生物安全性是家用凈水器必須要解決的問題之一。

為了保證最終純凈水出水無菌，目前市場上的反滲透凈水機通常在最終純凈水出水前加裝紫外殺菌裝置，以消滅純凈水出水中的細菌。但傳統的殺菌消毒解決方案存在諸多不利因素，如：傳統汞燈由于其含有金屬水銀而被聯合國的《水俁公約》列入禁止使用名單、化學藥劑殺菌易造成二次污染及傷害、高溫殺菌不徹底、臭氧殺菌對人體有潛在的危害[1]，而深紫外殺菌技術現在越來越被更多企業所采用，可逐漸改善和提高人類健康生活水平。因此，如何有效殺滅細菌、病毒，同時又不向水中添加任何物質、不產生消毒副產物，并且在額定總凈水量范圍內的任何階段都具有明顯的消毒作用，是家用凈水器選擇消毒技術的前提[2]。

紫外線凈水器具有設備簡單、投資低的優勢，它將是優質飲水供應最實用有效的方法之一[3]。紫外線的殺菌機理是利用紫外線光量子的能量破壞各種微生物體的核酸結構，使細菌、病菌DNA（脫氧核糖核酸）滅活，從而使它們失去了繁衍能力[4]。因為DNA在254nm左右有最大的吸收率，所以254nm的紫外線對微生物具有非常好的滅活效果，能夠在不使用任何化學藥劑的情況下達到消毒殺菌的目的。目前反滲透凈水機所用的紫外殺菌裝置一般由管殼、紫外燈、石英套管、電路模塊組成。如圖1所示為本文所用的紫外殺菌裝置結構示意圖。

圖1中，1-紫外殺菌裝置的進水口，2-紫外殺菌裝置的出水口，3-上端蓋，4-下端蓋，5-導流套管第一腔體，6-導流套管的內腔，7-紫外殺菌組件。

本文從凈水設備的系統出發，通過在水處理流程中引入新的功能模塊——紫外殺菌，研究了過流式殺菌系統的效果，探索了紫外殺菌技術在凈水機中的應用性方案，以期開發出更符合用戶需求、更健康的凈水產品[5]。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

大腸桿菌液（中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心CGMCC）、高純水。

2.2 實驗儀器

超凈工作臺、培養箱、培養皿、移液槍、錐形瓶、50mW和70mW紫外LED凈水機過流式殺菌器（青島杰生電氣有限公司）、水泵、可調式流量計。

2.3 實驗方法和步驟

在不同流量的條件下進行紫外殺菌器照射并取樣，記錄不同過水流速條件下大腸桿菌菌落數量。根據不同流速下紫外殺菌器的殺菌效果，能更有效地找到與不同出水流速的反滲透凈水機相匹配的紫外殺菌裝置。

圖1 紫外殺菌裝置結構示意圖

圖2 反滲透凈水機裝配紫外殺菌裝置示意圖（凈水機型號CRO500-X3）

（1）將50L高純水調配成大腸桿菌溶液（濃度分別在6.5×103cfu/mL左右）。

（2）將過流式紫外殺菌裝置（50mW）安裝于整個實驗裝置上，連接好流動水裝置。紫外殺菌燈先處于關閉狀態，開啟水泵，通過可調式流量計控制水的流速在3.0L/min。

（3）原始組取樣：用錐形瓶在出水口采集水樣100mL，用移液槍從中取0.1mL滴到培養皿上，涂勻后放入培養箱培養（3個平行組）。

照射組取樣：打開紫外殺菌裝置的電源，點亮紫外燈。待裝置中流出3L水，系統穩定后，用錐形瓶從紫外殺菌裝置出口采集水樣100mL，用移液槍從中取0.1mL滴到培養皿上，涂勻后放入培養箱培養（3個平行組）。

（4）將流速調節為2.5L/min、2.0L/min、1.5L/min，重復取樣步驟，進行不同流速的照射組取樣。

（5）換過流式紫外殺菌裝置（70mW）安裝于整個實驗裝置上，重復原始組樣品取樣。然后分別在流速2.0L/min、2.5L/min、3.0L/min、3.5L/min、4.0L/min下進行不同流速的照射組取樣。

（6）將上述左右取樣樣品經恒溫培養24h后取出，記錄大腸桿菌菌落數量。

3 結果與討論

3.1 不同流速下的殺菌率

在不同流速條件下進行紫外殺菌器照射并取樣，記錄不同過水流速條件下大腸桿菌菌落數量。由表1和表2可知小型化的過流式紫外殺菌裝置的殺菌率與水流通過速度和殺菌裝置功率均有很大關系。當水流速度低于2.0L/min時，50mW和70mW的紫外殺菌裝置均能達到殺菌率為100.00%。而當水流速度為3.0L/min時，功率較小的50mW裝置的出水口測得的殺菌率僅為98.38%，而70mW的殺菌率仍為100.00%，這說明功率較大的殺菌裝置在相同時間放射的紫外線能夠達到更好的除菌效果。由表1和表2可得出50mW的紫外殺菌裝置在出水流速為2.0L/min時，殺菌率可以達到100%，而70mW的紫外殺菌裝置在流量為3.0L/min時殺菌率仍能維持100.00%。根據所用凈水機的出水流速范圍，選擇合適功率的紫外殺菌裝置。

3.2 紫外殺菌裝置在凈水機中的應用實例

3.2.1 集成水路式凈水機

如圖2所示，集成水路式凈水機由外殼、濾芯、集成水路板和紫外殺菌裝置等系統組成。濾芯、控制閥類部件及其他輔助元件連接到水路板上，形成通路，構成水路系統。水路板較多采用集成式水路板，濾芯采用直插的方式與水路板連接，方便快捷。圖中：1-紫外殺菌裝置，2-凈水機外殼，3-集成水路板，4-各級濾芯。

3.2.2 紫外殺菌裝置殺菌的水路解析

目前，市場上的紫外殺菌裝置，大多通過軟管和快接頭等連接在供水管道中，此種連接方式漏水風險大，占用空間多，而直接與水路板插接的紫外殺菌裝置，減小占用空間的同時，方便安裝。

紫外殺菌裝置裝配集成水路示意圖如圖3所示，包括管殼、導流套管第一腔體、導流套管內腔體、紫外殺菌組件。其中管殼上設置有進水連接口和出水連接口，第一腔體與進水連接口連通，導流套管的內腔與出水連接口連通，導流套管的底部開有助于將第一腔體和導流套管的內腔連通的過流孔。過流孔位于導流套管的中心，紫外殺菌組件設置在管殼的底部，并位于過流孔下方，出光方向朝向上方，其中導流套管為透光材質制作。其中：1-紫外殺菌裝置，2-各級濾芯進出水口，3-集成水路板，4-進水電磁閥，5-紫外殺菌裝置進出水口。

水從進水連接口進入導流套管第一腔體后，可以均勻的經過過流孔進入導流套管內腔體中，有利于延長水路和殺菌作用時間，增強殺菌效果。為了使得管殼內更多體積的水得到紫外線的照射，導流套管選擇透光材質，尤其要透射紫外光，當紫外殺菌裝置朝向過流孔照射時，紫外光能夠透過導流套管的管壁射入至第一腔體中，同時能夠為進水進行照射殺菌，水流無論位于第一腔體還是導流套管內部時，均能夠得到照射，延長照射殺菌時間，使得殺菌更加充分，加強殺菌效果。

表1 50mW紫外殺菌裝置測試實驗結果統計表

表2 70mW紫外殺菌裝置測試實驗結果統計表

圖3 紫外殺菌裝置裝配集成水路示意圖

4 結論

飲用水是人們不可缺少的一部分，人們對飲用水的水質要求越來越高，因此各種消毒殺菌技術的應用也變得越來越廣泛，其中紫外殺菌技術對微生物的滅活效果最好，且不會產生副作用，能夠在短時間內消滅細菌、病毒。紫外殺菌技術是一種比較環保和成熟的技術，有很多其他消毒設備都不具備的優勢，在水質凈化領域有很廣泛的應用。

（1）為了保證最終純凈水出水無菌，目前市場上的凈水機通常在最終純凈水出水前加裝紫外殺菌裝置，以消滅純凈水出水中的細菌。

（2）小型化的過流式紫外殺菌裝置50mW在流量為2.0L/min時，殺菌率達到100%，而70mW的紫外殺菌裝置在流量為3.0L/min時殺菌率達到100.00%。

（3）反滲透凈水機純水出水流速一般在0.5～2.5L/min之間，故選擇紫外殺菌裝置時應綜合考慮出水流速、殺菌率和紫外線的輸出功率，以便選擇合適的紫外殺菌裝置與凈水機匹配。