紫外+超濾組合工藝在袋裝水消毒上的應用

張 征， 肖 峰

(1.天津津淼凈水技術有限公司， 天津 300240； 2.天津市自來水集團有限公司 凌莊水廠， 天津 300000)

袋裝水是近年來飲用水行業涌現出來的新型包裝模式，具有安全、衛生、方便等優點，深受市場歡迎。但袋裝水也有一些技術難點，例如，國家生產衛生規范中推薦臭氧為飲用水終端消毒保質形式，但并不適合袋裝水共擠膜包裝形態，因為臭氧會與共擠膜發生化學反應從而會影響水質口感，因此尋求一種新的消毒保質方法，使產品既符合國家《包裝飲用水安全標準》又能長時間保質，成為困擾行業發展的一個課題。對此，筆者采用了“紫外+超濾”組合工藝來作為袋裝水終端消毒保質的方案，開展了相關研究。

1 試驗裝置與方法

1.1 紫外線試驗裝置與方法

1.1.1 紫外線試驗裝置

紫外線消毒試驗裝置采用過流式殺菌方式，用不銹鋼腔體整體焊接而成，見圖1。內部埋設 1支石英紫外線燈，燈 管 瓦 數 為40 W。用分光光度計測定試驗工藝水在254 nm下的吸光度，根據紫外線消毒試驗中平均光強計算，確定試驗工藝水實際接受的平均光強為0.023 mW/cm2。

圖1 紫外線滅菌器Fig.1 Ultraviolet sterilizer

1.1.2 試驗方法

紫外線劑量為紫外線照射時間與紫外線平均照射強度的乘積。紫外線的平均照射強度用UVC-254型紫外線強度儀從不同角度測試儀器內部的紫外線強度，然后求平均值得到，即：

D=I·t

式中D——紫外線劑量，mJ/cm2；

I——紫外線強度，mW/cm2；

t——輻射時間(水停留時間)，s。

將試驗工藝中的水通過過流式紫外線消毒器進行消毒，水樣從出水端流出。通過控制不同的進水流量來控制紫外線劑量，考察不同劑量條件下紫外線的滅菌效果。消毒效果采用微生物的去除率q或滅活率M表示。

q=(N0-N)/N0

M=lgN0/N

式中q——微生物指標去除率；

N0——進口處水中微生物數，CFU/mL；

N——出口處水中微生物數，CFU/mL。

試驗中微生物指標包括細菌總數、大腸桿菌與銅綠假單胞菌，計數方法分別采用營養瓊脂、品紅亞硫酸鈉膜濾法和CN瓊脂膜濾法。將試驗室提供的細菌菌落、大腸桿菌與銅綠假單胞菌接種于固體分離培養基上，置于37℃恒溫培養箱中培養24～48 h，再將培養好的細菌菌落、大腸桿菌和與銅綠假單胞菌的營養肉湯培養液進行10 min的離心分離，轉速為6 000 r/min。除去上清液并用一定量的無菌生理鹽水溶解沉淀物，制成一定濃度的細菌混合溶液。

1.2 超濾試驗裝置與方法

1.2.1 超濾試驗裝置

中空纖維膜組件測試裝置選用截留相對分子質量分別為10 000，6 000和4 000 Da的超濾膜，采用主管恒壓設計，循環水泵為變頻控制，主管上設置壓力變送器，通過調節循環水泵頻率控制主管壓力恒定。同時，壓力變送器監控主管壓力，可發揮保護作用。

圖2 超濾元件Fig.2 UV element

1.2.2 試驗方法

將不同截留相對分子質量的膜裝于有機玻璃過濾筒內，膜片和濾筒使用前均用100～200 mg/L有效氯浸泡消毒0.5 h以上，并用硫代硫酸鈉脫除多余的氯后備用。向過濾裝置中加入無菌水，啟動泵，調節膜組件進口水溫為5～15℃，同時計算平均膜壓差PTM和回收率R，回收率控制在50%以下。

PTM=[(P1+P0)/2]-Pp

式中PTM——平均膜壓差，kPa；

P1——膜裝置出口壓力，kPa；

P0——膜裝置進口壓力，kPa；

Pp——過濾水壓力，kPa。

R=(Qp/Q0)×100%

式中R——回收率，%；

Qp——過濾水流量，m3/h；

Q0——膜裝置進水流量，m3/h。

以潔凈的水，人工添加菌株，配制成含細菌總數10 000～50 000 CFU/mL、大腸桿菌3 000～30 000 CFU/mL和銅綠假單胞菌10 000～50 000 CFU/mL的水樣，加入到超濾裝置中。在平均膜壓差150 kPa下過濾，再用滅菌容器收集膜過濾后的水，檢驗細菌總數、大腸桿菌與銅綠假單胞菌。

2 試驗結果與討論

2.1 紫外線劑量與微生物滅活率的關系

不同紫外線劑量下，菌落總數、大腸桿菌和銅綠假單胞菌的滅活曲線見圖3。

圖3 紫外線劑量與微生物滅活率關系Fig.3 Relationship between UV dosage and microbial inactivation rate

由圖3可知，紫外線照射初期，3類微生物指標的對數滅活率都隨著紫外線劑量增加而升高，其中菌落總數和大腸桿菌的滅菌效果好于銅綠假單胞菌。當紫外線劑量達到12.2 mJ/cm2時，菌落總數和大腸桿菌的對數滅活率達到2.1以上，而銅綠假單胞菌只有1.28；繼續增大紫外線劑量到20.4 mJ/cm2，這3類微生物指標的對數滅活率都達到了2.0以上，消毒滅菌效果比較理想。

2.2 紫外消毒后的微生物復活現象

與臭氧或含氯消毒劑在水體中可以保持一段時間不同，紫外消毒屬于物理瞬間消毒技術，當處理后出水離開消毒反應器后，一些被紫外線殺傷的微生物在可見光照射下會修復損傷的分子從而再生。部分細菌在無光的條件下也可進行自身修復，即暗復活。根據目前的研究結果，光復活是大部分微生物修復的主要途徑，也是主要控制目標。

由于袋裝飲用水保質期較長，參考目前現行《瓶裝飲用純凈水》(GB 17323—1998)、《瓶(桶)裝飲用水衛生標準》(GB 19298—2003)、《食品安全國家標準 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)等要求，微生物指標細菌總數需小于20 CFU/mL；大腸桿菌和銅綠假單胞菌需未檢出。在飲用水處理過程中，當微生物指標含量較高時，僅依靠紫外線消毒會因為微生物復活現象存在，并不能保證保質期內的水質安全，所以還需增加超濾程序來進一步去除微生物。

2.3 超濾膜對微生物的去除效果

采用4 000，6 000和10 000 Da共3種截留分子量超濾膜，對人工添加菌株的水樣進行超濾。通過對比不同截留分子量超濾膜對細菌總數、大腸桿菌與銅綠假單胞菌的去除效果，選擇適合生產工藝的超濾膜，結果見圖4。

圖4 不同截留分子量超濾膜對微生物的去除效果Fig.4 Microbial removal effects of UF membranes with different molecular weight interception

從圖4可以看出：人工添加菌株的水樣經不同孔徑的超濾膜后，微生物含量均大幅度降低，其中截留分子量4 000 Da的超濾膜對銅綠假單胞菌和大腸菌群數的去除率均達到100%，對細菌總數的去除率在98.87%～99.71%；截留分子量6 000 Da的超濾膜對銅綠假單胞菌、大腸桿菌和細菌總數的去除率分別在98.78%～99.08%、98.79%～99.95%和97.86%～99.08%；截留分子量10 000 Da的超濾膜對銅綠假單胞菌、大腸桿菌和細菌總數的去除率分別為98.72%～99.64%、98.71%～99.54%和93.47%～96.43%。相比而言，截留分子量10 000 Da的超濾膜的去除效果不理想，在進水被嚴重污染時，不能有效地將細菌總數控制在低水平。

2.4 紫外+超濾的保質試驗

針對袋裝飲用水保質期長、灌裝過程中不能殘留氧化性消毒劑的特點，可以采用紫外+超濾的方式進行消毒滅菌。人為增加進水微生物含量，模仿污染情況進行生產，采用紫外+超濾的方式滅菌，最后密閉灌裝留樣，考察不同儲存時間后微生物指標的復活情況，見表1。

表1 微生物指標間隔試驗監測情況Tab.1 Interval experimental monitoring of microbial index

試驗表明，即使在前級受到微生物污染的情況，依靠紫外+超濾的攔截方式，依然可以保證包裝水長時間的水質安全，全部合格。

3 結語

① 紫外線對前級飲用水有較好的殺菌效果，但紫外線屬于瞬間殺菌方式，在水中無法殘留，因而不能持續殺菌。

② 當紫外線劑量達到20.4 mJ/cm2時，細菌總數、大腸桿菌、銅綠假單胞菌微生物指標可以符合《瓶裝飲用純凈水》(GB 17323—1998)、《瓶(桶)裝飲用水衛生標準》(GB 19298—2003)、《食品安全國家標準 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)等現行國家標準要求。

③ 超濾膜孔徑越小，對微生物的過濾效果更佳，但相應的成本也就越高。在與紫外配合的前提下，選用6 000 Da截留分子量的超濾膜最為恰當。

④ 紫外+超濾方式可以代替臭氧、氯制劑，對袋裝水進行終端化學消毒，在達到滅菌的同時無化學殘留，可以達到保質效果，為袋裝水行業提供了參考。