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水处理中的紫外线和臭氧灭菌技术

在食品工业用水的灭菌方式中,传统的方法是使用含氯杀菌剂和热杀菌。此外,还采用了臭氧处理、紫外线照射、膜(UF/MF)处理等工艺。这些方法都有各自的优缺点,对它们的性质、适用范围及注意事项等进行研究后,再根据具体情况灵活使用。

一、臭氧灭菌法

1.臭氧消毒机理及消毒特性。

臭氧气分解产生新的生态氧气和氧气。新生态氧气可以作用于细胞壁和细胞膜,如细菌和病毒,与脂质(脂类化合物)的双键反应。在此过程中,细胞膜会被破坏,酵素也会被破坏,从而产生杀菌作用。

采用浓度为0.3~0.5mg/L的臭氧杀菌剂,对芽孢杆菌的孢子进行杀菌处理。乳酸菌对臭氧的抵抗力较弱。报道显示最初2.3~5.6×109/mL,经过臭氧处理的30秒内的细菌,大部分死亡。

臭氧的杀菌效果,因细胞壁或细胞膜的不同,因微生物种类的不同而有很大的差别。

用臭氧处理芽杆菌的孢子和酵母,耗时较长,但若增加臭氧浓度,可适当缩短反应时间。事实上,臭氧浓度和接触反应时间可根据菌种来确定,也可适当选择。

按饮用水标准进行臭氧灭菌,接触反应时间可达5~8分种,臭氧发生器出口臭氧浓度在0.4mg/L以上(注入率2~3mg/L),大多数情况下都是以上述条件作为运行管理指标。在同一个系统中,臭氧注入速率应该提高到5mg/L,而在这样处理的水中,细菌通常无法存活。

2、水中臭氧灭菌方法,不仅仅是灭菌设备,而是灭菌系统。

为了建立这个系统,应该注意以下几点。

(a)选择能够产生稳定臭氧的臭氧源,使之充满活力。近年来,臭氧生物活性研究的进展和技术水平有了显著提高。市场上有臭氧发生器,各种型号都有,如无声放电式、同极板式、陶瓷表面放电式等。从15g/h的小型机到40kg/h的大型机,都可以用PSA氧合机来组装成一个系列。

(b)臭氧原料的精制:除用于制造臭氧或冷库的小型臭氧设备外,还必须对工业规模臭氧生物质进行空气净化处理,将其用作臭氧原料,从而实现除尘和除湿。一般而言,使用静电放电的臭氧产生的臭氧浓度,以空气为原料时为1~3%,以氧气为原料时为2~6%,如果该净化处理工艺不完善,那么,不仅臭氧的生产效率低,而且原料中的不纯物未经净化部分进入臭氧处理水系统,成为氮氧化物。

在食品生产用水中采用臭氧杀菌法,臭氧原料应采用纯氧或PSA制氧机。

(c)水与臭氧的接触反应时间:臭氧的喷入量和接触反应时间,由作为杀菌对象的微生物种类和目标杀菌率来确定。这些因素包括建设成本。

(d)臭氧浓度管理:为使臭氧灭菌工作可靠进行,必须监测臭氧喷射浓度和臭氧溶解度,并将其控制在适当范围内。除了高精度的连续式臭氧浓度测定器之外,目前还开发了廉价的手持式臭氧浓度测定器,因此需要对臭氧浓度进行定期检测,并对其进行补救。在消毒过程中,水中的臭氧将不可避免地被排出系统外,因此必须对其进行除害处理,使臭氧排放量低于允许的浓度。

 

二、紫外线照射消毒方法。

UV杀菌机理及杀菌工艺特点。

在200~290mm波长的紫外线照可以射下,穿过细菌或病毒的细胞膜,对控制基因现象和生物功能核酸(DNA)造成破坏,使之失去繁殖能力,从而实现杀菌。

核酸(DNA)在250~260mm波长的紫外线照射下特别容易吸收。所以这个波长的紫外线有很强的杀菌作用。以待杀灭微生物所需的紫外线照射量为依据进行杀菌处理,不使水质发生任何变化,在极短的时间内进行瞬间杀菌,效果良好。此外,处理过程在直管式循环机上完成。

至于紫外线消毒,消毒容量的大小与处理水中的紫外线辐射量之比为mw·s/cm^2(紫外线消毒强度[mw/cm^2×时间])。紫外辐射量的大小与杀菌率的大小有关。

各种微生物对紫外线的敏感程度,因种类而异。根据芽孢杆菌属(含B.subtlis)的工厂试验结果表明,在D10=12.5mw·s/cm^2的照射下,可以达到99.5%的杀菌效果。所以,实际装置的设计照明功率等于D10×4,即50mw·s/cm^2。

紫外线杀菌的使用场合和注意事项

1紫外线消毒设备的选择:选择紫外线消毒设备时,应以臭氧产生量为标准,选择紫外线消毒设备时,应以处理水量为标准。消毒灯具的照明强度,随着使用时间的延长而衰减,因此,选择所需的紫外线辐射量,应以灯具的使用寿命为标准。

2.待处理水的特性:采用紫外线杀菌法,根据菌种对所处理水中所需紫外线的照射量,可初步发挥其作用。所以用紫外光处理水中的透射率是个难题。特别是含有混合物的水或糖液,在选择需要的紫外线辐射量时,要考虑到被处理水(溶液)的紫外线衰减因子。

3.温度特性:一般使用低压汞灯,40~50℃环境温度下,紫外线灯的照射率最高,水温较低时,杀菌效果较差,应加以考虑。

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