紫外线消毒拖尾效应的研究*

李呢楠，张　兵，邓保庆

(上海理工大学环境与建筑学院，上海　20093)



紫外线消毒拖尾效应的研究*

李呢楠，张兵，邓保庆

(上海理工大学环境与建筑学院，上海20093)

紫外线消毒实验选用大肠杆菌为消毒对象。相同紫外强度、剂量条件下，测定不同水流高度(1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm)，不同流速(20 L/h、40 L/h、60 L/h)时，紫外剂量和大肠杆菌灭活率的关系曲线，并做相互比较。结果表明：紫外消毒过程中存在“拖尾”效应，对消毒效率产生较大影响；以流量为变量，随着流量增加、流动状态的激烈，拖尾效应在减弱，消毒效率在提升；以水流高度为变量，随着水流高度的增加，拖尾效应略微的增强，消毒效率有所下降。显然，水流高度变化对于拖尾效应和消毒效率的影响要弱于流量变化带来的影响。

紫外消毒；大肠杆菌；拖尾效应

紫外消毒技术在污水处理中已得到广泛应用，以其灭菌广谱性、处理时间短、有害消毒副产物少、操作安全等优势成为氯消毒重要的取代工艺[1]。紫外线主要作用于细胞内的DNA，使同一条链DNA相邻嘧啶间形成胸腺嘧啶二聚体，引起双链结构扭曲变形,阻碍碱基正常配对，从而抑制DNA的复制，轻则使微生物发生突变，重则造成微生物死亡[2-3]。但由于悬浮颗粒和生物絮体的存在，影响紫外线的穿透能力，使得在整个处理空间内辐射不易做到均匀分布，有照射的阴影区，对微生物和病菌产生保护作用，造成消毒出水有一定的微生物风险[4]。紫外消毒的这些缺点综合作用导致随着时间的延长灭活率保持一定水平不变(如图1所示)，即本文所说的紫外消毒的“拖尾”效应[5]。“拖尾”现象在现实的紫外消毒过程中往往被忽视，而紫外消毒设备安装运行后，其紫外强度和几何参数往往已经固定[6]。为了探究如何避免和缓解“拖尾”现象带来的不良影响，我们可以尝试通过改变水流的速度和高度这两个边界条件来达到目的，也为后续紫外消毒设备的设计和研究提供帮助。

图1　紫外线消毒的拖尾现象

1　实　验

1.1实验菌种及水样

本研究中采用的研究菌种购于中国工业微生物菌种保藏中心(CICC)，菌种名称为：大肠埃希氏菌(Escherichia coli),编号为21525。使用时将菌种接种到100 mL营养肉汤培养基中，于37 ℃恒温培养箱中以100 r·min-1转速振荡培养24 h。将培养后的菌液在6000 r·min-1转速下离心10 min，弃去上清液，将其沉淀物重新溶于一定量无菌生理盐水，配制成初始浓度约为107CFU·mL-1的菌悬液备用[7]。

1.2实验装置

实验装置如图2所示，在不锈钢半封闭腔体内安装一根长30 cm，功率为75 W低压紫外灯管(Philips)，波长为253.7 nm，距离水面3.0 cm。紫外强度用UV-M紫外辐射计测定，紫外强度为1.20 mW·cm-2。由循环水泵提供动力，调节阀门控制流速，水样在实验装置中循环流动，在反应器内接受紫外灯的照射，水箱左侧设有一个取样口。

图2　实验装置图

反应器为有机玻璃制成的开口矩形流槽，配以石英玻璃封盖。为达到不同水流高度的目的，我们设计制作了长、宽相同(分别为30 cm、3 cm)但不同高度的反应器(1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm)。

1.3实验方法

测定不同水流高度(1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm)条件下，不同流速(20 L/h、40 L/h、60 L/h)时，紫外剂量和大肠杆菌灭活率的关系曲线[8]，并做相互比较。

实验时取20 L自来水注入实验装置中，开启循环水泵，通过阀门控制流速。装置流速稳定后，取10 mL菌液注入实验水样中，待充分混合，开启紫外灯，进行紫外消毒，按照一定的照射时间间隔(照射时间根据水在反应器中的停留时间和紫外剂量来确定)，进行连续的取样。每次取样1 mL，用无菌生理盐水稀释100倍，取0.1 mL稀释后菌液在营养琼脂培养基上涂布，于恒温培养箱中培养18 h后，在菌落计数器中进行计数统计[9]。

1.4消毒效果评价

消毒效果依据不同紫外剂量下水样中大肠杆菌的灭活率来计算的：

灭活率=lg(N/N0)

式中：N0——未经紫外照射的水样中大肠杆菌的个数

N——受到紫外辐射一定时间后的等量水样中剩余大肠杆菌的个数

2　结果与讨论

2.1不同流速对拖尾效应的影响

图3～图5反应的是在同一水流高度，不同流速对紫外消毒拖尾效应的影响。可以看出，紫外消毒的拖尾效应是十分明显的。同时，随着流速的增加，拖尾效应在逐步的减弱，消毒的效率在提高。

当流量为20 L/h，流速较低，反应器内水流平稳，消毒曲线相对较早的进入拖尾区域，消毒效率也是最差的；当流量为40 L/h时，反应器进口有漩涡产生，有明显的湍流现象，而拖尾效应相对于流量20 L/h有明显减弱，消毒效率也有显著提升；流量60 L/h时，湍流现象更为明显，拖尾效应和消毒效率略微的优于40 L/h。

以2 cm水流高度情况下为例，60 L/h流量下的消毒效率相对于40 L/h和20 L/h分别提升了约11%和54%。

图3～图5所反应的结果基本一致：拖尾效应和消毒效率受到水流速度变化的影响。流速的增加造成水流状态的变化，而水流状态的变化影响了大肠杆菌在颗粒物上的吸附和生物絮体的形成[10]，减少了它们对紫外线的遮挡和吸收作用[11]，从而减弱了拖尾效应并且提高了消毒效率。

图3　3 cm水流高度下不同流量时的消毒曲线

图4　2 cm水流高度下不同流量时的消毒曲线

图5　1 cm水流高度下不同流量时的消毒曲线

2.2不同水流高度对拖尾效应的影响

图6～图8反映的是不同水流高度对拖尾效应的影响。从图6～图8可以看出，在相同水流速度下，随着水流高度的增加，拖尾效应略微的减弱，消毒效率有所提升，但提升的效果没有流量变化所带来的提升明显。显然，水流高度对于拖尾效应和消毒效率的影响要弱于流量变化的影响。

图6　20 L/h时不同水流高度的消毒曲线

图7　40 L/h时不同水流高度的消毒曲线

图8　60 L/h时不同水流高度的消毒曲线

以20 L/h流量情况下为例，三种水流高度的消毒曲线几乎是在同一位置进入拖尾区域。1 cm水流高度的消毒效率相对于2 cm和3 cm分别提升了约7%、12%。

造成这种情况的原因在于，虽然水流高度会对紫外线的穿透效果产生影响，但紫外灯是对装置中循环的水样进行消毒，相同流量情况下装置内水流状态相同，水体接受到的紫外剂量是相同的[12]，所以拖尾效应和消毒效率方面的差异没有流量变化时大。

3　结　论

(1)紫外消毒过程中存在“拖尾”效应，对消毒效果产生较大影响。

(2)紫外灯对循环流动的水样进行消毒时，在相同紫外强度、剂量和水流高度下，不同流量产生水流状态的变化对紫外消毒拖尾效应和消毒效率有较大影响。随着流量增加、流动状态的激烈，拖尾效应在减弱，消毒效率在提升。

(3)在流量一定情况下，改变水流高度，但由于紫外灯是对装置中循环的水样进行消毒，相同流量情况下装置内水流状态相同，水体接受到的紫外剂量是相同的，所以拖尾效应和消毒效率方面没有太大的差异。

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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

上海市科委自然科学基金项目(No：13ZR1427600)。

李呢楠，上海理工大学环境工程专业研究生。

邓保庆，上海理工大学环境工程专业副教授。

Q98

A

1001-9677(2016)08-0058-03