超聲波紫外線協(xié)同殺菌技術(shù)在飲用天然水除菌中的應(yīng)用研究

吳木生，李愛梅，姜新慧，李潔璇，李崇林

(廣東鼎湖山泉有限公司，廣東肇慶 526070)

超聲波紫外線協(xié)同殺菌技術(shù)在飲用天然水除菌中的應(yīng)用研究

吳木生，李愛梅，姜新慧，李潔璇，李崇林

(廣東鼎湖山泉有限公司，廣東肇慶 526070)

研究了超聲紫外協(xié)同殺菌的飲用天然水殺菌工藝，將超聲波紫外線滅菌器應(yīng)用于山泉水處理中，經(jīng)過近1年運(yùn)行。得出最優(yōu)超聲波-紫外線協(xié)同殺菌條件為：超聲頻率20 kHz，功率500 W；紫外線照射劑量30 mJ/cm2，殺菌時(shí)間10 s。超聲波紫外線殺菌器對(duì)水源水有很明顯的殺菌效果。將超聲波紫外線協(xié)同殺菌與臭氧殺菌技術(shù)聯(lián)合使用與單一臭氧殺菌進(jìn)行比較，協(xié)同殺菌技術(shù)使用臭氧濃度0.10 mg/L時(shí)殺菌效果優(yōu)于單一0.30 mg/L臭氧殺菌效果，且溴酸鹽濃度低于0.005 mg/L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。超聲波紫外線協(xié)同低濃度臭氧的飲用水殺菌技術(shù)可替代單一的臭氧殺菌技術(shù)，既能達(dá)到殺菌效果，又可降低溴酸鹽風(fēng)險(xiǎn)，確保產(chǎn)品的高品質(zhì)。

超聲波，紫外線，協(xié)同殺菌

2015年4月2日，國(guó)務(wù)院發(fā)布“關(guān)于印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》”的通知，通過有效途徑加大水污染防治力度，應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢(shì)，保障飲用水安全，有效去除源水中的有機(jī)污染物、微生物成為飲用水處理面臨的首要問題。從70年代開始，出現(xiàn)了活性炭吸附[1-3]，臭氧氧化[4]，光催化氧化[5]，膜分離技術(shù)[6-7]等深度水處理技術(shù)。這些技術(shù)可深度處理天然源水中的懸浮物、有機(jī)物、微生物，但會(huì)帶來負(fù)影響。例如，臭氧能將溴離子氧化成有機(jī)溴化物、溴酸鹽等，溴酸根是可能性致癌物，嚴(yán)重危害人體健康[8]。國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)際生產(chǎn)表明，常規(guī)飲用水處理殺菌工藝已不能與現(xiàn)有的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。

超聲波協(xié)同紫外線的飲用水殺菌技術(shù)，機(jī)制是超聲輻照產(chǎn)生“空化效應(yīng)”，使液體中產(chǎn)生空化泡，空化泡崩潰形成微射流及高速剪切力，可使細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理損傷，致其死亡；同時(shí)超聲波產(chǎn)生的微射流可防止紫外燈套管外部結(jié)垢，提高紫外線殺菌效果；超聲波和臭氧聯(lián)合使用時(shí)，可使臭氧充分分散和溶解，強(qiáng)化傳質(zhì)效應(yīng)和引發(fā)更多的高活性氧化基團(tuán)OH、提高氧化劑利用率和處理能力，減少臭氧使用量和溴酸鹽生成量，有效提高單一臭氧殺菌技術(shù)效果，可部分或全部替代臭氧殺菌技術(shù)[9-10]。本文主要研究超聲波頻率、功率、紫外線照射劑量、時(shí)間等工藝條件對(duì)飲用水殺菌效果的影響，并將超聲波-紫外線聯(lián)合臭氧殺菌技術(shù)與單一臭氧殺菌進(jìn)行比較，驗(yàn)證殺菌效果及溴酸鹽生產(chǎn)量，驗(yàn)證超聲波紫外線協(xié)同殺菌技術(shù)在飲用天然源水殺菌方面的作用效果。

表2 超聲波-紫外線組合殺菌實(shí)驗(yàn)表

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

飲用天然源水 廣東鼎湖山泉有限公司。

EL-104電子分析天平 梅特勒-托利多上海儀器有限公司；HH-4數(shù)控恒溫水浴鍋 金壇市宏華儀器廠；SHB-D1III循環(huán)式真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；722s可見分光光度計(jì) 上海精科儀器有限公司；手提式壓力蒸汽無菌器 上海華線壓用核子儀器有限公司；恒溫培養(yǎng)箱 海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)水樣配制 取自廣東鼎湖山泉有限公司的天然源水，為了驗(yàn)證殺菌效果，培養(yǎng)混合微生物(主要含細(xì)菌、霉菌及酵母菌)添加到源水中，形成人為污染的水樣。每組實(shí)驗(yàn)過程中，同步檢測(cè)污染水樣中細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群、霉菌及酵母菌。本研究細(xì)菌總數(shù)檢驗(yàn)方法為GB4789的平板法，大腸菌群檢測(cè)方法為GB4789的多管發(fā)酵法，霉菌和酵母菌檢驗(yàn)方法為GB4789的平板法。

1.2.2 超聲波最佳功率和頻率的選擇 選取超聲波頻率15、20、25 kHz，功率400、500、600 W，殺菌時(shí)間20 s，水樣量200 L的兩因素三水平實(shí)驗(yàn)方案，每組實(shí)驗(yàn)平行三次，建立以這些參數(shù)為因素的協(xié)同殺菌效果量化模型，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 超聲波殺菌最佳功率、頻率的實(shí)驗(yàn)表

1.2.3 超聲波、紫外線協(xié)同殺菌條件的優(yōu)化 以1.2.2得出的最佳超聲波頻率和功率組合，配合紫外線照射劑量20、30、40 mJ/cm2，限于實(shí)際生產(chǎn)的制約(最長(zhǎng)殺菌時(shí)間為15s)設(shè)置紫外殺菌時(shí)間分別為5、10、15 s，水樣量為200 L，探究超聲波-紫外線組合對(duì)水樣殺菌效果的影響，每組實(shí)驗(yàn)平行三次，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表2。

1.2.4 超聲波紫外線殺菌器在天然水生產(chǎn)過程中殺菌效果 基于1.2.3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)超聲波紫外線殺菌器，并分別在平水期(每年2月至5月)、豐水期(每年6月至10月)和枯水期(每年11月至次年2月)不同的兩個(gè)月份內(nèi)，將其應(yīng)用于天然水源水處理，具體方法為：取200 L天然水，經(jīng)過設(shè)定參數(shù)的超聲波紫外線殺菌器，通過檢測(cè)殺菌前后水樣中細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群、霉菌及酵母菌的變化(每組實(shí)驗(yàn)平行三次)，判斷超聲波紫外線殺菌器對(duì)天然水水源殺菌效果。

1.2.5 超聲波紫外線聯(lián)合臭氧協(xié)同殺菌效果與單一臭氧殺菌效果比較 飲用天然水實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，使用濃度為0.3～0.5 mg/L的臭氧進(jìn)行殺菌處理。飲用天然源水經(jīng)過超聲波紫外線殺菌器時(shí)分別通入低濃度的臭氧使混合水樣臭氧濃度0.1、0.15、0.2 mg/L的處理，與直接通入高濃度臭氧是混合水樣臭氧濃度0.3、0.4、0.5 mg/L處理的飲用天然水源水進(jìn)行殺菌效果比較，通過計(jì)算殺菌前后水樣細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群、霉菌及酵母菌的殺菌率以及生成溴酸鹽的量(每組實(shí)驗(yàn)平行三次)，判斷超聲波紫外線協(xié)同殺菌技術(shù)與單一臭氧殺菌技術(shù)的差異性。

2 結(jié)果及分析

2.1 超聲波殺菌最佳功率、頻率選擇試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照1.2.2的方法，將三次結(jié)果的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出超聲波對(duì)源水處理的最佳功率、頻率，其結(jié)果見表3。

表3 超聲波殺菌最佳功率、頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出：隨著超聲波功率變大，頻率增強(qiáng)其殺菌效果明顯增強(qiáng)，當(dāng)頻率為20 kHz功率500 W(實(shí)驗(yàn)5)時(shí)大腸桿菌<3 MPN/100 mL，其細(xì)菌、大腸桿菌、霉菌及酵母菌都已經(jīng)殺滅完全，繼續(xù)增大頻率和功率，造成資源的浪費(fèi)，最佳超聲條件為：超聲頻率20 kHz，功率500 W。

2.2 超聲波-紫外線組合殺菌條件研究結(jié)果及分析

按照1.2.3的方法，將三次結(jié)果的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出超聲波-紫外線組合殺菌的最優(yōu)條件，其結(jié)果見表4。

表4 超聲波-紫外線組合殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出：在最佳超聲波條件下，隨著紫外線照射劑量增加、殺菌時(shí)間的增長(zhǎng)其殺菌效果明顯增強(qiáng)，當(dāng)頻率為紫外線照射劑量為30 cm2，殺菌時(shí)間10 s(實(shí)驗(yàn)5)時(shí)其細(xì)菌、霉菌及酵母菌都已經(jīng)殺滅完全，大腸桿菌<3 MPN/100 mL而繼續(xù)增大頻率和功率，造成資源的浪費(fèi)，因此最優(yōu)超聲波-紫外線協(xié)同殺菌條件為：超聲頻率20 kHz，功率500 W；紫外線照射劑量30 mJ/cm2，殺菌時(shí)間10 s。

2.3 超聲波紫外線殺菌器設(shè)計(jì)及對(duì)天然源水處理結(jié)果及分析

根據(jù)2.1、2.2研究結(jié)果，結(jié)合上海交通大學(xué)研制的超聲波換能器，研發(fā)了超聲波紫外線殺菌器，其設(shè)計(jì)如圖1，外觀圖見圖2，技術(shù)指標(biāo)見表5。

圖1 超聲波紫外線殺菌器設(shè)計(jì)圖Fig.1 Designation of ultrasonic-UV sterilizer

圖2 超聲波紫外線殺菌器外觀圖Fig.2 Exterior of ultrasonic-uv sterilizer

按圖1設(shè)計(jì)的超聲波紫外線殺菌器應(yīng)用于飲用天然水源水處理過程中，超聲波殺菌器設(shè)置參數(shù)為：超聲頻率20 kHz，超聲功率500 W，紫外線照射劑量為30 mJ/cm2，根據(jù)1.2.4的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)試，所得三次結(jié)果平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表6。

表5 超聲波紫外線殺菌器技術(shù)指標(biāo)

表6 超聲波紫外線殺菌器的殺菌效果

由表6可以看出：使用設(shè)計(jì)的超聲波紫外線殺菌器對(duì)飲用天然水源水細(xì)菌98.5%以上的殺菌率，對(duì)霉菌及酵母菌也有明顯的殺菌效果。

2.4 超聲波紫外線聯(lián)合臭氧殺菌效果與單一臭氧殺菌效果比較

超聲波殺菌器設(shè)置參數(shù)為：超聲頻率20 kHz，超聲功率500 W超聲頻率，紫外線照射劑量為30 mJ/cm2，殺菌時(shí)間10 s,根據(jù)1.2.5的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)試，由于天然源水中未檢出大腸菌群，因此只比較總細(xì)菌去除率、霉菌及酵母菌去除率及生成溴酸鹽含量，所得三次結(jié)果平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表7。

表7 超聲波紫外線聯(lián)合低濃度臭氧殺菌效果與高濃度臭氧殺菌效果比較

將超聲波紫外線協(xié)同臭氧殺菌技術(shù)聯(lián)合使用與單一臭氧殺菌進(jìn)行比較，協(xié)同殺菌技術(shù)使用臭氧濃度0.10 mg/L時(shí)殺菌效果優(yōu)于單一0.30 mg/L臭氧的殺菌效果，且溴酸鹽濃度低于0.005 mg/L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論與討論

通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，可以得出最優(yōu)超聲波-紫外線協(xié)同殺菌條件為：超聲頻率20 kHz，功率500 W；紫外線照射劑量30 mJ/cm2，殺菌時(shí)間10 s。

使用設(shè)計(jì)的超聲波紫外線殺菌器應(yīng)用于飲用天然水源水處理過程中，超聲波殺菌器設(shè)置參數(shù)為：超聲頻率20 kHz，超聲功率500 W，紫外線照射劑量為30 mJ/cm2，殺菌時(shí)間10 s，對(duì)飲用天然水源水細(xì)菌98.5%以上的殺菌率，對(duì)霉菌及酵母菌也有明顯的殺菌效果。

將超聲波紫外線協(xié)同臭氧殺菌技術(shù)聯(lián)合使用與單一臭氧殺菌進(jìn)行比較，協(xié)同殺菌技術(shù)使用臭氧濃度0.10 mg/L時(shí)殺菌效果優(yōu)于單一0.30 mg/L臭氧的殺菌效果，且溴酸鹽濃度低于0.005 mg/L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。超聲波紫外線協(xié)同低濃度臭氧殺菌的飲用水殺菌技術(shù)可替代單一的臭氧殺菌技術(shù)，既達(dá)到殺菌效果，又可降低溴酸鹽風(fēng)險(xiǎn)，確保產(chǎn)品的高品質(zhì)。

本課題將繼續(xù)探討，超聲波紫外線協(xié)同技術(shù)在天然源水絮凝、活性炭再生等方面的作用效果，形成超聲波紫外線及其他技術(shù)相結(jié)合完整的、全面的天然源水處理技術(shù)方案。

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Research of the application of synergistic ultrasonic-ultraviolet sterilization technology on drinkable natural water

WU Mu-sheng,LI Ai-mei,JIANG Xin-hui,LI Jie-xuan,LI Chong-lin

(Guangdong Dinghu Mountain Spring Water Co.,Ltd.,Zhaoqing 526070,China)

The synergistic sterilization technology of ultrasonic-ultraviolet for drinkable natural water was investigated in this paper,which was applied in actual production. Through experiments and data analysis,the best sterilizing effect for ultrasonic-UV synchronizing was under the condition that the frequency of ultrasonic was 20 kHz with the power of 500 W,and the exposure dose of UV was 30 mJ/cm2with the exposure period of 10 seconds. With the ultrasonic-UV sterilizing device running on water treatment for nearly 1 year,significant sterilizing effect was achieved by using the ultrasonic-UV combined device on water source treatment. Compared to the traditional single treatment of 0.3 mg/L O3sterilizing,the ultrasonic-UV synchronizing technology combined with the 0.1 mg/L O3sterilizing treatment,achieved more significant effect and an outstanding data with the bromate density lower than 0.005 mg/L,which meets national standard. In general,the synchronized ultrasonic-UV sterilizing technology for drinkable water was an alternative solution for the single way of O3sterilizing method,it not only achieved sterilizing effect,lowered bromate contamination risk,but also assured the quality of drinkable water product.

ultrasonic wave;ultraviolet;synergistic sterilization

2015-05-06

吳木生(1957-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：飲用水生產(chǎn)及水處理技術(shù)，E-mail：dhsq@dinghu.com。

TS201.1

A

1002-0306(2015)15-0126-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.019