紫外殺菌燈技術與應用的發展

丁有生

(武漢職業技術學院，武漢 430074)

0 引言

紫外殺菌燈等紫外光源的發光原理是通過等離子體發光或者固體發光產生位于紫外波段的電滋波。在光生物學中，紫外線通常按波長分為長波、中波、短波三種。波長介于315～390 nm 的長波紫外線簡稱UVA，波長介于280～315 nm 的中波紫外線簡稱UVB，波長小于280 nm 的短波紫外線簡稱UVC。而在物理學中，紫外波段的電磁波分為以下區間:波長介于320～390 nm 的稱為近紫外，波長介于200～300 nm的為深紫外，波長介于100～200 nm 的為真空紫外，波長介于10～100 nm 的則稱為極紫外，如圖1所示。目前市場上銷售的紫外殺菌燈，大多數是利用低壓汞燈發出的254 nm 的短波紫外線(UVC)來進行消毒的，筆者也主要針對該種紫外殺菌燈進行介紹。

20 世紀70年v代開始，紫外殺菌技術逐步應用于污水處理、工業消毒等領域。90年v代隨著關鍵技術的突破，紫外殺菌憑借其特有的環保潔凈特性在歐美國家得到廣泛的應用。目前，西方國家已有約25%的工業和污水處理廠采用了紫外殺菌技術。我國在該技術的研究方面與國外相比有較大的差距，因此研究紫外殺菌技術的現狀及影響因素對用水安全性具有重要作用。

圖1 紫外波段電磁波在物理學和光生物學上的細分

1 紫外殺菌燈的作用機理

紫外光(UV)中只有UVA 和UVB 能透過臭氧保護層和大氣層到達地球表面，而殺菌作用最強的卻是UVC，所以一般利用紫外殺菌的技術稱為紫外線C 消毒技術。大量研究表明，就殺菌速度而言，UVC 處于微生物吸收峰的范圍之內，可在幾秒種之內通過破壞微生物的脫氧核糖核酸(DNA)結構殺死病毒和細菌;而UVA 和UVB 處于微生物吸收峰的范圍之外，所以殺菌速度很慢，屬于無效的紫外部分，如圖2 所示。

圖2 DNA 對紫外線的吸收

紫外線具有殺菌消毒作用主要是因為紫外輻射對微生物的核酸產生光化學危害，當微生物被紫外線照射時，細胞的核酸生物活性因吸收紫外線而改變，從而引起菌體內蛋白質和酶的合成障礙，導致結構發生變異，使微生物死亡。紫外線的殺菌作用原理與其核酸、蛋白質和酶的作用有關，短波紫外線能破壞細胞或病毒的核酸結構和功能。核酸的吸收光譜與低壓汞燈的殺菌作用光譜幾乎完全吻合，核酸中嘌呤和嘧啶對波長260 nm 的紫外線吸收力最強，波長254 nm的紫外線主要被蛋白質吸收。短波紫外線被核酸吸收后，紫外線破壞核酸分子結構，造成核酸或核蛋白分解變性，使之失去正常功能，造成細菌和病毒的死亡或變異。此外，紫外照射還能影響細菌和病毒中許多酶的活性，使其蛋白分子的結構和功能產生改變，影響蛋白質和核酸的代謝合成，亦可使細菌或病毒的毒性減弱，甚至死亡。

不同波長的紫外輻射殺菌效果有較大差異，如圖3 所示。相同波長下，紫外輻射對細菌的殺滅效果也與細菌存在的環境以及細菌是否存在變異體有直接的關系。

圖3 不同波長的紫外殺菌效果

低壓汞燈中的紫外線從玻璃管射出后，254 nm 的紫外線很容易被生物吸收，而185 nm 的紫外線與空氣作用可產生有強氧化作用的臭氧，能有效殺滅細菌。紫外輻射可以聚焦達到很高強度，在短時間內殺滅細菌和病毒。另外，紫外殺菌屬于純物理消毒方法，無二次污染。因此，紫外輻射對傷寒菌、赤痢菌、大腸菌、葡萄球狀菌、結核菌、枯草菌等有非常好的殺菌效果，由于對各種細菌均有殺傷力，所以紫外殺菌應用范圍極廣。

2 紫外殺菌技術的影響因素

紫外殺菌技術中影響紫外殺菌效率的因素比較復雜，研究紫外殺菌技術在應用上的限制因素，對經濟合理地選擇紫外劑量，保證紫外消毒系統的穩定性以及正確清洗等都有指導意義。

2.1 紫外殺菌效果與微生物種類的關系

不同的細菌種類對紫外線的吸收峰值不同。如DNA、大腸桿菌的最大吸收波長均為265 nm，而隱孢子菌、噬菌體的最大吸收波長分別為261 nm 和271 nm。因此所需的殺菌時間也應有所不同。當紫外輻射強度為3×104μW/cm2時，殺滅病毒及細菌、霉菌孢子、藻類細菌所需時間分別為0.1～1.0 s，1.0～8.0 s，5.0～40.0 s。新型紫外消毒系統的紫外線強度很容易達到(3～30)×104μW/cm2，甚至更高，因此能有效殺滅常見細菌、病毒、霉菌、藻類、孢子甚至原生動物。

紫外消毒技術與傳統飲用水消毒技術也有差別。紫外消毒技術與氯消毒的趨勢相反，氯消毒的優先性依次為病毒、細菌、原蟲;而紫外消毒的優先性為原蟲、細菌、病毒，即紫外線對病毒尤其是腺病毒和輪狀病毒的殺滅效果最差。當紫外輻射劑量為200 mJ/cm2時，只能殺滅1×104個/mL 的腺病毒，而世界飲用水紫外消毒的標準劑量為40 mJ/cm2，因此，最理想的飲用水消毒方式應是氯消毒與紫外消毒相結合。臭氧的殺菌選擇性比氯好，但由于受到濃度控制的限制而無法大劑量提供，故對孢子、藻類以及各種原生物的殺滅效果較差。

紫外殺菌設備在實際使用中的標準單位照射量和照度，是以紫外線在殺滅抗紫外光能力較強的菌種時所需的照射量為標準參考的，而對比較特殊的菌種，如黑曲霉和枯草芽孢桿菌，則需要更高殺菌標準的紫外殺菌設備。

2.2 紫外殺菌效果與紫外劑量的關系

紫外劑量是指達到一定的細菌滅活率時，需要特定波長紫外線的量。在水處理用紫外消毒中(紫外輻射均用254 nm 的UVC)，紫外劑量是影響殺菌效果的直接因素，紫外劑量越大，殺菌效果越好。紫外劑量可以表示為紫外線強度與照射時間的乘積。在紫外劑量充足的條件下，失活的病毒細菌不會復活，但劑量不足時，許多被紫外線照射失活的病毒細菌可通過光的協助作用修復自身被破壞的結構。在紫外劑量相同時，可采用高強度、短時間或低強度、長時間的照射方式，以達到殺菌目的。

通過大量紫外殺菌水處理實驗可得出，殺滅螺旋桿菌和腸桿菌所需的紫外劑量較小，殺滅孢子所需的紫外劑量較高。如殺滅1×104個/mL 的螺旋桿菌，所需紫外劑量30 mJ/cm2左右，而殺滅同樣數量的孢子，則需要70 mJ/cm2左右的紫外劑量。

2.3 紫外殺菌效果與水層厚度的關系

實驗表明，對于水流量不超過250 L/h 的管路，以30 W 的低壓汞燈對厚度1 cm 的水層滅菌時，滅菌效率可達到90%;對2 cm 厚水層的滅菌效率在73%;對3 cm 厚水層的滅菌效率為56%;對4 cm 厚水層滅菌效率則下降到40%。因此，在實驗流速條件下，紫外線有效殺菌的水層厚度不應超過2.2 cm。如果水中含有芽孢細菌，水層厚度應降至1.4 cm，水流量降至90 L/h。如果水中含有泥砂污物，則水層的有效厚度還應降低，否則達不到預期的殺菌效果。

3 紫外殺菌燈的應用

3.1 食品領域消毒

紫外殺菌燈在食品領域中的應用，多是對食品表面進行消毒，消毒后的食物具有更長的保質期，也有對飲料包裝材料的殺菌消毒。消毒所用的紫外光源主要是低壓汞燈。另一種紫外液體殺菌設施可提高消毒的均勻性和效率，該設備的水與紫外燈是隔離的，燈罩里面為紫外光源，然后將燈鑲入殺菌槽中，再接上電源構成一個整體。近些年出現的多燈組合方式的高輸出光源設備，使殺菌能力大大提升，如在殺菌槽中對枯草芽孢桿菌的殺滅能力已經達到了99.9%。殺菌能力的大幅度提升已經能實現應用中對液體進行流水作業消毒。

在食品工業中，保證加工場干凈整潔，需要對空氣進行消毒。空氣中的細菌一般會依附在灰塵與空氣中的小水滴上，也會依附在人們的衣服、毛發上等。現在使用的空氣殺菌消毒設備主要是懸于生產車間頂端的中間有通風槽的空氣殺菌消毒器，利用空氣的自然對流進行消毒。考慮到紫外線對人體的影響，將光源內置于消毒器盒內，并將消毒設備放置在通道旁邊，用風扇使空氣循環。

3.2 水處理

紫外殺菌燈在水處理方面的應用非常廣泛。在水處理應用中，不僅用到了紫外燈的消毒殺菌作用，還用到了它的光催化反應原理，即光催化產生羥基礦化降解和殺菌。254 nm 和365 nm 這兩種波長的紫外燈現都已成功用于光催化反應的應用中。其中254 nm的紫外燈就是常見的殺菌燈，而365 nm 譜線的燈，通常采用專用的黑色透紫外玻璃，也可采用石英玻璃并涂覆365 nm 紫光粉。采用石英材料的透光率要高，但其成本也相應增加。一般在水處理中通常使用254 nm 輻射的紫外線燈。

3.3 空氣凈化

一般對流動的空氣進行殺菌，只能使用紫外線、過濾、靜電除塵除菌裝置。其中過濾是通過細小的孔洞把細菌、病毒過濾除掉，這種過濾裝置很容易造成風阻，造價也很高，只能在某些高檔場所運用，如飛機上。靜電除菌是通過靜電吸附后達到殺菌目的，在風流量較大的風口，無法達到很高的殺菌率。而紫外線是以輻射紫外線光波的形式來殺菌，它能透過空氣，只要被紫外線照射到就可對細菌和病毒進行殺滅。此外，紫外殺菌燈的光催化原理已被成功用于空氣凈化，目前在市場上看到的光催化空氣凈化器就是利用該原理。

4 紫外殺菌燈目前存在的問題

當紫外處理過的水離開反應器之后，一些被紫外線殺傷的微生物在光復活機制下會修復損傷的DNA分子，使細菌再生。紫外殺菌燈目前無法抑制光復活現象的發生。因此，要進一步研究微生物光復活的原理與條件，確定避免光復活發生的最小紫外線照射強度、照射時間及紫外劑量。

紫外殺菌燈石英管表面的污垢會影響紫外線的穿透力，從而影響殺菌效果。在應用中，當水流經紫外線消毒系統時，無機雜質會沉淀、粘附在石英套管外壁上，尤其當水中有機物含量較高時很容易形成污垢膜，在此基礎上微生物容易生長形成生物膜，這些都會影響殺菌效果。因此，要根據水質采取合理的防結垢措施和清洗裝置，或者開發研制具有自動清洗功能的紫外消毒系統。

目前國產紫外燈的有效壽命一般為1 000～3 000 h，而進口的低壓高能燈管使用時間可達8 000～12 000 h，中壓燈管可達5 000～6 000 h，使用國產燈管會增加維修費用。因此，研制使用壽命長的紫外燈或引進國外先進的紫外燈生產技術，是目前亟待解決的問題。

5 小 結

紫外殺菌技術具有殺菌效率高，不產生有毒害的副產物，系統運行安全，設備維修簡單，投資及運行維修費用低等特點。紫外殺菌技術從出現至今一直在不斷發展，紫外線光源的高效率與應用性強使紫外殺菌設備成為食品加工廠與制藥廠不可或缺的殺菌設備。紫外殺菌燈的發展應用還有極大的擴展空間，脈沖氙燈殺菌儀的出現，為更多領域利用紫外殺菌提供了很好的思路。隨著技術的日趨完善，紫外殺菌的應用前景將更加廣闊。

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