污水紫外消毒微生物光復(fù)活原理及其控制技術(shù)

    【摘要】紫外消毒技術(shù)因其具有操作簡單、無有害副產(chǎn)物、經(jīng)濟等優(yōu)勢,在污水處理中越來越廣泛被應(yīng)用.但其無剩余消毒能力,微生物在光照條件下進行修復(fù)而實現(xiàn)復(fù)活,從而導(dǎo)致出水微生物數(shù)量增多.綜述了國內(nèi)外紫外消毒出現(xiàn)的光復(fù)活現(xiàn)象,闡述了污水紫外消毒微生物光復(fù)活原理和控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞 紫外線 消毒 微生物 光復(fù)活

1 概述

    作為氯消毒的替代方法，紫外線消毒技術(shù)在歐美國家的水處理工藝中被廣泛應(yīng)用，在我國的成都*污水處理廠、上海閔行污水處理廠和浙江義烏污水處理廠等也有應(yīng)用。從已有的實踐結(jié)果來看，污水紫外線消毒技術(shù)可行，不產(chǎn)生有害消毒副產(chǎn)物（三氯甲烷以及其他一些氯化有機物），對受納水體也無生物毒副作用。而且，紫外線消毒技術(shù)還具備無需儲備危險性化學(xué)物質(zhì)、消毒工藝操作簡單、接觸時間短、滅活病毒等優(yōu)點。但是，紫外線消毒不能提供剩余消毒能力，由于微生物具有自身修復(fù)機制，消毒后的出水微生物發(fā)生光復(fù)活，在適宜的環(huán)境下增殖，從而導(dǎo)致出水微生物指標不能達到排放要求或會用要求。紫外線消毒的微生物光復(fù)活問題已成為紫外線消毒技術(shù)研究的熱點之一。

2 紫外線消毒后微生物的光復(fù)活 

2.1 紫外線消毒原理

    污水紫外線消毒采用的是C波段紫外線，波長為200~275nm。紫外線是一種肉眼看不見的光波，存在于光譜紫射線端的外側(cè)，故稱紫外線。紫外線系來自太陽輻射電磁波之一，物質(zhì)運行的一種特殊形式，是一粒粒不連接的粒子流。每一粒波長253.7nm的紫外線光子具有4.9eV的能量。當紫外線照射到微生物時，便發(fā)生能量的傳遞和積累，積累結(jié)果造成微生物的滅活，從而達到消毒的目的。當細菌、病毒吸收超過3600~65000uW/c㎡劑量時，對細菌、病毒的去氧核醣核酸（DNA）及核醣核酸（RNA）具有強大破壞力，能使細菌、病毒喪失生存力及繁殖力進而消滅細菌、病毒，達到消毒滅菌成效。紫外線一方面可使核酸突變、阻礙其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄封鎖及蛋白質(zhì)的合成；另一方面，產(chǎn)生自由基可引起光電離，從而導(dǎo)致細胞的死亡。

    細胞繁殖時，DNA中的長鏈打開，打開后每條長鏈長的A單元會尋找T單元連合，每條長鏈都可復(fù)制出與剛分離的另一條長鏈同樣的鏈條，恢復(fù)原來分裂前的完整DNA，成為新生細胞的基礎(chǔ)。波長在240-270nm的紫外線能打破DNA蛋白質(zhì)及復(fù)制的能力。細菌病毒的DNA，RNA受破壞后其蛋白質(zhì)的能力和繁殖能力均已喪失。因細菌，病毒一般生命周期很短，不能繁殖的細菌，病毒就會迅速死亡。

2.2 微生物光復(fù)活及其原理

    自然界中的生物修復(fù)作用普遍存在。微生物光復(fù)活是指在可見光的照射下，微生物利用自身的光復(fù)活機制對紫外線損傷進行逆轉(zhuǎn)，主要通過3種途徑：一是在光復(fù)活酶的作用下，在藍紫光波波長為310~480nm的光照條件下，連接在一起的可以逆轉(zhuǎn)的光產(chǎn)物嘧啶二聚體而形成單體，使DNA恢復(fù)復(fù)制能力；二是用未損傷的核苷酸取代嘧啶二聚體，使DNA恢復(fù)正常功能和結(jié)構(gòu)；三是細胞在DNA復(fù)制時將損傷部位忽略和繞過，通過切割修復(fù)和重組修復(fù)從基因組中除去這種光化學(xué)產(chǎn)物，即向環(huán)丁烷型嘧啶二聚體轉(zhuǎn)移一個電子，使其裂解，從而恢復(fù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。

    紫外線屬于物理瞬間消毒技術(shù)，在水體不受污染的條件下可以一直保持無菌狀態(tài)，當處理后出水離開消毒反應(yīng)器后，一些被紫外線殺傷的微生物在可見光照射下會修復(fù)損傷的分子，使細菌再生。有些細菌再無光的條件下，也可進行自身修復(fù)，即暗復(fù)活。據(jù)目前的研究結(jié)果，光復(fù)活是大部分微生物修復(fù)的主要途徑，也是主要控制目標。SHABAN等在研究E.coli、S.aureus和大腸桿菌噬菌體的紫外消毒效果時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外線消毒后的微生物復(fù)活已光復(fù)活為主，不存在暗復(fù)活的作用。

    在污水紫外線消毒過程中，微生物自身修復(fù)作用會使出水的微生物數(shù)量偏高，因此在污水紫外線消毒器的設(shè)計和運行中應(yīng)充分考慮到光復(fù)活帶來的問題，并且要進行人為干預(yù)控制。

2.3 紫外線消毒后微生物光復(fù)活影響因素

2.3.1 微生物種類及結(jié)構(gòu)

    水處理中的微生物種類很多，不同種類的微生物具有不同的修復(fù)能力。有些微生物在光照射下，可以利用自身的修復(fù)機制將嘧啶二聚體形成單體，從而實現(xiàn)DNA復(fù)制，如大部分大腸桿菌、假單胞菌、鏈球菌、藻青菌銅綠微囊藻等；而有些微生物不存在恢復(fù)復(fù)制的能力，經(jīng)紫外線消毒后即致死。ABDENNACEUR等采用紫外線消毒技術(shù)對污水中的不同種類微生物進行消毒后見光處理，研究發(fā)現(xiàn)P.aeruginosa ATCC 15442、P.aeruginosa ATCC 15442 mutant ml和E.hirae ATCC 10541不存在光復(fù)活能力。

    有些微生物在低壓、中壓紫外線燈消毒后，會在短時間內(nèi)實現(xiàn)復(fù)活；而有些微生物在中壓紫外線燈消毒后光復(fù)活就會被抑制。KUMIKO等研究發(fā)現(xiàn)，肺軍團桿菌在中壓、低壓紫外線燈管照射下，滅活率為3.0log，之后在熒光燈照射1h后滅活率僅為0.4~0.5log；然而，大腸桿菌在中壓、低壓紫外線燈管照射下達到相同滅活率時，再在熒光燈照射3h后滅活率分別為1.2.3.log。因此，不同種類的微生物復(fù)活情況不同，對一些常見的致病性微生物的復(fù)活能力進行研究。

    相同微生物由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，對紫外線照射的抗力不同，其光復(fù)活情況也有所差別。TOSA等研究發(fā)現(xiàn)，血清類型分別為O157：H7和O26的大腸桿菌可以觀察光復(fù)活現(xiàn)象，即O157：H7對紫外線的抵抗力要弱于O25。

2.3.2 復(fù)活光照波長及強度

    可見光的波長一般為380~780nm。而研究認為在光照波長為330~480nm時具有較強的復(fù)活能力。光照不同即光源與微生物的距離不同時，水中微生物所接受到的光強不同，光強對微生物的光復(fù)活也有一定影響。LILTVED等研究發(fā)現(xiàn)，對于經(jīng)紫外線消毒滅活后的A.salmonicida，在可見光光強分別為150、I 500 Ix照射下，其復(fù)活率不同，前者在復(fù)活期間具有較長的延滯期，其zui大復(fù)活率也小于后者。可見經(jīng)紫外線消毒后的出水不宜在強光照射條件下排放。ZUZANA等研究了4種不同熒光燈和太陽光的照射下E.coli的光復(fù)活情況，研究結(jié)果表明燈的光強和光譜范圍對光復(fù)活影響zui大。

2.3.3 水質(zhì)特征

    微生物在適宜的水環(huán)境中，如合適的溫度、鹽度、酸堿度等，體內(nèi)修復(fù)更宜進行，微生物易發(fā)生復(fù)活。

    SALCEDO等研究了溫度對大腸桿菌的光復(fù)活和暗復(fù)活的影響，發(fā)現(xiàn)高溫（30℃）下大腸桿菌的復(fù)活率高于低溫（5℃）。CHAN等研究發(fā)現(xiàn)，E.coli在不同溫度下，其復(fù)活率差別較大，在30℃下其復(fù)活率zui大；鹽度越高，E.coli的復(fù)活率越低，在其滲透壓與水的滲透壓接近時，其復(fù)活率為44%，而在鹽度為3g/h的水中，E.coli的復(fù)活率降至zui低，為5%。

2.3.4 其他影響因素

    其他影響因素還包括紫外線燈管的種類、使用時間以及接受水體的水質(zhì)特征等。

3 紫外線消毒微生物光復(fù)活的控制技術(shù)

    紫外線消毒的微生物復(fù)活現(xiàn)象在水處理領(lǐng)域內(nèi)普遍存在，大部分指示性微生物（如大腸桿菌等）都具有一定程度復(fù)活功能，因此對微生物光復(fù)活現(xiàn)象的控制是紫外線消毒效果的重要保證之一。因此對于采用紫外線消毒的污水處理廠來說，尋找到一種有效控制微生物光復(fù)活的方法來保證出水達標排放是非常必要的。

4 結(jié)語

（1）紫外線消毒工藝操作簡單，無二次污染，是水處理消毒過程中一種很有潛力的技術(shù)，但是在設(shè)計和應(yīng)用紫外線消毒技術(shù)時，需要考慮有效的微生物光復(fù)活的控制技術(shù)。

（2）微生物復(fù)活現(xiàn)象在水處理中普遍存在，大部分指示性微生物均具有復(fù)活能力，光修復(fù)是微生物實現(xiàn)自身修復(fù)的主要機制。

（3）不同的微生物在不同的光照、水質(zhì)和排放條件下復(fù)活的情況差異較大，因此有必要對待排放污水中的致病微生物的光復(fù)活進行深入研究。

（4）微生物的復(fù)活對消毒效果有一定的影響，采用增加消毒劑量、控制排放條件、與其他化學(xué)藥劑聯(lián)合消毒均可控制微生物復(fù)活現(xiàn)象，但實際應(yīng)用還需進一步研究探索。