超声波紫外线协同杀菌技术在饮用天然水除菌中的应用研究

吴木生，李爱梅，姜新慧，李洁璇，李崇林

(广东鼎湖山泉有限公司，广东肇庆 526070)

超声波紫外线协同杀菌技术在饮用天然水除菌中的应用研究

吴木生，李爱梅，姜新慧，李洁璇，李崇林

(广东鼎湖山泉有限公司，广东肇庆 526070)

研究了超声紫外协同杀菌的饮用天然水杀菌工艺，将超声波紫外线灭菌器应用于山泉水处理中，经过近1年运行。得出最优超声波-紫外线协同杀菌条件为：超声频率20 kHz，功率500 W；紫外线照射剂量30 mJ/cm2，杀菌时间10 s。超声波紫外线杀菌器对水源水有很明显的杀菌效果。将超声波紫外线协同杀菌与臭氧杀菌技术联合使用与单一臭氧杀菌进行比较，协同杀菌技术使用臭氧浓度0.10 mg/L时杀菌效果优于单一0.30 mg/L臭氧杀菌效果，且溴酸盐浓度低于0.005 mg/L，符合国家标准。超声波紫外线协同低浓度臭氧的饮用水杀菌技术可替代单一的臭氧杀菌技术，既能达到杀菌效果，又可降低溴酸盐风险，确保产品的高品质。

超声波，紫外线，协同杀菌

2015年4月2日，国务院发布“关于印发《水污染防治行动计划》”的通知，通过有效途径加大水污染防治力度，应对日益严峻的水环境形势，保障饮用水安全，有效去除源水中的有机污染物、微生物成为饮用水处理面临的首要问题。从70年代开始，出现了活性炭吸附[1-3]，臭氧氧化[4]，光催化氧化[5]，膜分离技术[6-7]等深度水处理技术。这些技术可深度处理天然源水中的悬浮物、有机物、微生物，但会带来负影响。例如，臭氧能将溴离子氧化成有机溴化物、溴酸盐等，溴酸根是可能性致癌物，严重危害人体健康[8]。国内外的研究和实际生产表明，常规饮用水处理杀菌工艺已不能与现有的水质标准相适应。

超声波协同紫外线的饮用水杀菌技术，机制是超声辐照产生“空化效应”，使液体中产生空化泡，空化泡崩溃形成微射流及高速剪切力，可使细菌细胞结构产生物理损伤，致其死亡；同时超声波产生的微射流可防止紫外灯套管外部结垢，提高紫外线杀菌效果；超声波和臭氧联合使用时，可使臭氧充分分散和溶解，强化传质效应和引发更多的高活性氧化基团OH、提高氧化剂利用率和处理能力，减少臭氧使用量和溴酸盐生成量，有效提高单一臭氧杀菌技术效果，可部分或全部替代臭氧杀菌技术[9-10]。本文主要研究超声波频率、功率、紫外线照射剂量、时间等工艺条件对饮用水杀菌效果的影响，并将超声波-紫外线联合臭氧杀菌技术与单一臭氧杀菌进行比较，验证杀菌效果及溴酸盐生产量，验证超声波紫外线协同杀菌技术在饮用天然源水杀菌方面的作用效果。

表2 超声波-紫外线组合杀菌实验表

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

饮用天然源水 广东鼎湖山泉有限公司。

EL-104电子分析天平 梅特勒-托利多上海仪器有限公司；HH-4数控恒温水浴锅 金坛市宏华仪器厂；SHB-D1III循环式真空泵 郑州长城科工贸有限公司；722s可见分光光度计 上海精科仪器有限公司；手提式压力蒸汽无菌器 上海华线压用核子仪器有限公司；恒温培养箱 海一恒科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验水样配制 取自广东鼎湖山泉有限公司的天然源水，为了验证杀菌效果，培养混合微生物(主要含细菌、霉菌及酵母菌)添加到源水中，形成人为污染的水样。每组实验过程中，同步检测污染水样中细菌总数、大肠菌群、霉菌及酵母菌。本研究细菌总数检验方法为GB4789的平板法，大肠菌群检测方法为GB4789的多管发酵法，霉菌和酵母菌检验方法为GB4789的平板法。

1.2.2 超声波最佳功率和频率的选择 选取超声波频率15、20、25 kHz，功率400、500、600 W，杀菌时间20 s，水样量200 L的两因素三水平实验方案，每组实验平行三次，建立以这些参数为因素的协同杀菌效果量化模型，具体实验参数设置见表1。

表1 超声波杀菌最佳功率、频率的实验表

1.2.3 超声波、紫外线协同杀菌条件的优化 以1.2.2得出的最佳超声波频率和功率组合，配合紫外线照射剂量20、30、40 mJ/cm2，限于实际生产的制约(最长杀菌时间为15s)设置紫外杀菌时间分别为5、10、15 s，水样量为200 L，探究超声波-紫外线组合对水样杀菌效果的影响，每组实验平行三次，具体实验参数设置见表2。

1.2.4 超声波紫外线杀菌器在天然水生产过程中杀菌效果 基于1.2.3的实验结果，设计超声波紫外线杀菌器，并分别在平水期(每年2月至5月)、丰水期(每年6月至10月)和枯水期(每年11月至次年2月)不同的两个月份内，将其应用于天然水源水处理，具体方法为：取200 L天然水，经过设定参数的超声波紫外线杀菌器，通过检测杀菌前后水样中细菌总数、大肠菌群、霉菌及酵母菌的变化(每组实验平行三次)，判断超声波紫外线杀菌器对天然水水源杀菌效果。

1.2.5 超声波紫外线联合臭氧协同杀菌效果与单一臭氧杀菌效果比较 饮用天然水实际生产现状，使用浓度为0.3～0.5 mg/L的臭氧进行杀菌处理。饮用天然源水经过超声波紫外线杀菌器时分别通入低浓度的臭氧使混合水样臭氧浓度0.1、0.15、0.2 mg/L的处理，与直接通入高浓度臭氧是混合水样臭氧浓度0.3、0.4、0.5 mg/L处理的饮用天然水源水进行杀菌效果比较，通过计算杀菌前后水样细菌总数、大肠菌群、霉菌及酵母菌的杀菌率以及生成溴酸盐的量(每组实验平行三次)，判断超声波紫外线协同杀菌技术与单一臭氧杀菌技术的差异性。

2 结果及分析

2.1 超声波杀菌最佳功率、频率选择试验结果及分析

按照1.2.2的方法，将三次结果的平均值作为实验结果得出超声波对源水处理的最佳功率、频率，其结果见表3。

表3 超声波杀菌最佳功率、频率的实验结果

实验结果可得出：随着超声波功率变大，频率增强其杀菌效果明显增强，当频率为20 kHz功率500 W(实验5)时大肠杆菌<3 MPN/100 mL，其细菌、大肠杆菌、霉菌及酵母菌都已经杀灭完全，继续增大频率和功率，造成资源的浪费，最佳超声条件为：超声频率20 kHz，功率500 W。

2.2 超声波-紫外线组合杀菌条件研究结果及分析

按照1.2.3的方法，将三次结果的平均值作为实验结果得出超声波-紫外线组合杀菌的最优条件，其结果见表4。

表4 超声波-紫外线组合杀菌实验结果

由表4可以看出：在最佳超声波条件下，随着紫外线照射剂量增加、杀菌时间的增长其杀菌效果明显增强，当频率为紫外线照射剂量为30 cm2，杀菌时间10 s(实验5)时其细菌、霉菌及酵母菌都已经杀灭完全，大肠杆菌<3 MPN/100 mL而继续增大频率和功率，造成资源的浪费，因此最优超声波-紫外线协同杀菌条件为：超声频率20 kHz，功率500 W；紫外线照射剂量30 mJ/cm2，杀菌时间10 s。

2.3 超声波紫外线杀菌器设计及对天然源水处理结果及分析

根据2.1、2.2研究结果，结合上海交通大学研制的超声波换能器，研发了超声波紫外线杀菌器，其设计如图1，外观图见图2，技术指标见表5。

图1 超声波紫外线杀菌器设计图Fig.1 Designation of ultrasonic-UV sterilizer

图2 超声波紫外线杀菌器外观图Fig.2 Exterior of ultrasonic-uv sterilizer

按图1设计的超声波紫外线杀菌器应用于饮用天然水源水处理过程中，超声波杀菌器设置参数为：超声频率20 kHz，超声功率500 W，紫外线照射剂量为30 mJ/cm2，根据1.2.4的实验步骤进行测试，所得三次结果平均值作为实验结果，见表6。

表5 超声波紫外线杀菌器技术指标

表6 超声波紫外线杀菌器的杀菌效果

由表6可以看出：使用设计的超声波紫外线杀菌器对饮用天然水源水细菌98.5%以上的杀菌率，对霉菌及酵母菌也有明显的杀菌效果。

2.4 超声波紫外线联合臭氧杀菌效果与单一臭氧杀菌效果比较

超声波杀菌器设置参数为：超声频率20 kHz，超声功率500 W超声频率，紫外线照射剂量为30 mJ/cm2，杀菌时间10 s,根据1.2.5的实验步骤进行测试，由于天然源水中未检出大肠菌群，因此只比较总细菌去除率、霉菌及酵母菌去除率及生成溴酸盐含量，所得三次结果平均值作为实验结果，见表7。

表7 超声波紫外线联合低浓度臭氧杀菌效果与高浓度臭氧杀菌效果比较

将超声波紫外线协同臭氧杀菌技术联合使用与单一臭氧杀菌进行比较，协同杀菌技术使用臭氧浓度0.10 mg/L时杀菌效果优于单一0.30 mg/L臭氧的杀菌效果，且溴酸盐浓度低于0.005 mg/L，符合国家标准。

3 结论与讨论

通过实验与数据分析，可以得出最优超声波-紫外线协同杀菌条件为：超声频率20 kHz，功率500 W；紫外线照射剂量30 mJ/cm2，杀菌时间10 s。

使用设计的超声波紫外线杀菌器应用于饮用天然水源水处理过程中，超声波杀菌器设置参数为：超声频率20 kHz，超声功率500 W，紫外线照射剂量为30 mJ/cm2，杀菌时间10 s，对饮用天然水源水细菌98.5%以上的杀菌率，对霉菌及酵母菌也有明显的杀菌效果。

将超声波紫外线协同臭氧杀菌技术联合使用与单一臭氧杀菌进行比较，协同杀菌技术使用臭氧浓度0.10 mg/L时杀菌效果优于单一0.30 mg/L臭氧的杀菌效果，且溴酸盐浓度低于0.005 mg/L，符合国家标准。超声波紫外线协同低浓度臭氧杀菌的饮用水杀菌技术可替代单一的臭氧杀菌技术，既达到杀菌效果，又可降低溴酸盐风险，确保产品的高品质。

本课题将继续探讨，超声波紫外线协同技术在天然源水絮凝、活性炭再生等方面的作用效果，形成超声波紫外线及其他技术相结合完整的、全面的天然源水处理技术方案。

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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

吴木生(1957-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：饮用水生产及水处理技术，E-mail：dhsq@dinghu.com。

TS201.1

A

1002-0306(2015)15-0126-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.019