消毒Disinfection

1、消毒 (disinfection)aquacultural engineeringw -162021/10/23ae - disinfection2水產(chǎn)養(yǎng)殖對消毒之需求水產(chǎn)養(yǎng)殖對消毒之需求 在於控制疾病與掠食者， 控制程度之需求視養(yǎng)殖密度及投資費用而定。 密閉系統(tǒng)養(yǎng)殖密度高及水循環(huán)再利用，必需較高程度之消毒處理。 2021/10/23ae - disinfection3致病生物之特性致病生物之特性 致病生物包括細菌、病毒及其它單細胞生物， 可能呈活性體或孢子狀態(tài)。 消毒處理必需能控制對養(yǎng)殖生物有害或?qū)οM者有害之生物。 2021/10/23ae - disinfection4消毒方法消毒方法

2、包括包括 加熱、 紫外線或 化學藥劑。 化學方法包括 加氯及 臭氧或 其他藥劑 2021/10/23ae - disinfection5殺菌動力學殺菌動力學 殺菌速率方程式 dn/dt = - kn (14-1) dn/dt = 微生物消滅速率；k = 速率常數(shù)；n = 活性微生物數(shù) ln (n1/no) = - kt (14-2) no = 起始活性微生物數(shù)；n1 = 時間 t 時之活性微生物數(shù)10為底表示時t = (2.3/k) log(no/n1) (14.3) 2021/10/23ae - disinfection6影響殺菌速率之因素影響殺菌速率之因素 速率常數(shù) k (equation

3、 14.3)為 ph、水溫、消毒劑濃度及環(huán)境條件。 以一消毒劑濃度處理達某一消毒效率所需時間 t cdisn = k1 (14.4) t = 需求時間；k1 = 常數(shù)；cdis = 消毒濃度；n = 稀釋係數(shù)ln t + n ln cdis = lnk1ln t = k2 - n ln cdis (14.5) 2021/10/23ae - disinfection7n 值之影響因素值之影響因素 n值因 病菌種類、 消毒劑種類及 環(huán)境條件而異。 n值大於1表示消毒劑濃度對消毒效率之影響很大； n小於1表示接觸時間對消毒效率之影響較大。 n近於1表示兩者之影響力相當。 2021/10/23ae -

4、 disinfection8 若殺菌百分比已知，則 equation 14.3 可簡化為 14.6. 式 t = k3/k (14.6) k3 = 常數(shù) k = (k3/k1)cndis = k4cndis (14.7) k1, k3, and k4 為常數(shù), k 為速率常數(shù) k1:由 14.5 式(i.e., k2 = ln k1)圖形決定，k3: 由滅菌百分比及14.3式?jīng)Q定(k3 = 2.3 (log(no/n1) 2021/10/23ae - disinfection9溫度之影響溫度之影響 arhenius work: k = k5e-h/rt (14-8) k5 = 常數(shù)；h = 活

5、化能(cal); r = 氣體常數(shù) (1.99 cal/oc); t = 絕溫度(ok) log k = log k5 (0.434h/r) (1/t) (14.9) 由k versus 1/t 之雙對數(shù)圖可估算 k5 及 h 值。 2021/10/23ae - disinfection10chlorination (加氯消毒) 氯消毒劑之類型包括 氯氣 (cl2)、 次氯酸鹽 (ocl-)， 氯氣於水中溶解度高 7160 mg/liter at 20 and 1.013 105 pa pressure (rich, 1963). 2021/10/23ae - disinfection11氯之

6、化學反應 溶於水cl2 + h2o hocl + h+ + cl- (14.10) hocl ocl- + h+ (14.11) ca(ocl)2 ca2+ + 2ocl- (14-12) 與氨作用nh3 + hocl nh2cl + h2o (14.13) nh3 + 2hocl nhcl2+ 2h2o (14.14) nh3 + 3hocl nc13 + 3h2o (14.15) 2021/10/23ae - disinfection122021/10/23ae - disinfection13餘氯餘氯 (residual chlorine) 包括 自由餘氯：hocl、ocl- (毒性較強

7、，衰減速率較快)及 結(jié)合餘氯 - 氯氨(毒性較低，不易衰減)。 2021/10/23ae - disinfection14折點加氯消毒曲線 1 2:氯與還原性物質(zhì)反應2 3:生成氯氨。 3 :開始生成自由餘氯於 3點上:自由餘氯濃度升高使氯氨完全氧化為三氯氨 (i.e., ncl3)、n2、n2o3 - 4 :氯氨完全氧化 4 :達臨界點4 以後：餘氯由不易分解之氯氨及自由餘氯組成。 2021/10/23ae - disinfection15氯消毒速率方程式：rich (1963) dn/dt = - knt (14.16) (dn/n) = - ktdtln(n1/n0) = - (1/2)

8、kt2ln(n0/n1) = 0.5 kt2t2 = (2/k) ln(n0/n1) t2 = (4.6/k) log (n0/n1)2021/10/23ae - disinfection16加氯消毒之缺點加氯消毒之缺點 氯對水生物有毒 (table 14.1)；需相當長接觸時間才有效 liu et al.(1971): 在2 及 0.5 mg/liter 自由餘氯條件下，各種病毒欲達99.99 %失去活性，所需接觸時間為 2.7 - 120 min。 殘餘氯與氯氨之去除 可以活性碳吸附、 以還原劑(sodium thiosulfate、ferrous salts)中和或 曝氣去除。 2021

9、/10/23ae - disinfection172021/10/23ae - disinfection18加熱消毒 (heat) 提升至某一溫度並維持一定時間； 牛奶之消毒加溫至60 維持30 min 或 71.1 維持 15 s。 此法主要缺點為 需耗用能源及 養(yǎng)殖生物無法忍受消毒所需高溫， 消毒處理後水需再降溫。 2021/10/23ae - disinfection19紫外線紫外線 (ultraviolet light) uv之波長：150 - 4000 ， 能量為波長之函數(shù) e = hp(c/) (14.18)e = 單一量子之能量(ergs)； hp = planks consta

10、nt (6.62 10-27ergs)； c = 光速(3 1010cm/s)； = 射線波長(cm) uv殺菌能力為波長之函數(shù) (figure 14.3)， 最有效之波長為2600 ， 其他波長uv光之殺菌效率急速下降 2021/10/23ae - disinfection202021/10/23ae - disinfection21uv之殺菌機制之殺菌機制 uv與核酸之光化學交互作用為殺菌機制之一 2021/10/23ae - disinfection22uv殺菌動力學殺菌動力學 n1/no = e-k1it (14.19) kl = constant； i = uv 光強度(milliw

11、atts/cm2)； e = 自然對數(shù)基底 平均致死劑量(mean lethal dose)、lethal dose、lethal exposure、inactivation dose： 36.8% 殘存 (it = 1/k1時，n1/no = 0.368) 14.19式亦顯示殘存率為uv強度與曝露時間乘積之函數(shù)，但曝露時間必需大於大部分標的生物世代時間。 2021/10/23ae - disinfection23uv殺菌需求劑量 數(shù)據(jù)差異之原因在於 來源不同、 細胞色素、 細胞濃度、 細菌年齡等因素。 空氣中與水中uv殺菌效率有差異： 相同效率時，水中殺菌需求劑量為空氣中之 5 - 10 倍

12、 (phillips and hanel, 1960) 或40 - 50 倍 (general electric company, 1953) 2021/10/23ae - disinfection242021/10/23ae - disinfection252021/10/23ae - disinfection262021/10/23ae - disinfection272021/10/23ae - disinfection282021/10/23ae - disinfection292021/10/23ae - disinfection302021/10/23ae - disinfecti

13、on31uv於水中之透光率 uv 殺菌波長2600 左右 於水中之透光率相當高 (figure 14.6)， 於水中之傳輸率呈指數(shù)關(guān)係： tr/(1 rf) = e-ad (14.20) tr = 傳輸率(%)；e = 自然對數(shù)基底；a = 吸收係數(shù)(cm-1)； d = 水深(cm)； rf = 表面反射(decimal percentage) (for water this is 0.02)。 2021/10/23ae - disinfection32uv 射線吸收率係數(shù)射線吸收率係數(shù) 水樣之吸收率係數(shù)只能由實驗得知， 蒸餾水中， 波長2537 以上之uv射線之透光率良好， 小於 2537

14、 波長之uv射線於水中之吸收度相當高。 水中不純物明顯降低uv於水中之透光度， 海水、濁度 (浮游生物、細泥) 降低uv 透光度 2021/10/23ae - disinfection33uv燈泡 uv射線含量較高之燈泡幾乎皆含汞蒸氣， 調(diào)整燈泡中汞蒸氣壓、汞含量及汞之化學型態(tài)與放電電流條件，可加強某一特殊能量狀態(tài)轉(zhuǎn)換之機率(phillips and hanel, 1960)。 低壓汞蒸氣燈(53 - 267 pa)最常用，因其價格便宜，射線中95 % 集中於2537，與最具殺菌力作用波長 2600 很接近。 低壓汞蒸氣燈泡有三種型態(tài)：熱陰極燈泡、冷陰極燈泡、高強度殺菌燈。 2021/10/2

15、3ae - disinfection34uv消毒設(shè)備設(shè)計 uv 消毒單元可採用 懸掛系統(tǒng) (suspended system) 又分為是否採用反射器 uv 燈管懸掛於流水槽上 10 20 cm，水溫對燈管輸出效率之影響極微，燈管清潔容易。 用於清潔貝類，採用15 cm 燈管間距，及離水面15 cm。 沉浸系統(tǒng) (submerged system) 又分為燈管是否與水直接接觸2021/10/23ae - disinfection352021/10/23ae - disinfection362021/10/23ae - disinfection37uv消毒設(shè)備設(shè)計-2 沉浸系統(tǒng) (submerge

16、d system) 又分為燈管是否與水直接接觸 燈管置於uv可穿透之玻璃或石英管中，使uv 燈管不與水接觸，但uv射線可於水中為水吸收。 隔離管之作用在於使水溫對燈管之uv輸出量影響很小，燈管易於維修更換，可使用於壓力管線中。 隔離管與水接觸面，將有沉積物或生物膜覆蓋，必需定期清除。 沉浸式系統(tǒng)，uv燈管輸出之能量幾乎可全部吸收利用。2021/10/23ae - disinfection382021/10/23ae - disinfection39uv消毒系統(tǒng)設(shè)計步驟 決定殺滅標的生物所需之uv射線劑量。 就水中濁度調(diào)整所需之 uv劑量。 決定所需流量。 依e = hp(c/) (14.18)

17、計算uv吸收率90%以上時所需之水深。 供應所需劑量以處理所需流量時，所需uv燈管數(shù)目及型式。 設(shè)置擋板，以增加uv射線吸收率。 2021/10/23ae - disinfection402021/10/23ae - disinfection412021/10/23ae - disinfection42臭氧臭氧 (ozone) 氧分子受充分激發(fā) 分解成氧原子，這些原子氧碰撞形成臭氧。 氧分子之激發(fā) 經(jīng)過高壓電暈放電區(qū) 兩表面分開某一距離，在兩表面間之空間加一高電壓，使兩平行平面間產(chǎn)生一電流 空氣或純氧通過兩表面間之空間，氧分子受足夠之激發(fā)後可生成臭氧 或以1000 - 2000 uv射線照射2

18、021/10/23ae - disinfection43臭氧產(chǎn)量之影響因素臭氧產(chǎn)量之影響因素 兩表面之分開程度必需足夠 空氣間隙不可太大 氣體壓力需足夠 臭氧衰減分解速率受溫度影響， 溫度增加時，分解速率快速增加。 加入臭氧產(chǎn)生機之能量，約90%以熱型態(tài)散失。 電極表面之介電物質(zhì)需具高電阻與高熱傳導性。 常使用高電阻材料，以薄層型式組成，以克服傳熱問題。 2021/10/23ae - disinfection44臭氧產(chǎn)生機之電源臭氧產(chǎn)生機之電源 使用高頻電源， 臭氧產(chǎn)生機效率較高， 但電力損失增大。 最近發(fā)展出之固態(tài)元件， 於高頻操作時之電力損失已下降。 2021/10/23ae - disi

19、nfection452021/10/23ae - disinfection46臭氧產(chǎn)生機使用之氣體臭氧產(chǎn)生機使用之氣體 空氣或氧氣皆可， 生產(chǎn)等量臭氧時，使用純氧所消耗動力，為使用空氣者之一半以下。 氣體導入臭氧產(chǎn)生機前需先乾燥，以減少腐蝕。 2021/10/23ae - disinfection472021/10/23ae - disinfection48臭氧濃度臭氧濃度 臭氧產(chǎn)生機 輸出之臭氧濃度隨氣體流量之增加而降低。 大部分臭氧產(chǎn)生機產(chǎn)生之臭氧濃度 可達 0.5 - 10 % (重量比) (klein, 1975)， 但增加臭氧濃度時，效率急速下降 2021/10/23ae - dis

20、infection49臭氧之消毒效力臭氧之消毒效力 消毒效力為 接觸時間及藥劑量之函數(shù)， 與氯比較，其消毒效力受溫度及ph值之影響極小， 在ph 6 時比ph 8時效力稍高 臭氧之消毒效力為氯之兩倍。 以臭氧處理家庭廢水處理廠之放流水時， 生菌數(shù)對數(shù)值與臭氧濃度(0.5 - 10 mg/liter)成線性關(guān)係； 臭氧濃度增加時，bod、cod、氨、亞硝酸鹽、懸浮固體、濁度及色度濃度降低，硝酸鹽濃度增加 2021/10/23ae - disinfection50有機物之臭氧需求量有機物之臭氧需求量 臭氧可迅速地與有機物反應之物質(zhì) c=c雙鍵 c-c 複合鍵 c-n 鍵 酒精醚之c-h鍵 si-h

21、鍵 c-metal 鍵 2021/10/23ae - disinfection51無機物之臭氧消耗 鐵及錳氧化消耗臭氧 以臭氧處理: 淡水中鐵濃度由9.54 降為 0.07 mg/l 以氧處理時，鐵僅降為3.99 mg/liter (kjos et al., 1975)。 以臭氧處理: 錳由1.21 降為 0.05 mg/l 以氧處理時，錳由1.21 降為 0.71 mg/liter2021/10/23ae - disinfection52臭氧對人之毒性 致命(fatal)濃度為 11,000 ppm (vol.) for 0.1 min.； 20 ppm (vol.) for 1000 mi

22、n， 致毒濃度為 3000 ppm (vol.) for 0.1 min.； 4 ppm (vol.) for 1000 min. (nebel et al., 1975). 2021/10/23ae - disinfection53臭氧對水生物之毒性臭氧對水生物之毒性 養(yǎng)殖系統(tǒng)中可測知臭氧濃度對水生物皆有害。 對fathead minnows 之致命濃度為 0.2 - 0.3 ppm o3 臭氧處理水經(jīng)多種後續(xù)處理後，對牡蠣幼苗仍有毒 後續(xù)處理: 存放 4 weeks、氣瀑 1 week、經(jīng)真空抽氣過濾及加 20 mg/liter 螯合劑na-edta。 但以20-40 mesh 活性碳過濾處理可除去毒性 臭氧可去除紅潮生物 gymnodinium br