微波紫外殺菌在污水回用中的應(yīng)用

微波紫外殺菌在污水回用中的應(yīng)用

近年來(lái)，廢水回用在中國(guó)發(fā)展迅速。廢水不僅用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)，也用于城市景觀水體。荊州作為旅游名城,其城南污水處理廠污水經(jīng)二級(jí)處理后排入荊州古城護(hù)城河作為景觀水,其水質(zhì)主要是細(xì)菌不符合再生回用水景觀水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),本次試驗(yàn)采用微波/紫外殺菌工藝,研究了微波功率﹑無(wú)極紫外燈根數(shù)﹑反應(yīng)時(shí)間對(duì)殺菌效果的影響。通過(guò)試驗(yàn)殺菌效果以找到一種最佳運(yùn)行參數(shù)。1無(wú)菌原理1.1微波熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)的共同作用微波是一種頻率為300MHz-300GHz,波長(zhǎng)1mm～1m左右的高頻電磁波。微波殺菌是由于微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)及其它因素共同作用的結(jié)果。微波具有高頻特性,當(dāng)它穿透介質(zhì)時(shí),水、蛋白質(zhì)、核酸等極性分子受交變電場(chǎng)的作用而運(yùn)動(dòng),相互摩擦產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致溫度升高,使微生物內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等分子結(jié)構(gòu)改性或失活。同時(shí)隨著微波極性的改變而引起蛋白質(zhì)分子團(tuán)的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng),使其蛋白質(zhì)分子變性,從而達(dá)到殺菌目的。1.2微波消毒法紫外線主要是通過(guò)對(duì)微生物(細(xì)菌、病毒、芽抱等病原體)的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死。紫外線對(duì)核酸的作用可導(dǎo)致鍵和鏈的斷裂、股間交聯(lián)和形成光化產(chǎn)物等,從而改變了DNA的生物活性,使微生物自身不能復(fù)制,導(dǎo)致其發(fā)生變異或死亡,達(dá)到消毒的目的。紫外線消毒具有不投加化學(xué)藥劑,不產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物,消毒速度快﹑效率高﹑設(shè)備操作簡(jiǎn)單,而主要缺點(diǎn)是電耗大、紫外燈管和石英套管需定期更換,對(duì)處理水濁度要求高,無(wú)持續(xù)殺毒作用。本試驗(yàn)是以微波能量激發(fā)填充有汞和惰性氣體的無(wú)電極燈,使之發(fā)出紫外線。微波無(wú)極紫外燈作為一種新型光源,與傳統(tǒng)普通紫外燈相比具有許多優(yōu)點(diǎn):不會(huì)引發(fā)電極的氧化,使用壽命長(zhǎng);燈內(nèi)填充物質(zhì)的選擇范圍更寬;點(diǎn)燃快、穩(wěn)定快、光效高、放電均勻地充滿整個(gè)燈管;可以通過(guò)改變燈內(nèi)物質(zhì)的種類和比例改變燈的輻射特性;可以通過(guò)改變微波的能量改變燈的光強(qiáng);可以制作成各種形狀、大小,以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。微波/紫外同時(shí)具備微波和紫外線雙重殺菌功效,比僅用紫外線效果好。2材料和方法2.1大腸桿菌總數(shù)測(cè)定本試驗(yàn)所用水樣來(lái)自荊州城南污水處理廠處理后的二沉池出水,水質(zhì)指標(biāo)為BOD=12.6mg/L,CODcr=29.6mg/L,TN=12.5mg/L,TP=1mg/L,NH3-N=8mg/L,SS=8mg/L,大腸桿菌總數(shù)E.coli約為2.5×106個(gè)/L。出水指標(biāo)與《再生水回用與景觀水水體水質(zhì)指標(biāo)CJ/T95-2000》相比,除大腸桿菌總數(shù)外其它指標(biāo)均達(dá)到景觀水體回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),因此本次試驗(yàn)的重點(diǎn)為殺菌。2.2微波輻射加強(qiáng)控制本試驗(yàn)裝置是一個(gè)處理水量為1L的小試反應(yīng)裝置A,圖1是其工藝流程圖。其裝置由MW/UV反應(yīng)器、微波控制裝置和冷凝裝置組成。微波發(fā)生裝置安裝于反應(yīng)器的上部,無(wú)極紫外燈均勻布置于反應(yīng)器內(nèi)。微波的輻射會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)的溫度升高,為了保持反應(yīng)器內(nèi)的溫度為常溫,試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)成外部回流形式,水樣在外部冷凝系統(tǒng)中被冷卻,然后再回流至MW/UV反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)處理。無(wú)極燈的部分位于水面以上,使之處于微波場(chǎng)內(nèi)被微波能量激發(fā)點(diǎn)亮;大部分位于水面以下,使紫外線與水樣充分接觸。自制的微波控制器可用來(lái)調(diào)節(jié)微波的功率。通過(guò)觀察孔可觀察無(wú)極燈的點(diǎn)亮情況。2.3分析設(shè)計(jì)和方法(1)coli單位：l多管發(fā)酵法。(2)滅菌率、存活率溫度計(jì)。本試驗(yàn)中將大腸桿菌滅菌率和存活率分別定義為:滅菌率=(Co-C)/Co×100%存活率=ln(C/Co)Co:反應(yīng)前大腸桿菌總數(shù)E.coli(個(gè)/L);C:反應(yīng)后大腸桿菌總數(shù)E.coli(個(gè)/L)。2.4微波/紫外殺菌試驗(yàn)內(nèi)容為微波/無(wú)極紫外殺菌效果研究。由于反應(yīng)器A水量小,在微波熱輻射作用下水樣升溫很快,因此通過(guò)外循環(huán)冷卻水調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為30℃獲得在常溫下的數(shù)據(jù),改變微波功率﹑紫外燈個(gè)數(shù)等參數(shù)來(lái)研究微波/紫外殺菌效果。(1)微波殺菌率測(cè)定取水樣1500mL,分成3份,每份500mL,置于反應(yīng)器A中,反應(yīng)器A中安放無(wú)極紫外燈一只,調(diào)節(jié)微波功率為300W、450W、600W,打開外循環(huán)冷卻水,調(diào)節(jié)流量,控制反應(yīng)溫度30℃,取樣時(shí)間0min、2min、4min、6min、8min,10min取出水樣測(cè)其大腸桿菌總數(shù),計(jì)算殺菌率。(2)微波殺菌率測(cè)定取水樣1500mL,分成3份,每份500mL,置于反應(yīng)器A中,反應(yīng)器A中無(wú)極紫外燈個(gè)數(shù)分別為1只﹑2只﹑3只,調(diào)節(jié)微波功率為450W,打開外循環(huán)冷卻水,調(diào)節(jié)流量,控制反應(yīng)溫度30℃,反應(yīng)時(shí)間5min,取樣時(shí)間為第1min、2min、3min、4min、5min取出水樣測(cè)其大腸桿菌總數(shù),計(jì)算殺菌率。2.5結(jié)果和討論(1)微波功率對(duì)圖22將無(wú)極紫外燈放入450W和600W的微波爐中,紫外燈立刻點(diǎn)亮且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持。在300W的微波爐中,紫外燈不能被激發(fā)點(diǎn)亮,將微波功率調(diào)到600W將紫外燈點(diǎn)亮后,由于無(wú)極燈內(nèi)分子還處于活化狀態(tài),再將微波功率調(diào)到300W,紫外燈可以被點(diǎn)亮,但由于功率太小,紫外燈時(shí)亮?xí)r滅。表1和圖2中的數(shù)據(jù)表明,微波功率P=450W和P=600W時(shí)無(wú)極紫外燈滅菌效果相差不大,第10min滅菌率均達(dá)到99.95%,微波功率P=300W時(shí)紫外燈殺菌效果稍差,照射10min的滅菌率為98.67%。從三種不同微波功率下無(wú)極紫外燈殺菌效果可以看出,微波功率越大,相應(yīng)的無(wú)極紫外燈輻射強(qiáng)度也越大,功率達(dá)到450W時(shí),再增加微波功率對(duì)無(wú)極紫外燈輻射強(qiáng)度的增加貢獻(xiàn)很小。PetrKlan、JaromirLiterak的研究也證實(shí)了這一點(diǎn),微波功率大小只在一定范圍上對(duì)紫外光強(qiáng)度起作用。(2)微波功率對(duì)總輻射強(qiáng)度的影響表2和圖3中的數(shù)據(jù)表明,隨著無(wú)極紫外燈根數(shù)的增加,殺菌率逐漸增加,使用1根燈時(shí)照射10min滅菌率為99.92%,2根燈和3根燈照射10min滅菌率分別達(dá)到99.95%和99.99%。在微波功率一定的情況下,無(wú)極紫外燈的根數(shù)越多,總輻射強(qiáng)度也越大。但是,隨著無(wú)極紫外燈根數(shù)的增加,每根燈管吸收的微波能量相對(duì)越少,就不能將其很好地激發(fā),且過(guò)多的紫外燈也會(huì)增加成本。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定紫外燈根數(shù)。3紫外燈根數(shù)對(duì)殺菌效果的影響試驗(yàn)表明:微波功率越大,相應(yīng)的無(wú)極紫外燈輻射強(qiáng)度也越大,功率達(dá)到450W時(shí),再增大微波功率時(shí)無(wú)極紫外燈滅菌效果增加不明顯,第10