消毒Disinfection復習課程

消毒(Disinfection)AquaculturalEngineeringW-169/26/20241AE-Disinfection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。9/26/20242AE-Disinfection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。9/26/20243AE-Disinfection消毒方法包括加熱、紫外線或化學藥劑?；瘜W方法包括加氯及臭氧或其他藥劑9/26/20244AE-Disinfection影響殺菌速率之因素

速率常數(shù)k(Equation14.3)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tCdisn=K1(14.4)t=需求時間；K1=常數(shù)；Cdis=消毒濃度；n=稀釋係數(shù)lnt+nlnCdis=lnK1lnt=K2-nlnCdis(14.5)9/26/20246AE-Disinfectionn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。9/26/20247AE-Disinfection若殺菌百分比已知，則Equation14.3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,andK4為常數(shù),k為速率常數(shù)K1:由14.5式(i.e.,K2=lnK1)圖形決定，K3:由滅菌百分比及14.3式?jīng)Q定(K3=2.3(log(No/N1)))9/26/20248AE-Disinfection溫度之影響

Arhenius'work:k=K5e-

H/RT(14-8)K5=常數(shù)；

H=活化能(cal);R=氣體常數(shù)(1.99cal/oC);T=絕溫度(oK)logk=logK5–(0.434

H/R)(1/T)(14.9)由kversus1/T之雙對數(shù)圖可估算K5及

H值。9/26/20249AE-DisinfectionCHLORINATION(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7160mg/literat20℃and1.013

105Papressure(Rich,1963).9/26/202410AE-Disinfection氯之化學反應溶於水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)9/26/202411AE-Disinfection9/26/202412AE-Disinfection餘氯(Residualchlorine)包括自由餘氯：HOCl、OCl-(毒性較強，衰減速率較快)及結(jié)合餘氯-氯氨(毒性較低，不易衰減)。9/26/202413AE-Disinfection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。9/26/202414AE-Disinfection氯消毒速率方程式：Rich(1963)dN/dt=-kNt(14.16)∫(dN/N)=-k∫tdtln(N1/N0)=-(1/2)kt2ln(N0/N1)=0.5kt2t2=(2/k)ln(N0/N1)t2=(4.6/k)log(N0/N1)9/26/202415AE-Disinfection加氯消毒之缺點

氯對水生物有毒(Table14.1)；需相當長接觸時間才有效Liuetal.(1971):在2℃及0.5mg/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2.7-120min。殘餘氯與氯氨之去除可以活性碳吸附、以還原劑(sodiumthiosulfate、ferroussalts)中和或曝氣去除。9/26/202416AE-Disinfection9/26/202417AE-Disinfection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30min或71.1℃維持15s。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。9/26/202418AE-Disinfection紫外線(UltravioletLight)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=Plank'sconstant(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)(Figure14.3)，–最有效之波長為2600?，–其他波長UV光之殺菌效率急速下降9/26/202419AE-Disinfection9/26/202420AE-DisinfectionUV之殺菌機制

UV與核酸之光化學交互作用為殺菌機制之一9/26/202421AE-DisinfectionUV殺菌動力學

N1/No=e-k1It(14.19)kl=constant；I=UV光強度(milliwatts/cm2)；e=自然對數(shù)基底平均致死劑量(meanlethaldose)、lethaldose、lethalexposure、inactivationdose：36.8%殘存(I

t=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。9/26/202422AE-DisinfectionUV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?？諝庵信c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(PhillipsandHanel,1960)或40-50倍(GeneralElectricCompany,1953)9/26/202423AE-Disinfection9/26/202424AE-Disinfection9/26/202425AE-Disinfection9/26/202426AE-Disinfection9/26/202427AE-Disinfection9/26/202428AE-Disinfection9/26/202429AE-Disinfection9/26/202430AE-DisinfectionUV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(Figure14.6)，於水中之傳輸率呈指數(shù)關係：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(decimalpercentage)(forwaterthisis0.02)。9/26/202431AE-DisinfectionUV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?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9/26/202432AE-DisinfectionUV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(PhillipsandHanel,1960)。低壓汞蒸氣燈(53-267Pa)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。9/26/202433AE-DisinfectionUV消毒設備設計UV消毒單元可採用懸掛系統(tǒng)(suspendedsystem)又分為是否採用反射器UV燈管懸掛於流水槽上10–20cm，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15cm燈管間距，及離水面15cm。沉浸系統(tǒng)(submergedsystem)又分為燈管是否與水直接接觸9/26/202434AE-Disinfection9/26/202435AE-Disinfection9/26/202436AE-DisinfectionUV消毒設備設計-2沉浸系統(tǒng)(submergedsystem)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。9/26/202437AE-Disinfection9/26/202438AE-DisinfectionUV消毒系統(tǒng)設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)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。設置擋板，以增加UV射線吸收率。9/26/202439AE-Disinfection9/26/202440AE-Disinfection9/26/202441AE-Disinfection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9/26/202442AE-Disinfection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。9/26/202443AE-Disinfection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。9/26/202444AE-Disinfection9/26/202445AE-Disinfection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。9/26/202446AE-Disinfection9/26/202447AE-Disinfection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9/26/202448AE-Disinfection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pH6時比pH8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(0.5-10mg/liter)成線性關係；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9/26/202449AE-Disinfection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鍵C-Metal鍵9/26/202450AE-Disinfection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0.07mg/L以氧處理時，鐵僅降為3.99mg/liter(Kjosetal.,1975)。以臭氧處理:錳由1.21降為0.05mg/L以氧處理時，錳由1.21降為0.71mg/liter9/26/202451AE-Disinfection臭氧對人之毒性致命(fatal)濃度為11,000ppm(vol.)for0.1min.；20ppm(vol.)for1000min，致毒濃度為3000ppm(vol.)for0.1min.；4ppm(vol.)for1000min.

(Nebeletal.,1975).9/26/202452AE-Disinfection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fatheadminnows之致命濃度為0.2-0.3ppmO3

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4weeks、氣瀑1week、經(jīng)真空抽氣過濾及加20mg/liter螯合劑Na-EDTA。但以20-40mesh活性碳過濾處理可除去毒性臭氧可去除紅潮生物Gymnodiniumbreve等所產(chǎn)生之毒性(痲痺性貝毒)9