消毒專題知識培訓(xùn)

消毒(Disinfection)AquaculturalEngineeringW-1610/29/20231第1頁水產(chǎn)養(yǎng)殖對消毒之需求在於控制疾病與掠食者，控制限度之需求視養(yǎng)殖密度及投資費(fèi)用而定。密閉系統(tǒng)養(yǎng)殖密度高及水循環(huán)再運(yùn)用，必需較高限度之消毒處理。10/29/20232第2頁致病生物之特性致病生物涉及細(xì)菌、病毒及其他單細(xì)胞生物，也許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(fèi)者有害之生物。10/29/20233第3頁消毒辦法涉及加熱、紫外線或化學(xué)藥劑?；瘜W(xué)辦法涉及加氯及臭氧或其他藥劑10/29/20234第4頁殺菌動(dòng)力學(xué)

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(shí)間t時(shí)之活性微生物數(shù)10為底表達(dá)時(shí)t=(2.3/k)log(No/N1)(14.3)10/29/20235第5頁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(dá)某一消毒效率所需時(shí)間tCdisn=K1(14.4)t=需求時(shí)間；K1=常數(shù)；Cdis=消毒濃度；n=稀釋係數(shù)lnt+nlnCdis=lnK1lnt=K2-nlnCdis(14.5)10/29/20236第6頁n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表達(dá)消毒劑濃度對消毒效率之影響很大；n小於1表達(dá)接觸時(shí)間對消毒效率之影響較大。n近於1表達(dá)兩者之影響力相當(dāng)。10/29/20237第7頁若殺菌比例已知，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:由滅菌比例及14.3式?jīng)Q定(K3=2.3(log(No/N1)))10/29/20238第8頁溫度之影響

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。10/29/20239第9頁CHLORINATION(加氯消毒)氯消毒劑之類型涉及氯氣(Cl2)、次氯酸鹽(OCl-)，氯氣於水中溶解度高7160mg/literat20℃and1.013

105Papressure(Rich,1963).10/29/202310第10頁氯之化學(xué)反應(yīng)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)10/29/202311第11頁10/29/202312第12頁餘氯(Residualchlorine)涉及自由餘氯：HOCl、OCl-(毒性較強(qiáng)，衰減速率較快)及結(jié)合餘氯-氯氨(毒性較低，不易衰減)。10/29/202313第13頁折點(diǎn)加氯消毒曲線1–2:氯與還原性物質(zhì)反應(yīng)2–3:生成氯氨。3:開始生成自由餘氯於3點(diǎn)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(dá)臨界點(diǎn)4以後：餘氯由不易分解之氯氨及自由餘氯組成。10/29/202314第14頁氯消毒速率方程式：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)10/29/202315第15頁加氯消毒之缺點(diǎn)

氯對水生物有毒(Table14.1)；需相當(dāng)長接觸時(shí)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(dá)99.99%失去活性，所需接觸時(shí)間為2.7-120min。殘餘氯與氯氨之清除可以活性碳吸附、以還原劑(sodiumthiosulfate、ferroussalts)中和或曝氣清除。10/29/202316第16頁10/29/202317第17頁加熱消毒(HEAT)提高至某一溫度並維持一定時(shí)間；牛奶之消毒加溫至60℃維持30min或71.1℃維持15s。此法重要缺點(diǎn)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。10/29/202318第18頁紫外線(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10/29/202319第19頁10/29/202320第20頁UV之殺菌機(jī)制

UV與核酸之光化學(xué)交互作用為殺菌機(jī)制之一10/29/202321第21頁UV殺菌動(dòng)力學(xué)

N1/No=e-k1It(14.19)kl=constant；I=UV光強(qiáng)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(shí)，N1/No=0.368)14.19式亦顯示殘存率為UV強(qiáng)度與曝露時(shí)間乘積之函數(shù)，但曝露時(shí)間必需大於大部分標(biāo)旳生物世代時(shí)間。10/29/202322第22頁UV殺菌需求劑量數(shù)據(jù)差異之因素在於來源不同、細(xì)胞色素、細(xì)胞濃度、細(xì)菌年齡等因素。空氣中與水中UV殺菌效率有差異：相似效率時(shí)，水中殺菌需求劑量為空氣中之5-10倍(PhillipsandHanel,1960)或40-50倍(GeneralElectricCompany,1953)10/29/202323第23頁10/29/202324第24頁10/29/202325第25頁10/29/202326第26頁10/29/202327第27頁10/29/202328第28頁10/29/202329第29頁10/29/202330第30頁UV於水中之透光率UV殺菌波長2600?左右於水中之透光率相當(dāng)高(Figure14.6)，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=吸取係數(shù)(cm-1)；d=水深(cm)；RF=表面反射(decimalpercentage)(forwaterthisis0.02)。10/29/202331第31頁UV射線吸取率係數(shù)

水樣之吸取率係數(shù)只能由實(shí)驗(yàn)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射線於水中之吸取度相當(dāng)高。水中不純物明顯減少UV於水中之透光度，海水、濁度(浮游生物、細(xì)泥)減少UV透光度10/29/202332第32頁UV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(xué)型態(tài)與放電電流條件，可加強(qiáng)某一特殊能量狀態(tài)轉(zhuǎn)換之機(jī)率(PhillipsandHanel,1960)。低壓汞蒸氣燈(53-267Pa)最常用，因其價(jià)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(qiáng)度殺菌燈。10/29/202333第33頁UV消毒設(shè)備設(shè)計(jì)UV消毒單元可採用懸掛系統(tǒng)(suspendedsystem)又分為與否採用反射器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)又分為燈管與否與水直接接觸10/29/202334第34頁10/29/202335第35頁10/29/202336第36頁UV消毒設(shè)備設(shè)計(jì)-2沉浸系統(tǒng)(submergedsystem)又分為燈管與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取。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所有吸取運(yùn)用。10/29/202337第37頁10/29/202338第38頁UV消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟決定殺滅標(biāo)旳生物所需之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(jì)算UV吸取率90%以上時(shí)所需之水深。供應(yīng)所需劑量以處理所需流量時(shí)，所需UV燈管數(shù)目及型式。設(shè)置擋板，以增長UV射線吸取率。10/29/202339第39頁10/29/202340第40頁10/29/202341第41頁臭氧(OZONE)氧分子受充足激發(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1000-2023?UV射線照射10/29/202342第42頁臭氧產(chǎn)量之影響因素

兩表面之分開限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，溫度增長時(shí)，分解速率迅速增長。加入臭氧產(chǎn)生機(jī)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(dǎo)性。常使用高電阻材料，以薄層型式組成，以克服傳熱問題。10/29/202343第43頁臭氧產(chǎn)生機(jī)之電源

使用高頻電源，臭氧產(chǎn)生機(jī)效率較高，但電力損失增大。近來發(fā)展出之固態(tài)元件，於高頻操作時(shí)之電力損失已下降。10/29/202344第44頁10/29/202345第45頁臭氧產(chǎn)生機(jī)使用之氣體

空氣或氧氣皆可，生產(chǎn)等量臭氧時(shí)，使用純氧所消耗動(dòng)力，為使用空氣者之一半下列。氣體導(dǎo)入臭氧產(chǎn)生機(jī)前需先乾燥，以減少腐蝕。10/29/202346第46頁10/29/202347第47頁臭氧濃度

臭氧產(chǎn)生機(jī)輸出之臭氧濃度隨氣體流量之增長而減少。大部分臭氧產(chǎn)生機(jī)產(chǎn)生之臭氧濃度可達(dá)0.5-10%(重量比)(Klein,1975)，但增長臭氧濃度時(shí)，效率急速下降10/29/202348第48頁臭氧之消毒效力

消毒效力為接觸時(shí)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(shí)比pH8時(shí)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(shí)，生菌數(shù)對數(shù)值與臭氧濃度(0.5-10mg/liter)成線性關(guān)係；臭氧濃度增長時(shí)，BOD、COD、氨、亞硝酸鹽、懸浮固體、濁度及色度濃度減少，硝酸鹽濃度增長10/29/202349第49頁有機(jī)物之臭氧需求量

臭氧可迅速地與有機(jī)物反應(yīng)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10/29/202350第50頁無機(jī)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(shí)，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(shí)，錳由1.21降為0.71mg/liter10/29/202351第51頁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).10/29/202352第52頁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:存儲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清除紅潮生物Gymnodiniumb