前言

目前,在美国、加拿大等地,利用紫外线消毒废水的装置,正在激增当中。不但新成立的处理场使用这类设备,在旧有处理场更新设备之际,也同样会改采此项系统,或者是积极地改造原有的设备。据装置这项设备的业者估计,在废水消毒上,紫外线消毒的占有率由0扩大到25%以上,而且有逐渐增加的趋势。

由於对於细菌、滤过性病毒等的水质规定比以前更加严格,加上使氯等化学药品的规范和安全性的问题,以及对於加入化学药品之後,所产生的副产品等各项规定,都是造成这股趋势的原因。

本文将针对紫外线消毒废水的原理,进行概要性的简介。

消毒的意义

(一)何谓消毒

目前,一般所谓水的消毒,是指把水中含有的微生物、细菌杀死,或使其非活性化。使水处於人和家畜在饮用、接触时,不会感染疾病的安全状态。

除了「消毒」以外,有时还会混用「杀菌」或「灭菌」等词汇。然而,严格说来,在医学、药学用语里,这些词汇的意义各不相同。因此,从事上、下水道等卫生学,或卫生工学的人,还是应该遵循严密的概念才好。

在英、美等国家,处理水的最後阶段中,去除微生物的过程,去除微生物的过程,统称为Disinfection(消毒),而不称为Sterilization(灭菌)。

以下,参考医学、药学的文献,将「消毒」及其它用语的概念、定义,加以整理。

在短时间以内,用某种方式杀死微生物的作用,称为「杀微生物作用」(Germicidal action)。杀微生物作用,又可分为「杀菌作用」(Bactericidal action)、「杀霉作用」(Fungicidal action)、「杀滤过性病毒作用」(Virucidal action)、「杀芽胞作用」(Sporicidal action)。不过,杀菌作用和杀菌等用语经常代表了广义的微生物作用。亦即,它不只是一项消灭细菌生命力的过程,也可以说它是霉菌类、滤过性病毒、芽胞等非活性化的作用。

杀菌作用依其强度可分为:「灭菌」(Sterilization)、「消毒」(disinfection)。

灭菌是指,消灭所有微生物,使微生物几乎不存在的状态;消毒则是指,杀死病原性微生物,预防感染的过程而言,不考虑非病原性微生物的存在与否。

例如,培养微生物用的培养基,就必须经过灭菌的手续,达到「无菌」(Sterile)。然而,供饮用的牛奶,以及外科手术器具,只要让病原性微生物的感染能力丧失即可,不必做到无菌的程度。

另外,消毒又包含两种意义。第一、只把处於分裂、增殖状态的细菌消灭即可。第二、连芽胞状态的细菌也杀死。此外,企图使滤过性病毒非活性化,也称为消毒。

在医学、药学的领域里,类似概念还有「除菌」、「净化」(Sanitization)、「洗净」(Cleansing、Cleaning、Washing),「低温杀菌」(Pasturization)等用语。

(二)显示消毒效果的指标

(1) 消毒对象

前面提过,水消毒的目标,是把会使人畜生病的微生物杀死,使它成为安全的水。在医学上,微生物有许多种,整理之後如图一。

图一.微生物的生物学定位

原生生物,被称为原核生物,和动物、植物有着极大的不同。原核生物的细胞之中,并不具有区分细胞质,和含有遗传因子的细胞核之内膜构造(核膜)。因此,动植物的细胞称为真核细胞,和原核细胞有所区别。

而滤过性病毒,乃是由核酸(DNA或RNA)和蛋白质所构成的极简单构造,它不具备细胞般的代谢系统。有时,滤过性病毒会被视为独立的病原体(无生物)。

图一所列出的微生物,并不是都带有病原性。其中有些甚至像酵母菌一样,是有用的微生物。其实也可以说有害的微生物很有限,特别是透过粪便→水→口的管道传疾病的微生物,并不太多。

(2) 表示效果的标准

在消灭或抑制微生物增殖时候,如果外来刺激的量增加的话,效果也普遍会 提高。然而,就效率和经济性的观点来看,提高外来刺激在量的方面,也会有程度上的限制。而量的最高点,随所要处理的微生物而有所不同。因此,为了解消毒效果,必须将所有的病原性微生物,分别加以定量。

但是,如此一来就得进行庞大的微生物实验,一方面不够经济,也十分耗费时间。如果,能用一个或二至三个指标,代表病原性微生物的话,是最理想的方法。

Scarpion把理想的细菌指标所应具备的条件,归纳成下列八个项目:

1.????? 可适用於饮用水、废水等各种水。

2.????? 如果含有肠类病原细菌的时候,必定是并存的。

3.????? 和耐力坚强的肠内病原菌相比,能生存的时间更久。

4.????? 绝不会在污染水中再生,亦即事後增殖,导致测定值变大。

5.????? 实验指标的方法,必须具备高度的特异性(不会让其它微生物 产生阳性反应)和敏感性,即使含有的程度很低,也能检测出来。

6.????? 实验方法必须是简单的。

7.????? 指标细菌必须对人体无害。

8.????? 指标细菌的密度和粪便污染的程度,有直接的关系。

比较能满足以上各项条件的细菌之中,「一般细菌数」、「大肠菌群数」、「粪便性大肠菌群数」、「肠内球菌群数」等,被当做指标使用。

(3) 病原菌和非病原菌指标的关系

如前述,拿来确认消毒的目标～病原菌存在与否的指标,必须是对人体无害的非病原菌。在概念上,「病原菌」和「非病原菌指标」之间,存在着什麽样的关系呢?首先必须把这个问题弄清楚。

以水为媒体,引起人畜感染的细菌如下:

1.肉毒杆菌

2.副溶血弧菌

3.大肠杆菌

4.小肠结肠炎耶尔森氏菌

5.破伤风菌

6.结核分枝杆菌

7.霍乱弧菌

8.胚胎弯曲杆菌

9.退伍军人病菌

10. 普通变形菌

11. 类鼻疸假单胞菌

12. 绿脓杆菌

13. 伤寒沙门氏菌

14. 副伤寒沙门氏菌

15. 痢疾志贺氏菌

16. 黏质赛氏杆菌

17. 野兔弗朗西丝病菌等等

这些病原菌,分别被归类为不同的「属」。其分类方法、准确程度,不一定相同。把它和细菌指标(一般细菌数、大肠杆菌群数等)之间的关系,做成图二加以说明。

图二

在图二之中,省略了各项指标和细菌的明确定义、形态描写。仅以各定义和形态描写为基本,概念性地整理各用语之间的关系。

(4) 细菌之外的病原性细菌及其指标

经由粪便→水→口的途径,使人畜感染疾病的微生物有原虫和滤过性病毒。

1.????? 关於原虫

在病原性原虫之中,以阿米巴痢病和啮齿动物病原等最有名。最近,在水处理领域里,则以兰伯氏肠贾第鞭毛虫和Cryptosporidium最受瞩目。

两者都是经由水或食物,以囊子或胞囊的形态,进入人畜的体内,然後在体内脱囊或脱胞囊之後,进行繁殖。寄生在肠管里,引发激烈的腹痛。而且,对於氯等消毒剂的抵抗力大於大肠菌,使得大肠菌群的指标价值,有必要再重新评估。这些原虫的指标,尚未建立。

2.????? 关於滤过性病毒

滤过性病毒,在所有的病原体中是最小的。它大约只有直径20～30nm的大小而已。和其它微生物最大的不同,在於它只有RNA或DNA其中一种。其余的生物,都是两种都有。最小的完整滤过性病毒感染粒子,称为病毒小体。

滤过性病毒的另一大特徵,就是它只在活的细胞里增殖,而且无法用合成的培养基,使其增殖。

滤过性病毒有很多种,如果把范围限定在以水为媒介传播病病的病毒,则以形状最小的Pico-rna病毒科的肠内滤过性病毒最受注目。属於肠内滤过性病毒有:

.Poliovirus

.Coxackie Virus

.Echovirus.Enterovirus

它们都是以粪便→水→口的途径,感染人畜之後,带来重大的疾病和障碍。由於,滤过性病毒只能在活的细胞里增殖,所以用培养去做定量的工作很困难。需要有高度的专业知识和技术才能处理,而且在判定结果上,也十分花时间。在安全的维护上,又必须特别小心,当然费用也会相对增加。而消毒效果也十分不易。因此,正在寻求可以取代病原性滤过性病毒的适当指标。

在滤过性病毒之中,有一种只能在细菌细胞中增殖的细菌滤过性病毒,称为噬菌体。它的举动和Pico-rna滤过性病毒相似。感染了噬菌体的细菌体内,噬菌体的RNA、DNA会开始作用,噬菌体的组成物质会大量合成与组合,形成成熟的粒子。接着,组成物质之一的酵素会产生作用,把宿主～细菌溶解。

利用这项溶菌作用,可以确定噬菌体的存在。例如,在培养基里,完全培养大肠杆菌之後,把含有大肠杆菌的噬菌体之检体(水)覆於其上,继续培养的话,则在一定的时间後,感染了噬菌体的大肠杆菌,会产生溶菌的现象,形成透明的Plurk。如此一来,即使用肉眼也可以判定噬菌体存在的事实了。

大肠杆菌是比较容易培养,也比较安全的细菌指标,再加上大肠菌感染的噬菌体,其举动类以Pico-rna滤过性病毒等因素,使得它在最近极有可能取代滤过性病毒指标。

(三)消毒的水准

(1) 日本的基准

在日本,下水道的消毒基准指标,乃是依大肠杆菌群数所规定。

依下水道法规定「每lcm3不超过3千个」。这个规定值同样被水质污浊防止法沿用,也成为事业废水排放标准。

直接再利用主要是以冲洗厕所的用水和景观设计上的用水为主要用途。这些用水的规定,也是以大肠杆菌群数为指标。

(2) 美国的标准

美国由於国土辽阔,水的回收利用,亦即取水→利用→排水→流出→取水的回收次数,比起日本为多。因此,在回收次数,比起日本为多。因此,在回收过程之中的水质变化,特别是对病原性微生物的消长,有着超乎寻常的关心。这或许也是因为,过去曾发生许多由水传染的疾病所造成的。

在美国,废水消毒的相关法规,基本上由州政府负责,对於排水设施的设立条件、特性加以规范。根据1986年的资料,美国的规定概况如下。多数采取总大肠杆菌数、粪便性大肠杆菌群数这两项指标的任一项,或两项都使用。更严格的地方,甚至把滤过性病毒也列入。至於规定的标准值,多为总大肠杆菌群数,每100ml100OMPN,粪便性大肠杆菌群数,每100ml200MPN以下。

但是,这两个国家,正逐步采行更严格的规范,以保持生态及用水的安全。对於细菌、寄生原虫等病原性微生物的基准,也不例外。另外,在美国也开始注意滤过性病毒的存在标准。

目前,为什麽要使用UV?

(一)逐渐严格的放流水基准

如前面所提到的,在考虑了水的用途之後,各项水质基准也日益严格。这包括了增加检测项目,或强化基准值。

关於病原性微生物的规定,也是如此。以前,美国主要是以大肠杆菌群数(包括粪便性大肠杆菌群数)为代表指标。而大肠杆菌群数的基准值,也变得更加严格。甚至有提案要求,不仅是大肠杆菌群数,也要调查整肠球菌群数,以该项比率值为指标。

为了符合日益严格的标准,用传统的氯消毒法时,需要相当多的药品。但是,使用大量药品会发生许多後遗症,这在後面将会提到。因此,目前正在寻求替代的方法。

(二)用氯消毒的问题点

(1) 消防法的规定严格

广泛用於水消毒的氯气,经常经过加压、液化之後,贮藏在高压瓶里。最大的压力高达10kg/cm2,高压瓶的的最大重量可达一吨以上。

由於,氯气属於危险物质,在使用时必需十分慎重,在日本的消防法,已经做了严格的限制。例如,在运送或储藏的过程之中,发生了氯气外泄的情况时,必须具备有可以中和其他剩余氯气的装备。美国也同样实施这类较以往更为严格的规格。於是,避免使用氯气消毒已成为世界趋势。

(2) 水中残留氯的影响

利用氯系列的药品进行消毒,有一项优点是,藉着使水中残留氯,让消毒效果可以持续一段时间。日本消防法的体系之中,规定消毒後的水,从水龙头流出时,必须确保氯的残留量在0.1mg/l以下。同时地,在污水处理过程中,净化槽里氯的残留量也有一定的规定。

然而,水中残留氯的做法,虽可抑制病原性微生物,但是,根据许多研究显示,这些处理过的水,对於放流水域的水中生物,有着不小的影响。除了海洋生物之外,淡水鱼类也会因此产逃避的作用。

例如,Salmo gairdneri对残留氯的容忍量为0.08mg/l Chlorella Pyren-oidosa则为0.18mg/l等。(日本水产资源保护协会)

诸如此类的报告,更使得要求维持旧有生态的环境运动人士,对於使氯消毒一事,大加批判。

(3) 卤化物的产生

氯和水中部分的有机物质结合之後,会产生致癌物或卤化物是众所周知的事。

在下水、废水等等的水中有机物质(其浓度用COD或TOC值表示),绍不可能完全不存在。在和氯作用之後,有可能产生卤化物。幸好,在第二次处理的水中,仍有氯存在,日本污水处理场所注入氯的份量,大多在和氯的化学反应中消耗掉,不至於产生卤化物了。

然而,像美国这样为了使滤过性病毒非活性化,而注入大量氯的国家,就得担心超过临界点之後,产生卤化物的可能性。所以这也是使用氯系药品消毒时,所要面临的一项问题。美国部份州政府规定,为了不使消毒後水残留氯,必须经过脱氯的手续。

UV消毒的方法

(一)UV的特性

UV(紫外线),在光线中虽然和可视光线相同,但具有比可视光线更强的作用力。紫外线的光子所保持的能量,优於可视光线,因此,当它遭遇到其它物质时,会产生很强烈的作用。

例如,给水分子的作用力,超过了H和O的结合力时,则水会分解成氢和氧。而UV之中,便含有这种具有分解能力的物质。

到达地表的太阳光,由於已通过了厚厚的大气层,因此,不含可以发生激烈作用的UV。然而,对於生物的一些细微成分,仍具有相当的影响力。那是由於细胞的基本物质DNA,对於UV之中波长最短的部分十分敏感,在产生反应之後,便会产生障碍。有时,会造成细胞机能停止,所以也可以消灭细菌这类单纯细胞生物。

人在海岸、山地地区,接受到强烈阳光照射的话,会产生眼疾(结膜炎、角膜炎),或使皮肤晒伤。如果长此以往,甚至会产生皮肤癌。

UV是一种波长比可视光线短的放射线,它的范围如图三,为100~400nm。100nm以下的称为X射线。国际照明学会更进一步,把紫外线范围分成UV-A、UV-B、UV-C。其中,UV-B、UV-C被认为对生态有强烈作用能力。不过,有些微生物的容忍度较低,於是在UV-A范围内的部份,也能使它们产生晒伤或发炎。而UV-C不属於天然的光,因为波长在200nm以下的光,会被空气吸收。 受紫外线照射而晒伤的皮肤会变黑,是因为皮肤底层的细胞受紫外线刺激,产生黑色素所致。沈淀的黑色素,可以阻止进一步照射的紫外线,发挥保护皮肤的功能。

前面提过,太阳光通过大气的时候,波长短的UV 便丧失了。而到达地面的光之中,波长在300~320nm之间的光,具有某种程度的杀菌作用。它们同时还可以使表皮细胞的新陈代谢活性化,降低血液中葡萄糖、胆固醇的浓度、解除交感神经的紧强。最重要的是它还可以合成骨骼所需的维他命D。

(二)UV的产生～产生的途径

以电磁波或光子的形态所传播的能量,称为放射线。UV也是其中之一。

把放射线依波长顺序排列的,称为光谱。人类肉眼可以辨视的光(可视光线),其光谱范围在380~780nm,比这个范围短的波长,约到100nm为止的部分,称为「紫外线」,比较长的波长,约到1000nm为止的部分,称为「红外线」。

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