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紫外殺菌器工作原理

一、什麼是紫外線

　　二、紫外線如何殺菌

紫外線殺菌是美國國傢衛生基金會（NSF）承認的技術，其它同樣應用在水質處理如機械式過濾層、逆滲透和中空絲膜等技術，均不被 NSF 所認可。
紫外線殺菌法是目前最常用的高效能水質處理技術之一，可獨立使用或並用於沉淀物過濾法、逆滲透法、活性碳吸附法、去離子法 …… 等多項水處理法。
紫外線殺菌的應用原理與日光燈相同，隻是燈管內部不塗熒光物質，燈管材質采用紫外線穿透率高的石英玻璃為保護外管，並利用核酸對低壓水銀放電燈的 人工波長為254nm的紫外線有極大吸收值時， 破壞細菌與病毒核酸（DNA）的生命遺傳物質，與分子內產生激烈的化學變化使其無法繁殖。其中產生最重大的反應是核酸分子內的嘧啶（pyramiding）鹽基形成瞭二量體（diner）。
紫外線能有效地消滅水中細菌和病毒，目前認為主要原因在於生成瞭嘧啶二量體，另外，紫外線在核酸內引起的“光水和反應”和核酸與蛋白質相互作用時的“光架橋反應”，也對其存在著某種影響。

• 紫外線殺菌的特點

殺菌的方法多種多樣，除紫外線殺菌外，還有藥物殺菌、加熱殺菌、臭氧殺菌等，本文僅對紫外線殺菌的特點作一介紹。
1. 優點
(1) 紫外殺菌比藥物殺菌效率高；
(2) 對任何微生物細菌都有殺菌效果；
(3) 能對空氣、水等流體殺菌。
2. 缺點
(1) 殺菌范圍隻限於紫外線所能照射的部分，對物體的後側、內部不能殺菌；
(2) 殺菌線對人、動物的眼睛、皮膚有損害，會使物體變色、退色。
由於殺菌線的特點大大優於藥物、加熱等殺菌方法，因此有取代這些殺菌方式的趨勢。通過對紫外輻射的殺菌試驗得出，細菌數量隨照射時間而成指數減少。例如，用紫外線照射 10 秒，細菌減少到 1/10 ；再照射 10 秒即連續照射 20 秒，細菌就減少到 1/100 。這種遞減關系可用下式表達：

其中， S 為細菌的成活率；
N 0 為殺菌前的細菌數；
E 為殺菌紫外線的照度(W/m)；
t 為照射時間 (sec) ；
D為D值〔把細菌減少到1/10，單位麵積所需殺菌線的能量(J/m)〕 。
通過實驗知道：用等量的紫外線照射不同的細菌，可以得到相同的殺菌效果。從這點可以得出：殺菌效果由殺菌線的照度E(W/m)和照射時間t(sec)的乘積決定。

　　另外，微生物對殺菌線的反應隨微生物的種類、環境條件的不同而不同，一般用D值表示。在表 1 中列出瞭幾種有代表性的微生物的 D 值。一般真菌的 D 值比細菌的大(對真菌，殺菌線要強些)，即使細菌相同，水中的 D 值也要比乾燥狀態下的大。

表 1 各種微生物的 D 值

條件： 20 ℃ ， RH( 相對濕度 )=35% （＊除外）
通過對沙雷氏菌所做的殺菌試驗得出：非紫外照射的殺菌率是 0% ；
用 15. 8J/m紫外照射的殺菌率是 64% ；用 47.4J/m紫外照射的殺菌率是 98% ；用 94.8J/m紫外照射的殺菌率是 99% 。
15W 的殺菌燈，在離燈中心50cm處，輻射線的照度是 1.5W/m，這時它的殺菌能力是日光的60倍，在以上條件下照射大腸桿菌(寒冷天的培養基上)約1分鐘就能使菌減少到 1/1000。
被殺菌線照射後的菌，由於 DNA 受損而失去活性，但這種菌如果受到可見 光的照射或長紫外 (UV-A) 照射後又將恢復其活性。這種現象叫光恢復，是光輻射中的一種奇特現象。根據菌的類型和光照射量的不同，光恢復的結果一也不一樣。據有關報告介紹，恢復細菌活性的照射量必須是殺菌照射量的 2～3 倍。正因為如此，在明亮的場所不能用紫外線殺菌。

• 影響紫外線殺菌效果的幾種因素

紫外線殺菌由來已久，其殺菌效果也被普遍公認，而且使用普遍，但諸多因素直接或間接地影響著殺菌的效果，所以必須重視和排出不利因素，確保和提高紫外線的殺菌效果，以達到控制細菌感染的目的。

　　（ 1 ）紫外線燈管的類型、質量、有無反光罩對其效果的影響

有實驗報道，用高硼紫外線燈與石英紫外線燈分別對已知不同種細菌進行照射，結果細菌在石英玻璃管紫外線燈照射下的存活數均較高，而在高硼玻璃管紫外線燈照射下較少，故應首選高硼玻璃紫外線燈。目前紫外線燈的質量也有學者作過調查，8隻全新紫外線燈經強度檢測機檢測，強度為(47.4 ± 3.9)μW/cm，根據我國《殺菌管理條例》對新燈管的強度要求不得低於100μW/cm，故8隻全新燈管無一符合標準，所以評定紫外線燈管的優劣不能根據新舊、是否產生藍色光、是否形成臭氧作判斷，必須檢測其強度。
紫外燈在有無反光罩或不同材料的反光罩下所測得的強度差異較大，如 1 支在木板式反光罩下的燈經測試強度<7μW/cm，應屬不合格燈管，但改置在拋光鋁制反光罩下，強度升高，即可達合格要求，但這種利用反光罩提高照射強度而改判燈管合格是欠妥的，理由是：因燈管所放射出的紫外線強度實際並未改變。對新燈管的強度測定應在無反光設備的條件下進行，為方便工作，可經實驗測定各種反光罩的修正系數，將帶反光罩時測得的結果除以修正系數，即可得不帶反光罩時照射強度值。例： 1 隻燈管在無罩下強度為100μW/cm時，而改置在拋光鉆罩下強度為 155μW/cm，則修正系數為：155/100=1.55。以後凡在拋光鋁罩下測得的強度均應除以1.55。這樣就可將部分強度不夠標準的燈管淘汰，以便更穩妥、有效地實施紫外線殺菌。

　　（ 2 ）燈管的清潔程度殺對其效果的影響

　　實驗證明燈管若有塵埃覆蓋，由於紫外線有穿透力極弱的特點，塵埃可使其強度降低。而經無水酒精擦拭後其輸出強度平均可提高 6.29μW/cm。

　　（ 3 ）殺菌距離、持續時間對殺菌效果的影響

　　理論上紫外線殺菌的有效距離為2m之內，有研究報道，照射距離愈近，殺菌效果愈好，即距離與效果成反比。用已知金葡球菌作試驗，在距離紫外線燈1 m處照射30min，存活細菌數是7個，在2m處存活細菌數是30個。照射持續時間對殺菌效果的影響現有 2 種認為：一種與傳統的理論一致，認為紫外線殺菌效果隨照射時間的延長而增加；而另一種認為是紫外線殺菌效果與照射時間不成正比。據軍事醫學科學院微生物流行病研究所研究發現，殺菌 40min 空氣中細菌數平均降低約 80% ，繼續延長殺菌時間至 120min ，空氣中細菌數的下降不明顯，此現象的發生乃因為室內人員的呼吸、交談、走動等隨時在產生新的微生物氣溶膠，經一定時間後，空氣中微生物的產生和消亡即會達到一個動態的平衡。有人對紫外線殺菌的有關研究發現，紫外線殺菌 30min 與殺菌 60min 空氣中的細菌數差異無統計學意義(P>0.05)，與第2種認為結果一致。顯然，這與傳統理論相悖，對此還有待進一步深人研究。

　　（ 4 ）不同生物時間對其殺菌效果的影響

　　迄今為止，微生物的不同生物時間對紫外線殺菌效果的影響的系統實驗報道不多，有人對紫外線空氣殺菌的有關實驗研究發現：夜間 ( 無可見光 ) 紫外線空氣殺菌效果優於白天 ( 可見光下 ) 。這是因為不同的生物時間，細菌體內的“光復活酶”有著不同的生物效應，在白天細菌體內的“光復活酶”獲得能量，使損傷的 DNA 修復，可形成單體細菌重新恢復生活狀態，而在夜間“光復活酶”則不能發生此生物效應。另外，夜間人員流動相對白天少，空氣中塵埃數也較白天少，所以，我們認為，進行紫外線空氣殺菌應選擇最佳生物時間。

• 紫外線殺菌的用途

在日本，殺菌燈 1961 年開始用於美容店的殺菌，自從 1963 年通過對烹調用的菜板殺菌裝置標準化後，殺菌燈的市場又擴大瞭一步。從那以後對食品中的添加物如防腐劑、殺菌劑等也作瞭規定，這樣殺菌燈在食品加工廠也得到普遍應用。由於愛滋病的威脅，厚生省指定采用殺菌燈為殺菌美容器的方法之一。很多地方都采用殺菌燈進一步提高公共衛生、環境衛生。
雖然殺菌燈主要是對物體表麵進行殺菌，但殺菌率高的特點使之在各個領域得到應用。諸如醫院病房的“空氣殺菌”設施，水生物觀賞池、養魚池及半導體制造工藝中用凈水的“水殺菌”設施等等，推進瞭適用於這些場合的高效、高照度殺菌燈的不斷開發。

　　六、結束語

　　到目前為止，西方發達國傢已在污水處理廠安裝瞭數千套大型紫外線殺菌系統，應用該技術的廠傢約占污水處理廠總數的 10% 。同時，至 2001 年底已有 2000 多傢自來水廠采用瞭紫外殺菌技術，占自來水廠總數的 10% 以上，並且大量的紫外殺菌技術改造工程正在進行之中。
紫外輻射殺菌是照明技術與各學科綜合應用而產生的“光輻射應用技術”。 “光輻射應用技術”是一門綜合的技術，至今已經取得瞭突破性的進展，隨著社會的進步與科學技術的發展紫外線殺菌技術必將獲得更大的發展空間。

紫外線為波長介於16－397nm的電磁波，其光子能量較低，不足以使原子或分子電離，故屬非電離輻。根據波長可將紫外線分為A波、B波、C波和真空紫外線。在波長160－200之間，真空UV對於TOC的去除十分有效，波長在185nm時，TOC去除率最高。消毒滅菌用的紫外線是C波紫外線，其波長范圍是200－275nm，殺菌作用最強的波段是250－270nm，在此波段會產生足夠劑量的強紫外光照射到液體或空氣中，瞬間破壞各種細菌、病毒等微生物細胞組織中的DNA、RNA，當病毒或細菌在此波段照射下，吸收超過6000－10000U.W.sec/cm2的劑量，其生命中樞DNA（去氧核糖核酸）即遭破壞，使其立即死之或喪失繁殖能力。

    紫外線屬廣譜殺菌類，能殺死一切微生物，包括細菌、結核菌、病毒、芽孢和真菌。

    UV在水處理系統中的應用

    1．TOC去除

    2．消毒殺菌

    3．臭氧分解

    4．氯和氯胺的去除

    特點

    1．能迅速有效地殺滅各種細菌、病毒等微生物；

    2．通過光解作用，能有效降解水中的氯化物；

    3．操作簡單，維護方便；

    4．占地麵積小，處理水量大；

    5．無污染，環保性強，不會產生毒副作用；

    6．投資成本低，運行費用低，設備安裝方便；

    7．利用光學原理設計獨特的內壁處理工藝，使腔體內得以最大限度地利用紫外線，使殺菌效果成倍提高。    

    註意事項及使用說明

    1．紫外線不能直接照射到人體的肌膚；

    2．紫外線對工作環境的溫度和濕度有一定的要求：在20℃以上，照射強度較穩定；在5～20℃之間，隨溫度的上升照射強度增加；相對濕度60%以下時，殺菌能力較強，濕度增至70%時，微生物對紫外線的敏感性降低，濕度增至90%時，殺菌力衰退30%～40%。

    3．對水進行消毒時，水層厚度均應小於2cm，水流過時接受90000UW.S/cm2以上的照射劑量才能使水達到有效消毒。

    4．紫外燈管和套管表麵有灰塵和油污時，會阻礙紫外線透過，因而應經常（一般兩周一次）以酒精、丙酮、氨水作擦拭。

    5．燈管啟動時，加溫至穩定狀態需數分鐘，端電壓較高。關閉後若立即重開，常常較難啟動，且易損壞燈管並減少燈管使用壽命，故一般不宜頻繁啟動。