紫外发光二极管(UV-LED)波长耦合对水中大肠杆菌的灭菌研究

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消毒是水处理中的重要环节之一。传统的化学消毒工艺虽然能实现高效灭菌,但也存在产生消毒副产物、影响出水感官性状、难以解决耐氯微生物污染等问题。紫外消毒是一种能够解决上述问题的新型消毒工艺,可作为传统化学消毒的二级处理手段或作为独立单元使用。目前应用广泛的紫外发生器为紫外汞灯,存在寿命短、汞蒸气污染、回收困难等问题。紫外发光二极管(UV-LED)是近年开发的以半导体为芯片材料的新型紫外发生器,在弥补了汞灯技术缺陷的同时,具有波长可调,使用方式灵活等特点,可实现基于不同波长UV-LED耦合的紫外灭菌技术,能提升紫外消毒效果,因此有望替代汞灯成为新一代紫外消毒灯具。本论文中的研究使用UV-LED在不同水质条件中进行灭菌实验作为基础,比较不同波长组合的灭菌能力、不同水质条件对灭菌过程的影响,实验内容和结论如下:使用不同单波长和耦合波长的UV-LED,以及UVA/UVB/UVC三组波长联用,选取自制纯水、富里酸(FA)溶液和汤逊湖污水处理厂二级出水这三种水样,在满足掺混条件的反应器中分别进行灭菌实验。研究结果表明:(1)波长为275 nm和365 nm/275 nm的UV-LED分别在单波长和耦合波长中灭菌效果最高,三组波长365 nm/310 nm/275 nm联用的灭菌效果更高,超过上述所有波长及其耦合的灭菌效果;(2)在考虑掺混条件的反应器中,当灭菌反应进行到一定时间后,灭菌对数n与灭菌时间t存在近似线性关系,根据实验现象建立了基于掺混的模型,认为在该反应器中的灭菌效果受到细菌浓度和浓度梯度的影响;(3)水质条件对UV-LED灭菌过程存在不同影响,FA溶液能够降低UV-LED的灭菌效果,污水处理厂二级出水对不同UV-LED波长组合的影响存在差异;(4)p H对灭菌效果的影响无明显规律,中性为灭菌最佳条件;(5)在本实验的条件下,未观测到明显的细菌复活现象。使用不同波长的UV-LED,在排除了掺混条件的长方体反应器中,通过猝灭实验敲除相应活性物质,讨论能够激发水中溶解性有机物生成活性物质的紫外波长及组合,研究结果表明:(1)365 nm和310 nm紫外光在FA溶液和污水处理厂二级出水中均能产生羟基自由基、单线态氧和三线态物质等光致活性物质,365nm/310 nm波长耦合存在协同作用,但不显著;(2)在本实验的FA和二级出水条件下,单线态氧对灭菌的贡献最高;(3)与UV-LED部分波长对大肠杆菌造成的直接杀伤作用相比,活性物质造成的间接杀伤作用较微弱,但间接杀伤作用能缩短达到相同灭活对数的反应时间。根据前两阶段的实验结果,设计了一套基于UV-LED波长耦合的能够连续运行的水处理循环式消毒反应器,反应器处理速度为每单周期40 min处理5000ml,并能在处理周期内使细菌浓度下降3~4个数量级,出水水质比较稳定,且适宜在不同水质中使用,证明了UV-LED波长耦合灭菌技术具有较高的实用价值。将上述研究结果进行综合分析可知,UV-LED波长耦合技术是一种具有较大发展潜力的紫外消毒工艺,通过选取最佳耦合波长、调整水质条件以及合理设计反应器形式,能够在水中实现绿色高效灭菌,为紫外消毒工艺的更新换代提供了新的技术方案。
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