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中压紫外线技术在包装饮用水中的杀菌应用

铜绿假单胞菌,又名绿脓杆菌,因其可产生多种外毒素、内毒素等致病因子,是导致急性肠道疾病和皮肤炎症的完全致病菌,故成为包装饮用水检测中一项非常重要的指标。鉴于铜绿假单胞菌的致病性,《食品安全国家标准 包装饮用水》(GB 19298-2014)明确规定,每250mL水样中铜绿假单胞菌不得检出,并要求出厂前对每批次成品包装饮用水进行铜绿假单胞菌检测,若检出该物质,则为不合格产品,必须召回且停止销售。

臭氧消毒是目前较为常用的针对包装饮用水的杀菌方式,但是其存在较大缺陷:通入臭氧含量低,导致许多有害微生物不能被完全杀死;通入臭氧含量高,则容易产生溴酸盐(一种化学毒性副产物)……由于难以对臭氧消毒剂量进行准确把控,导致包装饮用水不合格事故频发,这让很多生产厂家苦恼不已。因此,作为物理杀菌的紫外线技术由于不会产生任何副产物,使用起来更加放心、安心,越来越受到相关企业的青睐。本文主要介绍了紫外线杀菌技术,以及东芝紫外线设备在包装饮用水杀菌方面的应用。

图1 低压紫外线与中压紫外线的波长特征对于杀菌效果的影响

1 紫外线杀菌技术要点

由于紫外线是在接触水时进行瞬时杀菌,并没有持续的灭菌作用,故对后续工艺的要求更高。而且在使用紫外线进行杀菌时,如果忽略了以下几项要点,较容易导致杀菌效果不理想。

①紫外线剂量不够,导致杀菌不彻底。各种病毒、微生物对紫外线剂量的承受能力差异很大,必须进行科学的设计才能保证有足够的紫外线剂量。

②后期维护不力,使套管结垢遮挡了紫外线输出。紫外线设备并不是安装完毕就可以一劳永逸,后期的设备维护工作也十分重要。因为紫外线是通过光波产生作用,如果污垢阻挡了光波,便无法发挥其杀菌效果。

③低压紫外线的杀菌波长单一,部分细菌病毒有可能再度复活。虽然细菌会在紫外线的照射下停止活动,但遇到可视光后细菌仍有可能重新活动,这种现象称为“光复活”现象。

目前,国内进行水杀菌处理时常采用的紫外线灯几乎都是低压灯,虽然其具有杀菌效率高、不产生二次污染、安全性高、维护费用低等优点,但是也存在光复活、穿透力低等缺点。相对而言,针对食品加工用水、包装饮用水等杀菌要求较高的水处理问题,中压紫外线更能满足用户的需求。

图2 东芝紫外线灯的实际数据

2 低压紫外线与中压紫外线的区别

2.1 波长特征不同

低压紫外线灯:杀菌波长单一,主要集中在254nm。由于微生物自身具有修复机制,已经被紫外线杀灭的细菌在光照条件下会部分复活,导致出水的微生物指标未能达标。

中压紫外线灯:起广谱杀菌作用,不仅能破坏微生物的DNA结构,还能破坏细胞内的酶及蛋白质,对微生物组织结构造成全面的、不可逆的伤害,从而有效克服微生物的复活问题,杀菌更为彻底。

图3 中压紫外线设备(左)与低压紫外线设备(右)

2.2 能量密度不同

中压紫外线灯每单位厘米的能量密度约为低压紫外线灯的50倍,故其能在确保强大杀菌效果的同时大大减少设备的占地面积。

2.3 对设备的工艺要求不同

中压紫外线灯的表面温度能达到800℃左右,远远高于低压紫外线灯,这就对设备的安全性及密封性提出了更高的要求。

2.4灯管寿命不同

因为中压紫外线灯的生产工艺相当复杂,相对于低压紫外线灯几千甚至上万小时的使用寿命来说,目前国内中压紫外线灯的寿命只有几百到一千小时左右,且性能不甚稳定。日本东芝公司在水处理方面积累了长期的使用经验,其生产的中压紫外线灯通过了第三方的对比测试——在工作了7500小时后,照度维持率仍保持在82.6%左右,可谓国际领域首屈一指的品牌。

图4 东芝紫外线灯与其他品牌产品的照度维持率对比

3 中压紫外线杀菌技术优势

中压紫外线技术由于其广谱特性,使杀菌更为彻底——可以在饮用纯净水工艺的活性炭后段、矿泉水工艺的锰砂后段等潜在的容易滋生微生物的部位进行把关式灭菌。另外,其可在臭氧塔前段进行彻底灭菌,使水中的微生物指标全部达标,再结合后续臭氧工艺,保证对臭氧塔后段灌装管路和灌装时空气带进瓶内的细菌进行完全有效的控制。中压紫外线杀菌技术具有以下几方面技术优势:

①更大的杀菌广谱性;

②中压紫外线杀菌技术杀菌效果彻底且稳定;

③采用CFD RED剂量选型模式,杀菌效果可控。

4 中压紫外线设备在瓶装水消毒中的应用

4.1 纯净水消毒

在此过程安装中压紫外线设备的作用:

①降低活性炭后工艺环节的微生物负荷及压力;

②减少微滤拦截的微生物在膜表面形成生物膜;

③降低膜穿孔风险和微生物穿透风险;

④提高膜的使用寿命和过水面积;

⑤降低RO膜的清洗频率;

⑥减轻后端臭氧消毒的压力,降低臭氧的添加量,改善车间工作环境。

图5 中压紫外线设备在纯净水消毒中的应用流程

4.2 矿泉水消毒

中压紫外线设备在矿泉水消毒中的流程为:地下水→原水泵→锰砂除铁→锰砂除锰→1级中压紫外线设备→膜滤→产品水箱→2级中压紫外线设备→臭氧混合塔→灌装线。

在此过程安装中压紫外线设备的作用如下:

①1级中压紫外线设备从源头控制致病菌总数,从而保证后续系统不再受前工序细菌的积累性污染;

②2级中压紫外线设备将中间过程,包括膜滤、产品水箱滋生的致病菌微生物全面性杀灭,保证进臭氧混合塔前的水中微生物达标;

③降低后端臭氧的添加量,有效降低溴酸盐浓度,还能减少可同化有机碳(AOC)。

图6 中压紫外线设备在产品线中的应用场景

4.3 山泉水消毒

中压紫外线设备在山泉水消毒中的流程为:山泉水→砂滤→锰滤→活性炭→1级中压紫外线设备→UF超滤→水箱→投加臭氧→灌装线。

在此过程安装中压紫外线设备具有如下作用:

①将通过锰砂和活性炭之后的水中的目标微生物控制到最低程度;

②保证后管路和设备没有目标微生物污染;

③保护UF,使其清洗周期相对延长。

图7 使用中压紫外线杀菌器前后检测结果对比