紫外+超濾組合工藝在袋裝水消毒上的應(yīng)用

張 征， 肖 峰

(1.天津津淼凈水技術(shù)有限公司， 天津 300240； 2.天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司 凌莊水廠， 天津 300000)

袋裝水是近年來(lái)飲用水行業(yè)涌現(xiàn)出來(lái)的新型包裝模式，具有安全、衛(wèi)生、方便等優(yōu)點(diǎn)，深受市場(chǎng)歡迎。但袋裝水也有一些技術(shù)難點(diǎn)，例如，國(guó)家生產(chǎn)衛(wèi)生規(guī)范中推薦臭氧為飲用水終端消毒保質(zhì)形式，但并不適合袋裝水共擠膜包裝形態(tài)，因?yàn)槌粞鯐?huì)與共擠膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而會(huì)影響水質(zhì)口感，因此尋求一種新的消毒保質(zhì)方法，使產(chǎn)品既符合國(guó)家《包裝飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)》又能長(zhǎng)時(shí)間保質(zhì)，成為困擾行業(yè)發(fā)展的一個(gè)課題。對(duì)此，筆者采用了“紫外+超濾”組合工藝來(lái)作為袋裝水終端消毒保質(zhì)的方案，開(kāi)展了相關(guān)研究。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 紫外線試驗(yàn)裝置與方法

1.1.1 紫外線試驗(yàn)裝置

紫外線消毒試驗(yàn)裝置采用過(guò)流式殺菌方式，用不銹鋼腔體整體焊接而成，見(jiàn)圖1。內(nèi)部埋設(shè) 1支石英紫外線燈，燈 管 瓦 數(shù) 為40 W。用分光光度計(jì)測(cè)定試驗(yàn)工藝水在254 nm下的吸光度，根據(jù)紫外線消毒試驗(yàn)中平均光強(qiáng)計(jì)算，確定試驗(yàn)工藝水實(shí)際接受的平均光強(qiáng)為0.023 mW/cm2。

圖1 紫外線滅菌器Fig.1 Ultraviolet sterilizer

1.1.2 試驗(yàn)方法

紫外線劑量為紫外線照射時(shí)間與紫外線平均照射強(qiáng)度的乘積。紫外線的平均照射強(qiáng)度用UVC-254型紫外線強(qiáng)度儀從不同角度測(cè)試儀器內(nèi)部的紫外線強(qiáng)度，然后求平均值得到，即：

D=I·t

式中D——紫外線劑量，mJ/cm2；

I——紫外線強(qiáng)度，mW/cm2；

t——輻射時(shí)間(水停留時(shí)間)，s。

將試驗(yàn)工藝中的水通過(guò)過(guò)流式紫外線消毒器進(jìn)行消毒，水樣從出水端流出。通過(guò)控制不同的進(jìn)水流量來(lái)控制紫外線劑量，考察不同劑量條件下紫外線的滅菌效果。消毒效果采用微生物的去除率q或滅活率M表示。

q=(N0-N)/N0

M=lgN0/N

式中q——微生物指標(biāo)去除率；

N0——進(jìn)口處水中微生物數(shù)，CFU/mL；

N——出口處水中微生物數(shù)，CFU/mL。

試驗(yàn)中微生物指標(biāo)包括細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌與銅綠假單胞菌，計(jì)數(shù)方法分別采用營(yíng)養(yǎng)瓊脂、品紅亞硫酸鈉膜濾法和CN瓊脂膜濾法。將試驗(yàn)室提供的細(xì)菌菌落、大腸桿菌與銅綠假單胞菌接種于固體分離培養(yǎng)基上，置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24～48 h，再將培養(yǎng)好的細(xì)菌菌落、大腸桿菌和與銅綠假單胞菌的營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)液進(jìn)行10 min的離心分離，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。除去上清液并用一定量的無(wú)菌生理鹽水溶解沉淀物，制成一定濃度的細(xì)菌混合溶液。

1.2 超濾試驗(yàn)裝置與方法

1.2.1 超濾試驗(yàn)裝置

中空纖維膜組件測(cè)試裝置選用截留相對(duì)分子質(zhì)量分別為10 000，6 000和4 000 Da的超濾膜，采用主管恒壓設(shè)計(jì)，循環(huán)水泵為變頻控制，主管上設(shè)置壓力變送器，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵頻率控制主管壓力恒定。同時(shí)，壓力變送器監(jiān)控主管壓力，可發(fā)揮保護(hù)作用。

圖2 超濾元件Fig.2 UV element

1.2.2 試驗(yàn)方法

將不同截留相對(duì)分子質(zhì)量的膜裝于有機(jī)玻璃過(guò)濾筒內(nèi)，膜片和濾筒使用前均用100～200 mg/L有效氯浸泡消毒0.5 h以上，并用硫代硫酸鈉脫除多余的氯后備用。向過(guò)濾裝置中加入無(wú)菌水，啟動(dòng)泵，調(diào)節(jié)膜組件進(jìn)口水溫為5～15℃，同時(shí)計(jì)算平均膜壓差PTM和回收率R，回收率控制在50%以下。

PTM=[(P1+P0)/2]-Pp

式中PTM——平均膜壓差，kPa；

P1——膜裝置出口壓力，kPa；

P0——膜裝置進(jìn)口壓力，kPa；

Pp——過(guò)濾水壓力，kPa。

R=(Qp/Q0)×100%

式中R——回收率，%；

Qp——過(guò)濾水流量，m3/h；

Q0——膜裝置進(jìn)水流量，m3/h。

以潔凈的水，人工添加菌株，配制成含細(xì)菌總數(shù)10 000～50 000 CFU/mL、大腸桿菌3 000～30 000 CFU/mL和銅綠假單胞菌10 000～50 000 CFU/mL的水樣，加入到超濾裝置中。在平均膜壓差150 kPa下過(guò)濾，再用滅菌容器收集膜過(guò)濾后的水，檢驗(yàn)細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌與銅綠假單胞菌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 紫外線劑量與微生物滅活率的關(guān)系

不同紫外線劑量下，菌落總數(shù)、大腸桿菌和銅綠假單胞菌的滅活曲線見(jiàn)圖3。

圖3 紫外線劑量與微生物滅活率關(guān)系Fig.3 Relationship between UV dosage and microbial inactivation rate

由圖3可知，紫外線照射初期，3類微生物指標(biāo)的對(duì)數(shù)滅活率都隨著紫外線劑量增加而升高，其中菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅菌效果好于銅綠假單胞菌。當(dāng)紫外線劑量達(dá)到12.2 mJ/cm2時(shí)，菌落總數(shù)和大腸桿菌的對(duì)數(shù)滅活率達(dá)到2.1以上，而銅綠假單胞菌只有1.28；繼續(xù)增大紫外線劑量到20.4 mJ/cm2，這3類微生物指標(biāo)的對(duì)數(shù)滅活率都達(dá)到了2.0以上，消毒滅菌效果比較理想。

2.2 紫外消毒后的微生物復(fù)活現(xiàn)象

與臭氧或含氯消毒劑在水體中可以保持一段時(shí)間不同，紫外消毒屬于物理瞬間消毒技術(shù)，當(dāng)處理后出水離開(kāi)消毒反應(yīng)器后，一些被紫外線殺傷的微生物在可見(jiàn)光照射下會(huì)修復(fù)損傷的分子從而再生。部分細(xì)菌在無(wú)光的條件下也可進(jìn)行自身修復(fù)，即暗復(fù)活。根據(jù)目前的研究結(jié)果，光復(fù)活是大部分微生物修復(fù)的主要途徑，也是主要控制目標(biāo)。

由于袋裝飲用水保質(zhì)期較長(zhǎng)，參考目前現(xiàn)行《瓶裝飲用純凈水》(GB 17323—1998)、《瓶(桶)裝飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19298—2003)、《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)等要求，微生物指標(biāo)細(xì)菌總數(shù)需小于20 CFU/mL；大腸桿菌和銅綠假單胞菌需未檢出。在飲用水處理過(guò)程中，當(dāng)微生物指標(biāo)含量較高時(shí)，僅依靠紫外線消毒會(huì)因?yàn)槲⑸飶?fù)活現(xiàn)象存在，并不能保證保質(zhì)期內(nèi)的水質(zhì)安全，所以還需增加超濾程序來(lái)進(jìn)一步去除微生物。

2.3 超濾膜對(duì)微生物的去除效果

采用4 000，6 000和10 000 Da共3種截留分子量超濾膜，對(duì)人工添加菌株的水樣進(jìn)行超濾。通過(guò)對(duì)比不同截留分子量超濾膜對(duì)細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌與銅綠假單胞菌的去除效果，選擇適合生產(chǎn)工藝的超濾膜，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同截留分子量超濾膜對(duì)微生物的去除效果Fig.4 Microbial removal effects of UF membranes with different molecular weight interception

從圖4可以看出：人工添加菌株的水樣經(jīng)不同孔徑的超濾膜后，微生物含量均大幅度降低，其中截留分子量4 000 Da的超濾膜對(duì)銅綠假單胞菌和大腸菌群數(shù)的去除率均達(dá)到100%，對(duì)細(xì)菌總數(shù)的去除率在98.87%～99.71%；截留分子量6 000 Da的超濾膜對(duì)銅綠假單胞菌、大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)的去除率分別在98.78%～99.08%、98.79%～99.95%和97.86%～99.08%；截留分子量10 000 Da的超濾膜對(duì)銅綠假單胞菌、大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)的去除率分別為98.72%～99.64%、98.71%～99.54%和93.47%～96.43%。相比而言，截留分子量10 000 Da的超濾膜的去除效果不理想，在進(jìn)水被嚴(yán)重污染時(shí)，不能有效地將細(xì)菌總數(shù)控制在低水平。

2.4 紫外+超濾的保質(zhì)試驗(yàn)

針對(duì)袋裝飲用水保質(zhì)期長(zhǎng)、灌裝過(guò)程中不能殘留氧化性消毒劑的特點(diǎn)，可以采用紫外+超濾的方式進(jìn)行消毒滅菌。人為增加進(jìn)水微生物含量，模仿污染情況進(jìn)行生產(chǎn)，采用紫外+超濾的方式滅菌，最后密閉灌裝留樣，考察不同儲(chǔ)存時(shí)間后微生物指標(biāo)的復(fù)活情況，見(jiàn)表1。

表1 微生物指標(biāo)間隔試驗(yàn)監(jiān)測(cè)情況Tab.1 Interval experimental monitoring of microbial index

試驗(yàn)表明，即使在前級(jí)受到微生物污染的情況，依靠紫外+超濾的攔截方式，依然可以保證包裝水長(zhǎng)時(shí)間的水質(zhì)安全，全部合格。

3 結(jié)語(yǔ)

① 紫外線對(duì)前級(jí)飲用水有較好的殺菌效果，但紫外線屬于瞬間殺菌方式，在水中無(wú)法殘留，因而不能持續(xù)殺菌。

② 當(dāng)紫外線劑量達(dá)到20.4 mJ/cm2時(shí)，細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌、銅綠假單胞菌微生物指標(biāo)可以符合《瓶裝飲用純凈水》(GB 17323—1998)、《瓶(桶)裝飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19298—2003)、《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)等現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

③ 超濾膜孔徑越小，對(duì)微生物的過(guò)濾效果更佳，但相應(yīng)的成本也就越高。在與紫外配合的前提下，選用6 000 Da截留分子量的超濾膜最為恰當(dāng)。

④ 紫外+超濾方式可以代替臭氧、氯制劑，對(duì)袋裝水進(jìn)行終端化學(xué)消毒，在達(dá)到滅菌的同時(shí)無(wú)化學(xué)殘留，可以達(dá)到保質(zhì)效果，為袋裝水行業(yè)提供了參考。