宋孟鑫， 张吉库， 宁 楠

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳100168)

紫外线消毒具有杀菌快速广谱、无有害消毒副产物、操作安全方便、运行维护简单等优点，已被广泛应用于水处理工艺中[1-5]。但是由于缺乏持续的消毒效果，水中微生物易产生二次光复活现象，紫外线消毒的应用受到限制。因此，如何有效控制紫外线消毒产生的光复活现象，是当前需要解决的问题。孙雯等[6]的研究表明，当紫外线剂量为120 mJ/cm2时，大肠杆菌光复活率比紫外线剂量为5 mJ/cm2时降低了3个对数数量级。笔者以大肠杆菌为研究对象，通过改变紫外线强度和辐射时间，分析了紫外线剂量对紫外线消毒后水中大肠杆菌光复活现象的影响。

1 材料与方法

1.1 试验菌种与用水

取2 mL大肠杆菌原液于新鲜的液体营养培养基中，于37 ℃以160 r/min恒温振荡、培养24 h，除去上清液后留存备用。

试验水样：取一定量的大肠杆菌溶液，滴加至140 L实验室自来水中，制成细菌浓度约为105CFU/mL的试验用水。

1.2 试验装置

试验装置采用强化导流(DR)型紫外线消毒器，工艺流程如图1所示。

图1 试验工艺流程Fig.1 Flow chart of test process

紫外灯选用6支低压低强度类型灯管，灯管额定功率为20 W，长度为490 mm，通过改变灯管数量来控制紫外线强度。在侧壁上等距离设置5个取样口，取样分别对应不同的停留时间。日光灯管选用3支Led灯管，额定功率为22 W，长度为300 mm。设置在避光箱内，以避免实验室光照对试验效果的影响。

1.3 试验方法

1.3.1 紫外线消毒试验

控制流量计流量为1.55 m3/h，分别开启DR型紫外线消毒器的0，2，4，6根紫外光灯管。等待最大停留时间后，从第5取样口取样，测定不同紫外线剂量下水样中大肠杆菌的浓度，计算大肠杆菌的对数灭活率。

1.3.2 光复活试验

将紫外线消毒后的水样置于完全封闭的遮光箱内，在日光灯下40 cm处照射。开启3根日光灯管，测定光照时间分别为0，2，4，6，8，12，24，48和72 h后水样中细菌的浓度，计算大肠杆菌的对数光复活率。

1.4 检测方法

采用品红亚硫酸钠滤膜法检测大肠杆菌。使用灭菌滤膜过滤器过滤水样，将大肠杆菌截留在滤膜上。将滤膜放在品红亚硫酸钠培养基上，37 ℃下恒温培养24～48 h后，取出直接计数[7]。每组水样取3个平行样板，计数结果取平均值。

1.5 评价方法

大肠杆菌紫外线消毒对数灭活率计算公式如下[8]：

P=lg(N0/N)

(1)

式中：P为微生物对数灭活率；N0为紫外线消毒前水中大肠杆菌的数量，CFU/mL；N为紫外线消毒后水中大肠杆菌的数量，CFU/mL。

2 结果与讨论

2.1 紫外线强度对大肠杆菌光复活的影响

当紫外线辐射时间为21 s时，将含大肠杆菌的水样分别经过紫外线强度为1.28，2.72和4.42 mW/cm2的紫外线消毒后，在相同复活光条件下的试验结果如图2所示。

图2 紫外线强度对大肠杆菌光复活的影响Fig.2 The effect of ultraviolet intensity on photoreactivation of Escherichia coli

由图2可知，当辐射时间一定时，紫外线强度越强，大肠杆菌对数复活率越小。当紫外线强度为1.28 mW/cm2(紫外线剂量等于26.88 mJ/cm2)时，经复活光光照6 h后，大肠杆菌的光复活率达到3.23个对数数量级，经紫外线消毒后的灭活率恢复高达64.6%，光复活速率快。当紫外线强度为2.72 mW/cm2(紫外线剂量等于57.12 mJ/cm2)时，经复活光光照12 h后，大肠杆菌的光复活率为1.46个对数数量级，经紫外线消毒后的灭活率恢复29.2%，光复活速率较慢。当紫外线强度大于4.42 mW/cm2(紫外线剂量大于92.28 mJ/cm2)时，经复活光光照12 h后，大肠杆菌的光复活率仅为1.16个对数数量级，经紫外线消毒后的灭活率仍恢复23.2%，与紫外线强度为1.28 mW/cm2时相比减少2.72个对数数量级，光复活速率慢；12 h后光复活速率相较于紫外线强度为1.28 mW/cm2时快。

2.2 紫外线辐射时间对大肠杆菌光复活的影响

当紫外线强度为4.42 mW/cm2时，将含大肠杆菌的水样分别经过7，14 和21 s紫外线消毒。由图3可以看出，当紫外线强度一定时，紫外线辐射时间越长，大肠杆菌对数复活率越小。当水力停留时间为7 s、紫外线剂量等于30.94 mJ/cm2时，经复活光光照6 h后，大肠杆菌的光复活率高达3.08个对数数量级，经紫外线消毒后的灭活率恢复61.6%，光复活速率较快。水力停留时间大于14 s，紫外线剂量大于61.88 mJ/cm2时，复活光光照12 h后，大肠杆菌的光复活率为1.24个对数数量级，占灭活数量的24.8%，较水力停留时间为7 s时减小2.57个对数数量级，光复活速率慢；12 h后光复活速率较水力停留时间为7 s时快。

图3 紫外线辐射时间对大肠杆菌光复活的影响Fig.3 The effect of different ultraviolet radiation time on photoreactivation of Escherichia coli

3 试验原理

3.1 紫外线消毒机理

紫外线对水中微生物的消毒作用，主要是通过C波段紫外线对微生物的辐射，损伤了其体内核酸的结构使其致死，由此达到消毒的效果。核酸在紫外线的作用下，分子上两个相近的胸腺嘧啶(T)或胞嘧啶(C)之间能够由共价键相连，组成环丁烷型嘧啶二聚体(T<>T)[9]。紫外线主要通过这种促成环丁烷型嘧啶二聚体的形成的方式，造成对核酸分子的损伤。

3.2 光复活机理

光复活现象是一种在光作用下的DNA修复过程，根据修复原理不同可分为光修复和暗修复。光修复是在可见光的作用下，因为某些微生物DNA内存在光复活酶，使胸腺嘧啶二聚体被解聚成单体，从而恢复DNA复制功能的过程。暗复活修复是微生物在经受紫外线辐射时，因为DNA的复制过程减慢，复原损伤的时间滞后，使紫外线损伤在有效时间内实现修复的过程。

在水的消毒过程中暗修复现象较少发生，主要考虑光复活现象的DNA光修复。光复活现象分两步进行：第一步，DNA光复活酶特异性地结合到含T<>T的DNA上，在光照条件下，向T<>T二聚体转移一个电子，生成了光复活酶-二聚体的化合物；第二步，光复活酶-二聚体的化合物在光解作用下释放光复活酶，逆解二聚体使其单体化[10]。

4 结论

① 经紫外线消毒后的大肠杆菌会在一定的复活光照射条件下，产生光复活现象，光复活能力受紫外线剂量大小影响。

② 当辐射时间不变时，紫外线强度越强，大肠杆菌光复活率越小。当强度不变时，紫外线辐射时间越长，大肠杆菌光复活率越小。

③ 提高紫外线剂量有利于控制大肠杆菌的光复活程度，较高紫外线剂量辐射下的大肠杆菌，其光复活程度显著低于较低紫外线剂量辐射下。

④ 经较高紫外线剂量辐射后的大肠杆菌，其产生光复活现象的时间显著滞后于较低紫外线剂量。