紫外杀菌灯技术与应用的发展

丁有生

(武汉职业技术学院，武汉 430074)

0 引言

紫外杀菌灯等紫外光源的发光原理是通过等离子体发光或者固体发光产生位于紫外波段的电滋波。在光生物学中，紫外线通常按波长分为长波、中波、短波三种。波长介于315～390 nm 的长波紫外线简称UVA，波长介于280～315 nm 的中波紫外线简称UVB，波长小于280 nm 的短波紫外线简称UVC。而在物理学中，紫外波段的电磁波分为以下区间:波长介于320～390 nm 的称为近紫外，波长介于200～300 nm的为深紫外，波长介于100～200 nm 的为真空紫外，波长介于10～100 nm 的则称为极紫外，如图1所示。目前市场上销售的紫外杀菌灯，大多数是利用低压汞灯发出的254 nm 的短波紫外线(UVC)来进行消毒的，笔者也主要针对该种紫外杀菌灯进行介绍。

20 世纪70年v代开始，紫外杀菌技术逐步应用于污水处理、工业消毒等领域。90年v代随着关键技术的突破，紫外杀菌凭借其特有的环保洁净特性在欧美国家得到广泛的应用。目前，西方国家已有约25%的工业和污水处理厂采用了紫外杀菌技术。我国在该技术的研究方面与国外相比有较大的差距，因此研究紫外杀菌技术的现状及影响因素对用水安全性具有重要作用。

图1 紫外波段电磁波在物理学和光生物学上的细分

1 紫外杀菌灯的作用机理

紫外光(UV)中只有UVA 和UVB 能透过臭氧保护层和大气层到达地球表面，而杀菌作用最强的却是UVC，所以一般利用紫外杀菌的技术称为紫外线C 消毒技术。大量研究表明，就杀菌速度而言，UVC 处于微生物吸收峰的范围之内，可在几秒种之内通过破坏微生物的脱氧核糖核酸(DNA)结构杀死病毒和细菌;而UVA 和UVB 处于微生物吸收峰的范围之外，所以杀菌速度很慢，属于无效的紫外部分，如图2 所示。

图2 DNA 对紫外线的吸收

紫外线具有杀菌消毒作用主要是因为紫外辐射对微生物的核酸产生光化学危害，当微生物被紫外线照射时，细胞的核酸生物活性因吸收紫外线而改变，从而引起菌体内蛋白质和酶的合成障碍，导致结构发生变异，使微生物死亡。紫外线的杀菌作用原理与其核酸、蛋白质和酶的作用有关，短波紫外线能破坏细胞或病毒的核酸结构和功能。核酸的吸收光谱与低压汞灯的杀菌作用光谱几乎完全吻合，核酸中嘌呤和嘧啶对波长260 nm 的紫外线吸收力最强，波长254 nm的紫外线主要被蛋白质吸收。短波紫外线被核酸吸收后，紫外线破坏核酸分子结构，造成核酸或核蛋白分解变性，使之失去正常功能，造成细菌和病毒的死亡或变异。此外，紫外照射还能影响细菌和病毒中许多酶的活性，使其蛋白分子的结构和功能产生改变，影响蛋白质和核酸的代谢合成，亦可使细菌或病毒的毒性减弱，甚至死亡。

不同波长的紫外辐射杀菌效果有较大差异，如图3 所示。相同波长下，紫外辐射对细菌的杀灭效果也与细菌存在的环境以及细菌是否存在变异体有直接的关系。

图3 不同波长的紫外杀菌效果

低压汞灯中的紫外线从玻璃管射出后，254 nm 的紫外线很容易被生物吸收，而185 nm 的紫外线与空气作用可产生有强氧化作用的臭氧，能有效杀灭细菌。紫外辐射可以聚焦达到很高强度，在短时间内杀灭细菌和病毒。另外，紫外杀菌属于纯物理消毒方法，无二次污染。因此，紫外辐射对伤寒菌、赤痢菌、大肠菌、葡萄球状菌、结核菌、枯草菌等有非常好的杀菌效果，由于对各种细菌均有杀伤力，所以紫外杀菌应用范围极广。

2 紫外杀菌技术的影响因素

紫外杀菌技术中影响紫外杀菌效率的因素比较复杂，研究紫外杀菌技术在应用上的限制因素，对经济合理地选择紫外剂量，保证紫外消毒系统的稳定性以及正确清洗等都有指导意义。

2.1 紫外杀菌效果与微生物种类的关系

不同的细菌种类对紫外线的吸收峰值不同。如DNA、大肠杆菌的最大吸收波长均为265 nm，而隐孢子菌、噬菌体的最大吸收波长分别为261 nm 和271 nm。因此所需的杀菌时间也应有所不同。当紫外辐射强度为3×104μW/cm2时，杀灭病毒及细菌、霉菌孢子、藻类细菌所需时间分别为0.1～1.0 s，1.0～8.0 s，5.0～40.0 s。新型紫外消毒系统的紫外线强度很容易达到(3～30)×104μW/cm2，甚至更高，因此能有效杀灭常见细菌、病毒、霉菌、藻类、孢子甚至原生动物。

紫外消毒技术与传统饮用水消毒技术也有差别。紫外消毒技术与氯消毒的趋势相反，氯消毒的优先性依次为病毒、细菌、原虫;而紫外消毒的优先性为原虫、细菌、病毒，即紫外线对病毒尤其是腺病毒和轮状病毒的杀灭效果最差。当紫外辐射剂量为200 mJ/cm2时，只能杀灭1×104个/mL 的腺病毒，而世界饮用水紫外消毒的标准剂量为40 mJ/cm2，因此，最理想的饮用水消毒方式应是氯消毒与紫外消毒相结合。臭氧的杀菌选择性比氯好，但由于受到浓度控制的限制而无法大剂量提供，故对孢子、藻类以及各种原生物的杀灭效果较差。

紫外杀菌设备在实际使用中的标准单位照射量和照度，是以紫外线在杀灭抗紫外光能力较强的菌种时所需的照射量为标准参考的，而对比较特殊的菌种，如黑曲霉和枯草芽孢杆菌，则需要更高杀菌标准的紫外杀菌设备。

2.2 紫外杀菌效果与紫外剂量的关系

紫外剂量是指达到一定的细菌灭活率时，需要特定波长紫外线的量。在水处理用紫外消毒中(紫外辐射均用254 nm 的UVC)，紫外剂量是影响杀菌效果的直接因素，紫外剂量越大，杀菌效果越好。紫外剂量可以表示为紫外线强度与照射时间的乘积。在紫外剂量充足的条件下，失活的病毒细菌不会复活，但剂量不足时，许多被紫外线照射失活的病毒细菌可通过光的协助作用修复自身被破坏的结构。在紫外剂量相同时，可采用高强度、短时间或低强度、长时间的照射方式，以达到杀菌目的。

通过大量紫外杀菌水处理实验可得出，杀灭螺旋杆菌和肠杆菌所需的紫外剂量较小，杀灭孢子所需的紫外剂量较高。如杀灭1×104个/mL 的螺旋杆菌，所需紫外剂量30 mJ/cm2左右，而杀灭同样数量的孢子，则需要70 mJ/cm2左右的紫外剂量。

2.3 紫外杀菌效果与水层厚度的关系

实验表明，对于水流量不超过250 L/h 的管路，以30 W 的低压汞灯对厚度1 cm 的水层灭菌时，灭菌效率可达到90%;对2 cm 厚水层的灭菌效率在73%;对3 cm 厚水层的灭菌效率为56%;对4 cm 厚水层灭菌效率则下降到40%。因此，在实验流速条件下，紫外线有效杀菌的水层厚度不应超过2.2 cm。如果水中含有芽孢细菌，水层厚度应降至1.4 cm，水流量降至90 L/h。如果水中含有泥砂污物，则水层的有效厚度还应降低，否则达不到预期的杀菌效果。

3 紫外杀菌灯的应用

3.1 食品领域消毒

紫外杀菌灯在食品领域中的应用，多是对食品表面进行消毒，消毒后的食物具有更长的保质期，也有对饮料包装材料的杀菌消毒。消毒所用的紫外光源主要是低压汞灯。另一种紫外液体杀菌设施可提高消毒的均匀性和效率，该设备的水与紫外灯是隔离的，灯罩里面为紫外光源，然后将灯镶入杀菌槽中，再接上电源构成一个整体。近些年出现的多灯组合方式的高输出光源设备，使杀菌能力大大提升，如在杀菌槽中对枯草芽孢杆菌的杀灭能力已经达到了99.9%。杀菌能力的大幅度提升已经能实现应用中对液体进行流水作业消毒。

在食品工业中，保证加工场干净整洁，需要对空气进行消毒。空气中的细菌一般会依附在灰尘与空气中的小水滴上，也会依附在人们的衣服、毛发上等。现在使用的空气杀菌消毒设备主要是悬于生产车间顶端的中间有通风槽的空气杀菌消毒器，利用空气的自然对流进行消毒。考虑到紫外线对人体的影响，将光源内置于消毒器盒内，并将消毒设备放置在通道旁边，用风扇使空气循环。

3.2 水处理

紫外杀菌灯在水处理方面的应用非常广泛。在水处理应用中，不仅用到了紫外灯的消毒杀菌作用，还用到了它的光催化反应原理，即光催化产生羟基矿化降解和杀菌。254 nm 和365 nm 这两种波长的紫外灯现都已成功用于光催化反应的应用中。其中254 nm的紫外灯就是常见的杀菌灯，而365 nm 谱线的灯，通常采用专用的黑色透紫外玻璃，也可采用石英玻璃并涂覆365 nm 紫光粉。采用石英材料的透光率要高，但其成本也相应增加。一般在水处理中通常使用254 nm 辐射的紫外线灯。

3.3 空气净化

一般对流动的空气进行杀菌，只能使用紫外线、过滤、静电除尘除菌装置。其中过滤是通过细小的孔洞把细菌、病毒过滤除掉，这种过滤装置很容易造成风阻，造价也很高，只能在某些高档场所运用，如飞机上。静电除菌是通过静电吸附后达到杀菌目的，在风流量较大的风口，无法达到很高的杀菌率。而紫外线是以辐射紫外线光波的形式来杀菌，它能透过空气，只要被紫外线照射到就可对细菌和病毒进行杀灭。此外，紫外杀菌灯的光催化原理已被成功用于空气净化，目前在市场上看到的光催化空气净化器就是利用该原理。

4 紫外杀菌灯目前存在的问题

当紫外处理过的水离开反应器之后，一些被紫外线杀伤的微生物在光复活机制下会修复损伤的DNA分子，使细菌再生。紫外杀菌灯目前无法抑制光复活现象的发生。因此，要进一步研究微生物光复活的原理与条件，确定避免光复活发生的最小紫外线照射强度、照射时间及紫外剂量。

紫外杀菌灯石英管表面的污垢会影响紫外线的穿透力，从而影响杀菌效果。在应用中，当水流经紫外线消毒系统时，无机杂质会沉淀、粘附在石英套管外壁上，尤其当水中有机物含量较高时很容易形成污垢膜，在此基础上微生物容易生长形成生物膜，这些都会影响杀菌效果。因此，要根据水质采取合理的防结垢措施和清洗装置，或者开发研制具有自动清洗功能的紫外消毒系统。

目前国产紫外灯的有效寿命一般为1 000～3 000 h，而进口的低压高能灯管使用时间可达8 000～12 000 h，中压灯管可达5 000～6 000 h，使用国产灯管会增加维修费用。因此，研制使用寿命长的紫外灯或引进国外先进的紫外灯生产技术，是目前亟待解决的问题。

5 小 结

紫外杀菌技术具有杀菌效率高，不产生有毒害的副产物，系统运行安全，设备维修简单，投资及运行维修费用低等特点。紫外杀菌技术从出现至今一直在不断发展，紫外线光源的高效率与应用性强使紫外杀菌设备成为食品加工厂与制药厂不可或缺的杀菌设备。紫外杀菌灯的发展应用还有极大的扩展空间，脉冲氙灯杀菌仪的出现，为更多领域利用紫外杀菌提供了很好的思路。随着技术的日趋完善，紫外杀菌的应用前景将更加广阔。

［1］杨茜.紫外杀菌灯的技术及应用［J］.灯与照明，2005，30(2):49～53

［2］Yoshino K，姜伟.紫外杀菌的原理和最新应用［J］.中国照明电器，2005(4):28～31

［3］闫岩，郦和生，任志峰.紫外杀菌技术的研究现状［J］.石化技术，2012，18(4)

［4］陈大华，杨澄学.紫外线汞灯及其在消毒中的应用［J］.中国照明电器，2009(9)

［5］严冬.污水处理中紫外消毒效果研究［J］.环境科学与管理，2010，35(11)