消毒专题知识讲座

消毒(Disinfection)AquaculturalEngineeringW-166/14/20231水產養殖對消毒之需求在於控制疾病與掠食者，控制程度之需求視養殖密度及投資費用而定。密閉系統養殖密度高及水循環再利用，必需較高程度之消毒處理。6/14/20232致病生物之特征致病生物涉及細菌、病毒及其他單細胞生物，可能呈活性體或孢子狀態。消毒處理必需能控制對養殖生物有害或對消費者有害之生物。6/14/20233消毒措施涉及加熱、紫外線或化學藥劑。化學措施涉及加氯及臭氧或其他藥劑6/14/20234殺菌動力學

殺菌速率方程式dN/dt=-kN(14-1)dN/dt=微生物消滅速率；k=速率常數；N=活性微生物數ln(N1/No)=-kt(14-2)No=起始活性微生物數；N1=時間t時之活性微生物數10為底表达時t=(2.3/k)log(No/N1)(14.3)6/14/20235影響殺菌速率之原因

速率常數k(Equation14.3)為pH、水溫、消毒劑濃度及環境條件。以一消毒劑濃度處理達某一消毒效率所需時間tCdisn=K1(14.4)t=需求時間；K1=常數；Cdis=消毒濃度；n=稀釋係數lnt+nlnCdis=lnK1lnt=K2-nlnCdis(14.5)6/14/20236n值之影響原因

n值因病菌種類、消毒劑種類及環境條件而異。n值大於1表达消毒劑濃度對消毒效率之影響很大；n小於1表达接觸時間對消毒效率之影響較大。n近於1表达兩者之影響力相當。6/14/20237若殺菌百分比已知，則Equation14.3可簡化為14.6.式t=K3/k(14.6)K3=常數﹔k=(K3/K1)Cndis=K4Cndis(14.7)K1,K3,andK4為常數,k為速率常數K1:由14.5式(i.e.,K2=lnK1)圖形決定，K3:由滅菌百分比及14.3式決定(K3=2.3(log(No/N1)))6/14/20238溫度之影響

Arhenius'work:k=K5e-H/RT(14-8)K5=常數；H=活化能(cal);R=氣体常數(1.99cal/oC);T=絕溫度(oK)logk=logK5–(0.434H/R)(1/T)(14.9)由kversus1/T之雙對數圖可估算K5及H值。6/14/20239CHLORINATION(加氯消毒)氯消毒劑之類型涉及氯氣(Cl2)、次氯酸鹽(OCl-)，氯氣於水中溶解度高7160mg/literat20℃and1.013105Papressure(Rich,1963).6/14/202310氯之化學反應溶於水Cl2+H2OHOCl+H++Cl-(14.10)HOClOCl-+H+(14.11)Ca(OCl)2

Ca2++2OCl-(14-12)與氨作用NH3+HOClNH2Cl+H2O(14.13)NH3+2HOClNHCl2+2H2O(14.14)NH3+3HOCl NC13+3H2O (14.15)6/14/2023116/14/202312餘氯(Residualchlorine)涉及自由餘氯：HOCl、OCl-(毒性較強，衰減速率較快)及結合餘氯-氯氨(毒性較低，不易衰減)。6/14/202313折點加氯消毒曲線1–2:氯與還原性物質反應2–3:生成氯氨。3:開始生成自由餘氯於3點上:自由餘氯濃度升高使氯氨完全氧化為三氯氨(i.e.,NCl3)、N2、N2O3-4:氯氨完全氧化4:達臨界點4以後：餘氯由不易分解之氯氨及自由餘氯組成。6/14/202314氯消毒速率方程式：Rich(1963)dN/dt=-kNt(14.16)∫(dN/N)=-k∫tdtln(N1/N0)=-(1/2)kt2ln(N0/N1)=0.5kt2t2=(2/k)ln(N0/N1)t2=(4.6/k)log(N0/N1)6/14/202315加氯消毒之缺點

氯對水生物有毒(Table14.1)；需相當長接觸時間才有效Liuetal.(1971):在2℃及0.5mg/liter自由餘氯條件下，各種病毒欲達99.99%失去活性，所需接觸時間為2.7-120min。殘餘氯與氯氨之清除能够活性碳吸附、以還原劑(sodiumthiosulfate、ferroussalts)中和或曝氣清除。6/14/2023166/14/202317加熱消毒(HEAT)提升至某一溫度並維持一定時間；牛奶之消毒加溫至60℃維持30min或71.1℃維持15s。此法主要缺點為需耗用能源及養殖生物無法忍受消毒所需高溫，消毒處理後水需再降溫。6/14/202318紫外線(UltravioletLight)UV之波長：150Å-4000Å，能量為波長之函數E=hp(c/)(14.18)E=單一量子之能量(ergs)；hp=Plank'sconstant(6.6210-27ergs)；c=光速(31010cm/s)；=射線波長(cm)•UV殺菌能力為波長之函數(Figure14.3)，–最有效之波長為2600Å，–其他波長UV光之殺菌效率急速下降6/14/2023196/14/202320UV之殺菌機制

UV與核酸之光化學交互作用為殺菌機制之一6/14/202321UV殺菌動力學

N1/No=e-k1It(14.19)kl=constant；I=UV光強度(milliwatts/cm2)；e=自然對數基底平均致死劑量(meanlethaldose)、lethaldose、lethalexposure、inactivationdose：36.8%殘存(It=1/k1時，N1/No=0.368)14.19式亦顯示殘存率為UV強度與曝露時間乘積之函數，但曝露時間必需大於大部分標旳生物世代時間。6/14/202322UV殺菌需求劑量數據差異之原因在於來源不同、細胞色素、細胞濃度、細菌年齡等原因。空氣中與水中UV殺菌效率有差異：相同效率時，水中殺菌需求劑量為空氣中之5-10倍(PhillipsandHanel,1960)或40-50倍(GeneralElectricCompany,1953)6/14/2023236/14/2023246/14/2023256/14/2023266/14/2023276/14/2023286/14/2023296/14/202330UV於水中之透光率UV殺菌波長2600Å左右於水中之透光率相當高(Figure14.6)，於水中之傳輸率呈指數關係：TR/(1–RF)=e-ad(14.20)TR=傳輸率(%)；e=自然對數基底；a=吸收係數(cm-1)；d=水深(cm)；RF=表面反射(decimalpercentage)(forwaterthisis0.02)。6/14/202331UV射線吸收率係數

水樣之吸收率係數只能由實驗得知，蒸餾水中，波長2537Å以上之UV射線之透光率良好，小於2537Å波長之UV射線於水中之吸收度相當高。水中不純物明顯降低UV於水中之透光度，海水、濁度(浮游生物、細泥)降低UV透光度6/14/202332UV燈泡UV射線含量較高之燈泡幾乎皆含汞蒸氣，調整燈泡中汞蒸氣壓、汞含量及汞之化學型態與放電電流條件，可加強某一特殊能量狀態轉換之機率(PhillipsandHanel,1960)。低壓汞蒸氣燈(53-267Pa)最常用，因其價格便宜，射線中95%集中於2537Å，與最具殺菌力作用波長2600Å很接近。低壓汞蒸氣燈泡有三種型態：熱陰極燈泡、冷陰極燈泡、高強度殺菌燈。6/14/202333UV消毒設備設計UV消毒單元可採用懸掛系統(suspendedsystem)又分為是否採用反射器UV燈管懸掛於流水槽上10–20cm，水溫對燈管輸出效率之影響極微，燈管清潔轻易。用於清潔貝類，採用15cm燈管間距，及離水面15cm。沉浸系統(submergedsystem)又分為燈管是否與水直接接觸6/14/2023346/14/2023356/14/202336UV消毒設備設計-2沉浸系統(submergedsystem)又分為燈管是否與水直接接觸燈管置於UV可穿透之玻璃或石英管中，使UV燈管不與水接觸，但UV射線可於水中為水吸收。隔離管之作用在於使水溫對燈管之UV輸出量影響很小，燈管易於維修更換，可使用於壓力管線中。隔離管與水接觸面，將有沉積物或生物膜覆蓋，必需定时清除。沉浸式系統，UV燈管輸出之能量幾乎可全部吸收利用。6/14/2023376/14/202338UV消毒系統設計步驟決定殺滅標旳生物所需之UV射線劑量。就水中濁度調整所需之UV劑量。決定所需流量。依E=hp(c/)(14.18)計算UV吸收率90%以上時所需之水深。供應所需劑量以處理所需流量時，所需UV燈管數目及型式。設置擋板，以增长UV射線吸收率。6/14/2023396/14/2023406/14/202341臭氧(OZONE)氧分子受充分激發分解成氧原子，這些原子氧碰撞形成臭氧。氧分子之激發經過高壓電暈放電區兩表面分開某一距離，在兩表面間之空間加一高電壓，使兩平行平面間產生一電流空氣或純氧通過兩表面間之空間，氧分子受足夠之激發後可生成臭氧或以1000-2023ÅUV射線照射6/14/202342臭氧產量之影響原因

兩表面之分開程度必需足夠空氣間隙不可太大氣體壓力需足夠臭氧衰減分解速率受溫度影響，溫度增长時，分解速率迅速增长。加入臭氧產生機之能量，約90%以熱型態散失。電極表面之介電物質需具高電阻與高熱傳導性。常使用高電阻材料，以薄層型式組成，以克服傳熱問題。6/14/202343臭氧產生機之電源

使用高頻電源，臭氧產生機效率較高，但電力損失增大。近来發展出之固態元件，於高頻操作時之電力損失已下降。6/14/2023446/14/202345臭氧產生機使用之氣體

空氣或氧氣皆可，生產等量臭氧時，使用純氧所消耗動力，為使用空氣者之二分之一下列。氣體導入臭氧產生機前需先乾燥，以減少腐蝕。6/14/2023466/14/202347臭氧濃度

臭氧產生機輸出之臭氧濃度隨氣體流量之增长而降低。大部分臭氧產生機產生之臭氧濃度可達0.5-10%(重量比)(Klein,1975)，但增长臭氧濃度時，效率急速下降6/14/202348臭氧之消毒效力

消毒效力為接觸時間及藥劑量之函數，與氯比較，其消毒效力受溫度及pH值之影響極小，在pH6時比pH8時效力稍高臭氧之消毒效力為氯之兩倍。以臭氧處理家庭廢水處理廠之放流水時，生菌數對數值與臭氧濃度(0.5-10mg/liter)成線性關係；臭氧濃度增长時，BOD、COD、氨、亞硝酸鹽、懸浮固體、濁度及色度濃度降低，硝酸鹽濃度增长6/14/202349有機物之臭氧需求量

臭氧可迅速地與有機物反應之物質C=C雙鍵C-C複合鍵C-N鍵酒精醚之C-H鍵Si-H鍵C-Metal鍵6/14/202350無機物之臭氧消耗鐵及錳氧化消耗臭氧以臭氧處理:淡水中鐵濃度由9.54降為0.07mg/L以氧處理時，鐵僅降為3.99mg/liter(Kjosetal.,1975)。以臭氧處理:錳由1.21降為0.05mg/L以氧處理時，錳由1.21降為0.71mg/liter6/14/202351臭氧對人之毒性致命(fatal)濃度為11,000ppm(vol.)for0.1min.；20ppm(vol.)for1000min，致毒濃度為3000ppm(vol.)for0.1min.；4ppm(vol.)for1000min.

(Nebeletal.,1975).6/14/202352臭氧對水生物之毒性

養殖系統中可測知臭氧濃度對水生物皆有害。對fatheadminnows之致命濃度為0.2-0.3ppmO3

臭氧處理水經多種後續處理後，對牡蠣幼苗仍有毒後續處理:存储4weeks、氣瀑1week、經真空抽氣過濾及加20mg/liter螯合劑Na-EDTA。但以20-40mesh活性碳過濾處理可除去毒性臭氧可清除紅潮生物Gymnodini