王天威,李杰,2,魯娜,2,吳彥,2

(1.大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,遼寧大連 116024; 2.大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,遼寧大連 116024)

液體電極沿面放電高效滅活大腸桿菌

王天威1,李杰1,2,魯娜1,2,吳彥1,2

(1.大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,遼寧大連 116024; 2.大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,遼寧大連 116024)

利用液體電極沿面放電等離子體反應(yīng)器,對(duì)大腸桿菌的滅活效果進(jìn)行了研究.考察了曝氣量、初始含菌量和初始p H值等因素對(duì)大腸桿菌的存活細(xì)菌群落總數(shù)(cfu)的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:大腸桿菌的存活細(xì)菌群落數(shù)隨初始含菌量、處理時(shí)間的增加而減少.弱堿性條件有利于大腸桿菌的滅活.反應(yīng)系統(tǒng)中,曝氣量對(duì)大腸桿菌滅活效果影響很大.在曝氣量為4.5 L/m in,電源頻率7 k Hz,電壓6 kV條件下,500 m L初始含菌量為107cfu/m L的大腸桿菌菌液,放電處理5 min,可將全部大腸桿菌殺滅.本研究為液體電極沿面放電反應(yīng)器在細(xì)菌滅活方面的應(yīng)用提供參考.

液體電極;沿面放電;大腸桿菌;滅活

傳統(tǒng)滅菌方法存在不能快速完全殺滅細(xì)菌、受區(qū)域限制、易造成環(huán)境二次污染等問題[1].而大氣壓下放電等離子體可以產(chǎn)生一些氧化活性很強(qiáng)的物質(zhì),如羥基自由基(·OH)、氧自由基(O·)、臭氧(O3)、過氧化氫(H2O2)和原子氧(O)等,與水中細(xì)菌發(fā)生作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)水體細(xì)菌的滅活處理.放電等離子體能夠?qū)鹘y(tǒng)方法難殺滅的菌體進(jìn)行有效滅活,具有處理效率高、無(wú)選擇性、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),受到越來越多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4].液體電極沿面放電,一方面能夠產(chǎn)生大量臭氧、·OH等活性物質(zhì),并將紫外線和高壓電場(chǎng)等物理作用引入細(xì)菌滅活中;另一方面待處理溶液在作為接地電極的同時(shí)還起到冷卻系統(tǒng)的作用.從而,液體電極沿面放電可用于快速滅活大量菌液.

實(shí)驗(yàn)采用一種基于沿面放電設(shè)計(jì)的反應(yīng)器對(duì)大腸桿菌菌體的滅活效果進(jìn)行研究,主要探討曝氣量、初始含菌量、處理時(shí)間及p H值對(duì)細(xì)菌滅活效果的影響,為該方法在細(xì)菌滅活方面的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,反應(yīng)器采用直徑為1.2 mm的不銹鋼絲制作的螺旋電極作為高壓電極,平均螺距6 mm,放電區(qū)域長(zhǎng)220 mm,緊密安裝在石英玻璃管介質(zhì)內(nèi)壁上,石英玻璃管內(nèi)徑13 mm,管壁厚1 mm.氣體由石英玻璃管上端進(jìn)入,沿面放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)從下端噴射進(jìn)入溶液中.溶液位于石英玻璃管與有機(jī)玻璃管(400 mm×50 mm×5 mm)之間,并作為接地電極.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimen tal apparatus

實(shí)驗(yàn)中通入空氣為載氣,流量為4.5 L/min,初始p H值均為7.4.采用高頻(7 k Hz)交流電源,輸出電壓為6 kV,通過電壓、電流和示波器采樣計(jì)算電源注入給反應(yīng)器功率為22 W.選取大腸桿菌為目標(biāo)分析物,單次處理含菌廢水500 m L.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將含大腸桿菌的培養(yǎng)液100 m L用高速離心機(jī)離心,大腸桿菌和培養(yǎng)基分離后,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85%滅菌生理鹽水,使用旋渦混合儀將滅菌生理鹽水和大腸桿菌混合均勻,配成1 000 m L溶液.啟動(dòng)曝氣,取500 mL溶液加入反應(yīng)器中,接通高頻交流電源,進(jìn)行放電處理,連續(xù)在線取樣,測(cè)試細(xì)菌的滅活效果.

大腸桿菌計(jì)數(shù)采用平板計(jì)數(shù)法.用0.1 mol/L的NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)p H值,采用ORION 828 p H計(jì)測(cè)試,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

LB培養(yǎng)基的組分:胰蛋白胨10 g/L,酵母粉5 g/L,NaCl 10 g/L,瓊脂18 g/L(液體LB培養(yǎng)基不加瓊脂),調(diào)節(jié)p H值為7.0～7.4.

2 結(jié)果與討論

2.1 曝氣量對(duì)大腸桿菌滅活效果的影響

選擇初始含菌量為107cfu/mL的大腸桿菌菌液,研究曝氣量對(duì)滅活效果的影響,結(jié)果如圖2所示.在放電3 m in內(nèi),曝氣量從3.5 L/m in增加到4.5 L/m in時(shí),細(xì)菌存活菌落數(shù)降低了3個(gè)數(shù)量級(jí);但當(dāng)曝氣量增加到5.5 L/min時(shí),存活菌落數(shù)卻提高了2個(gè)數(shù)量級(jí).曝氣量的增加對(duì)沿面放電所產(chǎn)生的高能電子及O3, H2O2,·OH,O·等活性物質(zhì)的量有促進(jìn)作用.當(dāng)曝氣量達(dá)到某一值時(shí),放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量達(dá)到飽和,處理效果最好;繼續(xù)增加曝氣量對(duì)溶入水中的活性物質(zhì)有吹脫作用,使處理效果減弱[5-6].因此,在本實(shí)驗(yàn)條件下,適宜的曝氣量為4.5 L/min.

2.2 初始含菌量對(duì)大腸桿菌滅活效果的影響

圖3為初始含菌量對(duì)滅活效果的影響.在一定濃度范圍內(nèi),放電處理對(duì)初始含菌量高的水樣的滅活效果要明顯好于含菌量低的水樣.對(duì)于容積一定的系統(tǒng),在電壓、曝氣量等條件不變的情況下,放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量恒定.初始含菌量相對(duì)較高時(shí),單位體積所含菌體數(shù)目較多,活性物質(zhì)與菌體作用的概率增加,提高了菌體的滅活效果.因此,在曝氣量4.5 L/min,電壓6 kV條件下,放電處理5 min即可將初始含菌量107cfu/m L的500 m L溶液中大腸桿菌全部殺滅.

2.3 溶液初始p H值對(duì)大腸桿菌滅活效果的影響

考察在大腸桿菌適宜生長(zhǎng)的p H值范圍內(nèi)放電對(duì)其滅活效果的影響,結(jié)果如圖4所示,弱堿性(p H=8.2)溶液的大腸桿菌的滅活效果較好.放電處理2 min,p H值為8.2時(shí)大腸桿菌細(xì)胞數(shù)下降了6個(gè)對(duì)數(shù),而p H值為6.8時(shí)下降了4個(gè)對(duì)數(shù).溶液初始p H值的變化對(duì)放電產(chǎn)生活性物質(zhì)的氧化能力有一定影響.酸性溶液中,臭氧比較穩(wěn)定,臭氧氧化以直接氧化為主,而在堿性溶液中,臭氧不穩(wěn)定,分解成氧化性更強(qiáng)的·OH.因此,弱堿性條件下有利于大腸桿菌的滅活.

圖4 初始p H值對(duì)大腸桿菌滅活效果的影響Fig.4 Effect of the initial p H on the inactivation effect of E.coli

3 結(jié)論

1)液體電極沿面放電反應(yīng)器可以快速有效地滅活溶液中的大腸桿菌,滅活效果隨著放電時(shí)間的增加而顯著提高,放電處理5 min,可將初始含菌量107cfu/m L的500 m L溶液中大腸桿菌全部殺滅.

2)在本實(shí)驗(yàn)條件下,較佳的曝氣量為4.5 L/min;初始含菌量的增加會(huì)使單位體積所含菌體數(shù)目增多,提高菌體的滅活效果;弱堿性條件有利于大腸桿菌的滅活.

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Inactivation of Escherichia coli Using Surface Discharge Plasma with L iquid Electrode

WANG Tian-wei1,LIJie1,2,LU Na1,2,WU Yan1,2
(1.School of Environmental and Bio logical Science and Techno logy,Dalian U niversity of Technology,Dalian 116024,China;2.Institute of Electrostatic and Special Power,Dalian University of Techno logy,Dalian 116024,China)

The inactivation ofEscherichia coliby using surface dischargew ith liquid electrode in p lasma reacto rw as studied experimentally.The effectsof aeration amount,initial content of bacterium,and initial p H on the inactivation ofE.coliw ere evaluated.The results show ed that the amount ofE.colidecreased w ith the increase of the initial content of the bacterium and the treatment time.Under alkaline condition, the inactivation ofE.coliwas relatively better.The aeration amount greatly affected the inactivation ofE. co li.500 m L of 7 o rders of m agnitudeE.colibacterium f luid could be killed comp letely after 5 m in of discharge treatment under the condition of the better aeration amount 4.5 L/min,power frequency 7 k Hz and voltage 6 kV.It is expected to p rovide reference for the app lication of surface discharge p lasma reacto r w ith liquid electrode in the inactivation of bacterium.

liquid electrode;surface discharge;E.coli;inactivation

X 52

A

1000-1565(2010)05-0556-04

2010-04-20

教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20070141004);國(guó)家自然科學(xué)基金-工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U 0970166);遼寧省高校優(yōu)秀人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009R09)

王天威(1986—),女,遼寧沈陽(yáng)人,大連理工大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事環(huán)境等離子體技術(shù)方面的研究.

李杰(1964—),男,吉林九臺(tái)人,大連理工大學(xué)教授,主要從事環(huán)境等離子體技術(shù)方面的研究.

(責(zé)任編輯:梁俊紅)