鄒華生　呂雪營

(華南理工大學 化學與化工學院， 廣東 廣州 510640)

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超聲場協(xié)同強化飲用水殺菌效果研究*

鄒華生呂雪營

(華南理工大學 化學與化工學院， 廣東 廣州 510640)

飲用水傳統(tǒng)的氯消毒殺菌往往不徹底且存在余氯過高的問題，文中研究超聲場協(xié)同強化滅殺飲用水中大腸桿菌的規(guī)律與特征，并將超聲波技術(shù)與次氯酸鈉消毒相結(jié)合，探究最佳的協(xié)同操作條件.實驗結(jié)果表明：常溫下，用59kHz、90W超聲場處理初始含大腸桿菌菌落數(shù)約為104CFU/mL的水樣5min，大腸桿菌的對數(shù)滅活率為0.9；單獨加入有效氯濃度為9.0mg/L的次氯酸鈉溶液反應30min，大腸桿菌的對數(shù)滅活率為2.57；用59kHz、90W超聲場預處理水樣5min后，再加入有效氯濃度為9.0mg/L的次氯酸鈉溶液反應30min，大腸桿菌的對數(shù)滅活率可達5.02，同時余氯濃度低于4mg/L,滿足國家飲用水標準.

氯消毒；超聲場；強化殺菌；大腸桿菌；滅活率；飲用水

隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，人們對飲用水水質(zhì)的要求也越來越高.然而日趨嚴重的水質(zhì)污染使得傳統(tǒng)的次氯酸鈉消毒法所需氯量越來越大，使飲水余氯量偏高，口感差.同時，次氯酸鈉的使用會產(chǎn)生對人體有害的消毒副產(chǎn)物[1]，如三鹵甲烷、四氯乙烯等[2].為了更好地保護人類的生命健康，減少傳統(tǒng)氯消毒帶來的副產(chǎn)物，人們進行了很多研究.近年來的研究表明：通過超聲輻照水體引起空化泡崩潰，產(chǎn)生局部高溫高壓、沖擊波和活性自由基(如·OH,HO2·,和O·)[3]，可以有效地殺滅氯不能滅活的致病微生物的孢子.超聲輻射伴生的高溫熱解和自由基還可以氧化降解污水中的有機物[4]，減少化學殺菌劑用量，降低飲水中的余氯和消毒副產(chǎn)物.

2010年，Bsoul等[5]用20和612kHz的超聲波，在一定的功率密度下處理不同容量、不同初始菌液濃度的分支桿菌水樣，探究了超聲波對sp分支桿菌菌株(6PY1)的破壞作用，發(fā)現(xiàn)高頻率(612kHz)對sp分支桿菌菌株(6PY1)的滅菌率(35.5%)遠低于低頻率(20kHz)的滅菌率(93%)；2011年，Ayyildiz等[6]為改善廢水消毒工藝，探索了超聲和二氧化氯順序組合的滅菌效果，證實將超聲與二氧化氯順序組合處理能大大提高滅菌效果；2014年，Gao等[7]研究確定了高聲強、低頻率(20kHz)超聲波對細菌懸浮液殺菌效果的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波對大腸桿菌可造成致命傷害.可見，超聲滅菌技術(shù)應用前景廣闊.但單獨的超聲滅菌耗電量較大，殺菌成本較高.利用超聲“空化效應”產(chǎn)生的強氧化劑及對水樣的激烈擾動使化學殺菌劑高度分散均勻，可大大提高超聲協(xié)同化學試劑的滅菌效果，但有關(guān)超聲協(xié)同殺菌消毒的多因素研究鮮有報道.為此，文中采用超聲場與次氯酸鈉協(xié)同消毒處理飲用水，并通過改變超聲強度、超聲頻率、超聲輻照時間、氯濃度、氯作用時間等因素，以大腸桿菌群滅活效果作為評價指標，確定超聲協(xié)同化學消毒的最佳條件.

1　實驗

1.1實驗裝置

實驗中的超聲處理裝置主要是SK2200LH型超聲清洗器(上?？茖С晝x器有限公司生產(chǎn))，該裝置如圖1所示.消毒效果檢測裝置主要是：DHP- 9082型電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠生產(chǎn)；SW-CJ- 1D型凈化工作臺，蘇州凈化設(shè)備有限公司生產(chǎn)；YX280B型手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器，上海三申醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)；XK97-A型菌落計數(shù)器，江蘇新康醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)；PHB- 3便捷式pH計，上海三信儀表廠生產(chǎn)；FA1604N型電子分析天平，上海精密科學儀器有限公司生產(chǎn)；ZD- 85A型數(shù)顯氣浴恒溫振蕩器，常州澳華儀器有限公司生產(chǎn)；N4紫外-可見分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司生產(chǎn).

圖1　超聲殺菌實驗裝置

1.2實驗水樣

實驗水樣為人工配水(含104CFU/mL的大腸桿菌懸液)，由備用試驗菌懸液加無菌水稀釋而成.實驗菌大腸桿菌由華南理工大學生物科學與工程學院提供，取其24h新鮮斜面培養(yǎng)物，接種于裝有50mL營養(yǎng)肉湯的三角燒瓶內(nèi)，于37 ℃的搖床上培養(yǎng)24h，作為備用試驗菌懸液.

1.3實驗方法

采用靜態(tài)消毒方法，以100mL實驗水樣作為研究對象，主要測定超聲波單獨消毒效果、次氯酸鈉單獨消毒效果、超聲波與氯的協(xié)同消毒效果.

1.3.1氯消毒溶液的配置和檢測

實驗采用的氯溶液為現(xiàn)用現(xiàn)制.采用次氯酸鈉溶液(分析純)作為消毒劑的儲備液，用碘量法測定其中的有效氯濃度.滅活實驗前，用無菌水將儲備液稀釋至設(shè)定好的氯濃度，作為消毒液備用[8].采用DPD法檢測消毒液中的氯濃度[9].

1.3.2消毒滅菌實驗

為利于比較，同水樣先進行了次氯酸鈉單獨消毒：取一定量的氯消毒劑儲備液，用無菌水稀釋達到預先設(shè)定的有效氯濃度后注入含有100mL實驗水樣的反應瓶中，開始反應并計時，反應過程中按預先設(shè)定的反應時間取樣，置于有終止劑(10%的Na2S2O3)的無菌取樣管中，快速混勻，終止滅菌反應，用于檢測這一時間點的滅活率，同時要快速取樣以用于測定有效氯余量.

超聲波單獨消毒：將含有100mL實驗水樣的反應瓶置于選定頻率和設(shè)定功率的超聲反應器中，并設(shè)定作用時間，在即將達到作用時間時快速取樣檢測[10].

超聲波與次氯酸鈉兩種順序協(xié)同消毒實驗：將實驗水樣經(jīng)過一定頻率、功率和時間的超聲預處理后加入一定的氯消毒液進行一定時間反應后檢測；或?qū)嶒炈畼又凶⑷胍欢ǖ穆认疽悍磻欢〞r間后立即放入超聲反應器中進行超聲作用一定時間后進行取樣檢測.

1.3.3大腸桿菌含量檢測

消毒滅菌實驗結(jié)束后，在所取樣品中取1mL進行逐級倍比稀釋，采用平板菌落計數(shù)法測定其中的大腸桿菌含量[11]，于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后計數(shù).由于微生物的計數(shù)檢測方法誤差較大，每個實驗水樣的菌種計數(shù)在有效檢測范圍(30～300CFU/mL)內(nèi)取前后3個稀釋倍數(shù)進行檢測，每個稀釋倍數(shù)下取4個平行樣的平均值[12].

1.3.4消毒效果評價

消毒效果的評價指標為大腸桿菌的對數(shù)滅活率[13](lg(N0/N)，其中N0為水樣未處理前的大腸桿菌數(shù)，N為消毒處理后的大腸桿菌數(shù)).

2　結(jié)果與討論

2.1次氯酸鈉單獨消毒效果分析

采用初始有效氯濃度分別為1.5、3.0、4.5、6.0、9.0、12.0mg/L的消毒溶液，在大腸桿菌初始濃度約為104CFU/mL時，于常溫下進行氯對大腸桿菌滅活率的影響實驗，結(jié)果如圖2所示.

由圖2可以看出，隨著氯化反應時間(t)的延長，不同有效氯初始濃度下，大腸桿菌的對數(shù)滅活率均呈升高的趨勢，而且初始增加較緩慢，其后滅活率增加較快，而后變緩.這可能跟初期大腸桿菌以團簇狀態(tài)存在，氯滲入菌團需要一定的時間有關(guān).而當消毒劑破壞積累到一定程度后，菌團松散，大腸桿菌失活情況會加劇.在氯消毒液加入30min之后，剩余的氯濃度和大腸桿菌濃度都較低，對數(shù)滅活率增長趨勢變緩.在同樣的作用時間下，有效氯濃度越高，對數(shù)滅活率越大.可見，提高消毒劑濃度或延長消毒反應時間均可提高滅活率.而在作用時間30min之后對數(shù)滅活率增加較緩慢，所以選取30min[14]作為后續(xù)實驗中的氯消毒液作用時間.初始有效氯濃度為9.0mg/L、反應時間為30min時，大腸桿菌的對數(shù)滅活率為2.57.

圖2初始有效氯濃度和反應時間對大腸桿菌滅活效果的影響

Fig.2EffectsofinitialchlorineconcentrationandreactiontimeonE.colisterilizationrate

由圖2還可以看出，隨著有效氯濃度的增加，大腸桿菌的對數(shù)滅活率隨之增加，但出水中余氯量也隨之增加，如圖3所示.而我國飲用水中余氯量限值為4mg/L(GB5749—2006)，所以氯消毒液有效氯濃度選擇不高于12.0mg/L，而當有效氯濃度不高于12.0mg/L時，大腸桿菌的對數(shù)滅活率不高于2.9，難以達到飲水衛(wèi)生要求.

圖3　氯化作用30 min后余氯量與有效氯濃度的關(guān)系

Fig.3Relationshipbetweenresidualchlorinecontentandconcentrationofavailablechlorineafterachlorinationfor30min

2.2超聲波單獨消毒效果分析

2.2.1超聲功率對滅活率的影響

從理論上看，在超過空化閾值的前提下，若超聲功率提高，超聲強度上升，空化效應增強[15]，從而會提高殺菌率.從圖4可以看出，同一超聲頻率下，功率增大時殺菌效果提高，但繼續(xù)增大超聲功率，殺菌率增速趨緩，這是因為功率過大，空化激烈，在發(fā)射面附近形成氣膜，不利于超聲能傳播所致[16]，故后續(xù)實驗中均采用90W的超聲功率.其中t′為超聲作用時間.

圖4　超聲功率對殺菌率的影響

2.2.2超聲作用時間和頻率對滅活率的影響

超聲殺菌與超聲空化產(chǎn)生強氧化劑關(guān)系密切，超聲作用水樣產(chǎn)生強氧化劑的過程如下[17]：

(1)

(2)

(3)

(4)

用40或59kHz的超聲降解100mL蒸餾水，按設(shè)定的時間取樣本(200μL)與1mL0.1mol/LKI及20μL0.01mol/L的鉬酸銨混合后于石英試管中放置5min后，用紫外分光光度計測其在355nm下的吸光度(D355)(見圖5)，并與已測好的標準曲線圖(見圖6)對比，確定超聲作用下產(chǎn)生的H2O2的濃度(cH2O2)[5].

圖5　溶液吸光度(355 nm)與超聲作用時間的關(guān)系

Fig.5Relationshipbetweenultrasonictimeandsolutionabsorbanceat355nm

由圖5、6可見，59kHz的超聲作用下產(chǎn)生的H2O2濃度一般高于40kHz時，在超聲作用的前15minH2O2濃度略低，這可能跟初始時超聲作用不均勻有關(guān).

圖6　H2O2濃度與吸光度(355 nm)的關(guān)系

Fig.6RelationshipbetweenH2O2concentrationandabsorbanceat355nm

超聲空化效應使溶解一定空氣的KI溶液發(fā)生K—I鍵斷裂，產(chǎn)生的碘離子會形成碘分子析出[18].

(5)

空化效應愈激烈，產(chǎn)生的碘分子愈多.文中采用碘釋放法，配制KI初始濃度為0.1mol/L，用分光光度計在287nm波長下測量超聲反應后溶液的吸光度(D287)，并與沒有超聲處理的溶液的吸光度進行比較，以反映超聲空化程度.由圖7可看出59kHz下的空化效果更好，而且隨著超聲時間的增長，空化效果加強.

圖7　超聲空化效果圖

圖8給出了超聲作用時間和頻率對滅活率的影響.結(jié)合圖4、8可以看出，59kHz下的大腸桿菌滅活率更高.這一方面是由于超聲過程中59kHz超聲場產(chǎn)生的H2O2濃度相對較高，H2O2具良好的氧化殺菌的作用；另一方面是由于59kHz下的超聲空化效果更好.從這兩個圖還可看到，59kHz、90W單獨超聲作用5min時，大腸桿菌的對數(shù)滅活率為0.9，單獨超聲作用60min時大腸桿菌的對數(shù)滅活率仍不足2.0.

圖8　超聲作用時間和頻率對滅活率的影響

Fig.8Effectsofultrasonictimeandfrequencyonbactericidalrate

2.3超聲波與氯協(xié)同殺菌效果分析

為探討最佳殺菌工藝，進行了兩種不同順序的超聲協(xié)同化學法殺菌實驗，結(jié)果如圖9所示.由圖9可以看出，先超聲后加次氯酸鈉的效果基本上都優(yōu)于先加次氯酸鈉后超聲的殺菌效果.因此，后續(xù)實驗將采用先超聲后加次氯酸鈉反應來確定最佳的協(xié)同工藝參數(shù).

圖9　超聲與加次氯酸鈉順序?qū)⒕Ч挠绊?/p>

Fig.9Effectofdifferentorderswithultrasoundandsodiumhypochloriteondisinfection

圖10給出了超聲預處理時間、有效氯濃度對大腸桿菌滅活的影響.由圖10可以看出，當超聲預處理5min后再加入有效氯濃度為12.0mg/L的次氯酸鈉溶液反應30min效果最好，然而圖11中顯示這種情況下余氯量超標.結(jié)合圖10、11可知，最佳條件為超聲預處理5min后加入有效氯濃度為9.0mg/L的次氯酸鈉溶液反應30min，此時大腸桿菌的對數(shù)滅活率可達5.02，與圖2中初始有效氯濃度為9.0mg/L、反應時間為30min的單獨次氯酸鈉處理相比，大腸桿菌的對數(shù)滅活率提高了95%.

圖10超聲預處理時間、初始有效氯濃度對大腸桿菌滅活的影響

Fig.10EffectsofultrasonicpretreatmenttimeandinitialconcentrationofavailablechlorineonsterilizationrateofE.coli

圖11　有效氯濃度、超聲時間與余氯量的關(guān)系

Fig.11Relationshipamongresidualchlorinecontent,concentrationofavailablechlorineandultrasonictime

3　結(jié)論

(1) 單獨使用次氯酸鈉的最佳滅活情況為12.0mg/L的有效氯反應30min，大腸桿菌的對數(shù)滅活率為2.9；單獨使用超聲場在59kHz、90W下作用60min,大腸桿菌對數(shù)滅活率為1.8；這兩種情況下對大腸桿菌的滅活效果都不理想.

(2) 本實驗的最佳條件為59kHz、90W超聲場下預處理5min后加入有效氯濃度為9.0mg/L的次氯酸鈉溶液反應30min，大腸桿菌的對數(shù)滅活率可達5.02.

(3) 超聲波可以有效加強氯的消毒效果，5min的超聲波預處理將大腸桿菌的對數(shù)滅活率提高了95%.可見，超聲波與氯協(xié)同方法在之后的水處理工藝中有很好的應用前景.

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收稿日期: 2015- 11- 04

*基金項目: 國家科技重大專項(2012ZX07403- 001,2012ZX07403- 002,2008ZX07421- 002)；國家自然科學基金資助項目(51178321)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120072110050)

Foundationitems:SupportedbytheNationalScienceandTechnologyMajorProjectoftheMinistryofScienceandTechnologyofChina(2012ZX07403- 001,2012ZX07403- 002,2008ZX07421- 002),theNationalNaturalScienceFoundationofChina(51178321)andtheResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina(20120072110050)

SupportedbytheKeyScienceandTechnologyProgramofGuangdongProvince(2013B020800004)

InvestigationintoSynergicEnhancementDisinfectionofDrinkingWaterinUltrasonicField

ZOU Hua-shengLü Xue-ying

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Thetraditionalchlorinedisinfectioncannoteffectivelydisinfectpollutedwaterandmayresultinexcessiveresidualchlorine.Inordertosolvethisproblem,ultrasonicfieldwasusedtoenhancethechlorinedisinfectionofE.coliindrinkingwater,andthecorrespondinglawsandfeatureswereinvestigated.Moreover,theoptimalconditionsforthesynergydisinfectionweredetermined.Experimentalresultsindicatethat(1)forthewaterwithaninitialE.colidensityofabout104CFU/mL,atreatmentwith59kHzand90Wultrasonicfor5minattheroomtemperaturemayresultinanE.colilogarithmicinactivationrateof0.9;(2)afteratreatmentinsodiumhypochloritesolutionwithanactivechlorinecontentof9.0mg/Lfor30min,thelogarithmicinactivationrateincreasesto2.57;(3)thesynergicdisinfectionwiththetwoabove-mentionedtreatmentmethodshelpstoobtainalogarithmicinactivationrateof5.02andaresidualchlorinecontentoflessthan4mg/L,whichmeetsthenationalstandardwell.

chlorinedisinfection;ultrasonicfield;enhanceddisinfection;E.coli;inactivationrate;drinkingwater

2015- 10- 19

廣東省科技攻關(guān)項目(2013B020800004)

鄒華生(1957-)，男，博士，教授，主要從事清潔能源與環(huán)境工程研究.E-mail:cehszou@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)06- 0077- 06

X131.2

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.06.013