超声场协同强化饮用水杀菌效果研究*

邹华生　吕雪营

(华南理工大学 化学与化工学院， 广东 广州 510640)



超声场协同强化饮用水杀菌效果研究*

邹华生吕雪营

(华南理工大学 化学与化工学院， 广东 广州 510640)

饮用水传统的氯消毒杀菌往往不彻底且存在余氯过高的问题，文中研究超声场协同强化灭杀饮用水中大肠杆菌的规律与特征，并将超声波技术与次氯酸钠消毒相结合，探究最佳的协同操作条件.实验结果表明：常温下，用59kHz、90W超声场处理初始含大肠杆菌菌落数约为104CFU/mL的水样5min，大肠杆菌的对数灭活率为0.9；单独加入有效氯浓度为9.0mg/L的次氯酸钠溶液反应30min，大肠杆菌的对数灭活率为2.57；用59kHz、90W超声场预处理水样5min后，再加入有效氯浓度为9.0mg/L的次氯酸钠溶液反应30min，大肠杆菌的对数灭活率可达5.02，同时余氯浓度低于4mg/L,满足国家饮用水标准.

氯消毒；超声场；强化杀菌；大肠杆菌；灭活率；饮用水

随着社会的发展和生活水平的提高，人们对饮用水水质的要求也越来越高.然而日趋严重的水质污染使得传统的次氯酸钠消毒法所需氯量越来越大，使饮水余氯量偏高，口感差.同时，次氯酸钠的使用会产生对人体有害的消毒副产物[1]，如三卤甲烷、四氯乙烯等[2].为了更好地保护人类的生命健康，减少传统氯消毒带来的副产物，人们进行了很多研究.近年来的研究表明：通过超声辐照水体引起空化泡崩溃，产生局部高温高压、冲击波和活性自由基(如·OH,HO2·,和O·)[3]，可以有效地杀灭氯不能灭活的致病微生物的孢子.超声辐射伴生的高温热解和自由基还可以氧化降解污水中的有机物[4]，减少化学杀菌剂用量，降低饮水中的余氯和消毒副产物.

2010年，Bsoul等[5]用20和612kHz的超声波，在一定的功率密度下处理不同容量、不同初始菌液浓度的分支杆菌水样，探究了超声波对sp分支杆菌菌株(6PY1)的破坏作用，发现高频率(612kHz)对sp分支杆菌菌株(6PY1)的灭菌率(35.5%)远低于低频率(20kHz)的灭菌率(93%)；2011年，Ayyildiz等[6]为改善废水消毒工艺，探索了超声和二氧化氯顺序组合的灭菌效果，证实将超声与二氧化氯顺序组合处理能大大提高灭菌效果；2014年，Gao等[7]研究确定了高声强、低频率(20kHz)超声波对细菌悬浮液杀菌效果的影响，发现超声波对大肠杆菌可造成致命伤害.可见，超声灭菌技术应用前景广阔.但单独的超声灭菌耗电量较大，杀菌成本较高.利用超声“空化效应”产生的强氧化剂及对水样的激烈扰动使化学杀菌剂高度分散均匀，可大大提高超声协同化学试剂的灭菌效果，但有关超声协同杀菌消毒的多因素研究鲜有报道.为此，文中采用超声场与次氯酸钠协同消毒处理饮用水，并通过改变超声强度、超声频率、超声辐照时间、氯浓度、氯作用时间等因素，以大肠杆菌群灭活效果作为评价指标，确定超声协同化学消毒的最佳条件.

1　实验

1.1实验装置

实验中的超声处理装置主要是SK2200LH型超声清洗器(上海科导超声仪器有限公司生产)，该装置如图1所示.消毒效果检测装置主要是：DHP- 9082型电热恒温培养箱，上海申贤恒温设备厂生产；SW-CJ- 1D型净化工作台，苏州净化设备有限公司生产；YX280B型手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器，上海三申医疗器械有限公司生产；XK97-A型菌落计数器，江苏新康医疗器械有限公司生产；PHB- 3便捷式pH计，上海三信仪表厂生产；FA1604N型电子分析天平，上海精密科学仪器有限公司生产；ZD- 85A型数显气浴恒温振荡器，常州澳华仪器有限公司生产；N4紫外-可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司生产.

图1　超声杀菌实验装置

1.2实验水样

实验水样为人工配水(含104CFU/mL的大肠杆菌悬液)，由备用试验菌悬液加无菌水稀释而成.实验菌大肠杆菌由华南理工大学生物科学与工程学院提供，取其24h新鲜斜面培养物，接种于装有50mL营养肉汤的三角烧瓶内，于37 ℃的摇床上培养24h，作为备用试验菌悬液.

1.3实验方法

采用静态消毒方法，以100mL实验水样作为研究对象，主要测定超声波单独消毒效果、次氯酸钠单独消毒效果、超声波与氯的协同消毒效果.

1.3.1氯消毒溶液的配置和检测

实验采用的氯溶液为现用现制.采用次氯酸钠溶液(分析纯)作为消毒剂的储备液，用碘量法测定其中的有效氯浓度.灭活实验前，用无菌水将储备液稀释至设定好的氯浓度，作为消毒液备用[8].采用DPD法检测消毒液中的氯浓度[9].

1.3.2消毒灭菌实验

为利于比较，同水样先进行了次氯酸钠单独消毒：取一定量的氯消毒剂储备液，用无菌水稀释达到预先设定的有效氯浓度后注入含有100mL实验水样的反应瓶中，开始反应并计时，反应过程中按预先设定的反应时间取样，置于有终止剂(10%的Na2S2O3)的无菌取样管中，快速混匀，终止灭菌反应，用于检测这一时间点的灭活率，同时要快速取样以用于测定有效氯余量.

超声波单独消毒：将含有100mL实验水样的反应瓶置于选定频率和设定功率的超声反应器中，并设定作用时间，在即将达到作用时间时快速取样检测[10].

超声波与次氯酸钠两种顺序协同消毒实验：将实验水样经过一定频率、功率和时间的超声预处理后加入一定的氯消毒液进行一定时间反应后检测；或将实验水样中注入一定的氯消毒液反应一定时间后立即放入超声反应器中进行超声作用一定时间后进行取样检测.

1.3.3大肠杆菌含量检测

消毒灭菌实验结束后，在所取样品中取1mL进行逐级倍比稀释，采用平板菌落计数法测定其中的大肠杆菌含量[11]，于37 ℃恒温培养箱中培养24h后计数.由于微生物的计数检测方法误差较大，每个实验水样的菌种计数在有效检测范围(30～300CFU/mL)内取前后3个稀释倍数进行检测，每个稀释倍数下取4个平行样的平均值[12].

1.3.4消毒效果评价

消毒效果的评价指标为大肠杆菌的对数灭活率[13](lg(N0/N)，其中N0为水样未处理前的大肠杆菌数，N为消毒处理后的大肠杆菌数).

2　结果与讨论

2.1次氯酸钠单独消毒效果分析

采用初始有效氯浓度分别为1.5、3.0、4.5、6.0、9.0、12.0mg/L的消毒溶液，在大肠杆菌初始浓度约为104CFU/mL时，于常温下进行氯对大肠杆菌灭活率的影响实验，结果如图2所示.

由图2可以看出，随着氯化反应时间(t)的延长，不同有效氯初始浓度下，大肠杆菌的对数灭活率均呈升高的趋势，而且初始增加较缓慢，其后灭活率增加较快，而后变缓.这可能跟初期大肠杆菌以团簇状态存在，氯渗入菌团需要一定的时间有关.而当消毒剂破坏积累到一定程度后，菌团松散，大肠杆菌失活情况会加剧.在氯消毒液加入30min之后，剩余的氯浓度和大肠杆菌浓度都较低，对数灭活率增长趋势变缓.在同样的作用时间下，有效氯浓度越高，对数灭活率越大.可见，提高消毒剂浓度或延长消毒反应时间均可提高灭活率.而在作用时间30min之后对数灭活率增加较缓慢，所以选取30min[14]作为后续实验中的氯消毒液作用时间.初始有效氯浓度为9.0mg/L、反应时间为30min时，大肠杆菌的对数灭活率为2.57.

图2初始有效氯浓度和反应时间对大肠杆菌灭活效果的影响

Fig.2EffectsofinitialchlorineconcentrationandreactiontimeonE.colisterilizationrate

由图2还可以看出，随着有效氯浓度的增加，大肠杆菌的对数灭活率随之增加，但出水中余氯量也随之增加，如图3所示.而我国饮用水中余氯量限值为4mg/L(GB5749—2006)，所以氯消毒液有效氯浓度选择不高于12.0mg/L，而当有效氯浓度不高于12.0mg/L时，大肠杆菌的对数灭活率不高于2.9，难以达到饮水卫生要求.

图3　氯化作用30 min后余氯量与有效氯浓度的关系

Fig.3Relationshipbetweenresidualchlorinecontentandconcentrationofavailablechlorineafterachlorinationfor30min

2.2超声波单独消毒效果分析

2.2.1超声功率对灭活率的影响

从理论上看，在超过空化阈值的前提下，若超声功率提高，超声强度上升，空化效应增强[15]，从而会提高杀菌率.从图4可以看出，同一超声频率下，功率增大时杀菌效果提高，但继续增大超声功率，杀菌率增速趋缓，这是因为功率过大，空化激烈，在发射面附近形成气膜，不利于超声能传播所致[16]，故后续实验中均采用90W的超声功率.其中t′为超声作用时间.

图4　超声功率对杀菌率的影响

2.2.2超声作用时间和频率对灭活率的影响

超声杀菌与超声空化产生强氧化剂关系密切，超声作用水样产生强氧化剂的过程如下[17]：

(1)

(2)

(3)

(4)

用40或59kHz的超声降解100mL蒸馏水，按设定的时间取样本(200μL)与1mL0.1mol/LKI及20μL0.01mol/L的钼酸铵混合后于石英试管中放置5min后，用紫外分光光度计测其在355nm下的吸光度(D355)(见图5)，并与已测好的标准曲线图(见图6)对比，确定超声作用下产生的H2O2的浓度(cH2O2)[5].

图5　溶液吸光度(355 nm)与超声作用时间的关系

Fig.5Relationshipbetweenultrasonictimeandsolutionabsorbanceat355nm

由图5、6可见，59kHz的超声作用下产生的H2O2浓度一般高于40kHz时，在超声作用的前15minH2O2浓度略低，这可能跟初始时超声作用不均匀有关.

图6　H2O2浓度与吸光度(355 nm)的关系

Fig.6RelationshipbetweenH2O2concentrationandabsorbanceat355nm

超声空化效应使溶解一定空气的KI溶液发生K—I键断裂，产生的碘离子会形成碘分子析出[18].

(5)

空化效应愈激烈，产生的碘分子愈多.文中采用碘释放法，配制KI初始浓度为0.1mol/L，用分光光度计在287nm波长下测量超声反应后溶液的吸光度(D287)，并与没有超声处理的溶液的吸光度进行比较，以反映超声空化程度.由图7可看出59kHz下的空化效果更好，而且随着超声时间的增长，空化效果加强.

图7　超声空化效果图

图8给出了超声作用时间和频率对灭活率的影响.结合图4、8可以看出，59kHz下的大肠杆菌灭活率更高.这一方面是由于超声过程中59kHz超声场产生的H2O2浓度相对较高，H2O2具良好的氧化杀菌的作用；另一方面是由于59kHz下的超声空化效果更好.从这两个图还可看到，59kHz、90W单独超声作用5min时，大肠杆菌的对数灭活率为0.9，单独超声作用60min时大肠杆菌的对数灭活率仍不足2.0.

图8　超声作用时间和频率对灭活率的影响

Fig.8Effectsofultrasonictimeandfrequencyonbactericidalrate

2.3超声波与氯协同杀菌效果分析

为探讨最佳杀菌工艺，进行了两种不同顺序的超声协同化学法杀菌实验，结果如图9所示.由图9可以看出，先超声后加次氯酸钠的效果基本上都优于先加次氯酸钠后超声的杀菌效果.因此，后续实验将采用先超声后加次氯酸钠反应来确定最佳的协同工艺参数.

图9　超声与加次氯酸钠顺序对杀菌效果的影响

Fig.9Effectofdifferentorderswithultrasoundandsodiumhypochloriteondisinfection

图10给出了超声预处理时间、有效氯浓度对大肠杆菌灭活的影响.由图10可以看出，当超声预处理5min后再加入有效氯浓度为12.0mg/L的次氯酸钠溶液反应30min效果最好，然而图11中显示这种情况下余氯量超标.结合图10、11可知，最佳条件为超声预处理5min后加入有效氯浓度为9.0mg/L的次氯酸钠溶液反应30min，此时大肠杆菌的对数灭活率可达5.02，与图2中初始有效氯浓度为9.0mg/L、反应时间为30min的单独次氯酸钠处理相比，大肠杆菌的对数灭活率提高了95%.

图10超声预处理时间、初始有效氯浓度对大肠杆菌灭活的影响

Fig.10EffectsofultrasonicpretreatmenttimeandinitialconcentrationofavailablechlorineonsterilizationrateofE.coli

图11　有效氯浓度、超声时间与余氯量的关系

Fig.11Relationshipamongresidualchlorinecontent,concentrationofavailablechlorineandultrasonictime

3　结论

(1) 单独使用次氯酸钠的最佳灭活情况为12.0mg/L的有效氯反应30min，大肠杆菌的对数灭活率为2.9；单独使用超声场在59kHz、90W下作用60min,大肠杆菌对数灭活率为1.8；这两种情况下对大肠杆菌的灭活效果都不理想.

(2) 本实验的最佳条件为59kHz、90W超声场下预处理5min后加入有效氯浓度为9.0mg/L的次氯酸钠溶液反应30min，大肠杆菌的对数灭活率可达5.02.

(3) 超声波可以有效加强氯的消毒效果，5min的超声波预处理将大肠杆菌的对数灭活率提高了95%.可见，超声波与氯协同方法在之后的水处理工艺中有很好的应用前景.

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收稿日期: 2015- 11- 04

*基金项目: 国家科技重大专项(2012ZX07403- 001,2012ZX07403- 002,2008ZX07421- 002)；国家自然科学基金资助项目(51178321)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(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

广东省科技攻关项目(2013B020800004)

邹华生(1957-)，男，博士，教授，主要从事清洁能源与环境工程研究.E-mail:cehszou@scut.edu.cn

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

X131.2

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