微波無極紫外方法對二沉池出水的消毒研究

張 悅,張廣山,王 鵬,2*

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微波無極紫外方法對二沉池出水的消毒研究

張 悅1,張廣山1,王 鵬1,2*

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

采用自制微波無極紫外連續式消毒反應器,對二沉池出水進行消毒.紫外光源為自制圓柱形無極燈,燈內充汞10mg、氬氣壓強666.61Pa紫外光強5.07mW/cm2,進水流量0.072L/s,出水細菌總數2CFU/mL,大腸菌群數0.微波無極紫外作用過程中,微波破壞細胞壁細胞膜結構使蛋白質、K+等胞內物質產生滲漏,這種不可逆的破壞過程有效抑制紫外光復活現象.

消毒；微波；無極紫外；枯草芽孢桿菌

水處理中,紫外線消毒具有廣譜殺菌能力,沒有消毒副產物,無需添加化學試劑,己經成為高效環保的消毒技術,適用于對飲用水、污水以及回用水的消毒過程[1].但傳統紫外燈電極壽命有限,紫外消毒還存在光復活現象[2].紫外線殺菌作用于生物體的核酸,阻礙核酸的復制與轉錄,從而造成細胞死亡.但是在細菌、真菌和高等植物中存在可修復DNA光損傷的酶,被稱為光復活酶,可恢復DNA的雙螺旋結構使細胞恢復活性[3].

針對紫外消毒技術存在的問題,科研人員提出將紫外與其他消毒技術聯用[2,4-9].微波(MW)是波長1mm~1m(頻率300GHz-300MHz)的電磁波,具有熱效應和非熱效應[10].微波可使水中的菌體細胞膜離子通道和膜通透性異常改變,導致膜功能障礙;使細胞內蛋白凝聚變性,酶活性喪失,細菌代謝異常,造成不可逆的損害,從而殺滅微生物[11].將微波與紫外技術聯用進行殺菌,微波的加入可有效地解決紫外光復活現象的問題.該聯用技術兼具微波和紫外兩種消毒方式的優點,不產生消毒副產物,無二次污染.同時,紫外源可使用無極紫外燈,它可由微波場激發且無需電極.與傳統紫外燈相比,無極紫外燈點燃快、穩定快、

再點燃快、光效高、壽命長、制作成本低,而且設計自由度大[12-14].

本文采用自制微波無極紫外連續式消毒反應器,將微波與紫外2種技術聯合,對某城市污水廠的二沉池出水進行消毒.首先確定消毒效率最高的無極紫外燈參數;建立連續消毒工藝,確定最佳工藝參數;考查微波無極紫外作用下細菌菌體內容物泄漏情況和表面形態的變化,驗證微波對紫外殺菌的促進作用.

1 材料與方法

1.1 實驗水樣

實驗水樣采自哈爾濱市某污水處理廠的二沉池出水,采樣后24h內進行檢測,其水質參數如表1所示.隨后水樣保存于4oC冰箱中備用.該水樣用于微波無極紫外消毒工藝的實驗探討.

表1 某水廠二沉池出水的水質參數Table 1 Water quality parameters of the municipal secondary effluents

1.2 實驗菌株和樣品制備

枯草芽孢桿菌(ATCC9327)購于廣東微生物中心.從試管斜面用接種針挑取一環菌體,加入50mL營養肉湯液體培養基中,經過(36±1)℃恒溫震蕩培養24h.分別取5mL培養液加入8份50mL營養肉湯液體培養基中再次培養24h.將8份培養液收集,4000r/min離心10min,棄上清液,用磷酸鹽緩沖溶液(PBS, 0.1mol/L, pH 7.4)沖洗沉淀2次,轉入200mL生理鹽水中,并加入玻璃珠震蕩使菌體均勻懸浮于生理鹽水中,制成菌懸液.菌懸液儲存于4℃冰箱中備用.實驗時稀釋至108CFU/mL使用.

1.3 實驗裝置

實驗采用自制微波無極紫外消毒裝置,微波設備是經改造過的家用微波爐(型號為EM-202MSI),脈沖頻率為2450MHz,微波功率在0~600W之間可以連續輸出.如圖1所示,消毒反應器置于微波爐內,外形為圓柱形,有效高度160mm,內徑140mm.反應器內置3層大小、間距均相等的折板,折板開口距反應器內壁距離為22mm.反應器內部,燈架穿過折板并與折板連接,放置四根無極紫外燈.自制無極紫外燈為圓柱形,燈長160mm直徑25mm,燈內充Hg 10mg及一定量惰性氣體Ar.無極紫外燈由微波激發點亮.水流經蠕動泵由入水管進入,流經無極紫外燈并通過折板開口向上運動,水流在豎直面上呈現推流的現象,最后,水流從出水管流出.

1.4 實驗方法

對自制無極紫外燈測定紫外光強,采用草酸鐵鉀化學法[15].測定經照射后的菌體K+滲漏量,采用電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES, Optima 5300DV)[16].測定經照射后菌體蛋白質的滲漏量,采用考馬斯藍染色法[17-18].用原子力顯微鏡(AFM, DI BioScope)進行細菌表面形貌表征[19].

1.5 消毒效果評價

細菌總數的測定方法為平板菌落計數法,大腸菌群數的測定方法為多管發酵法[16].

微生物的滅活率用以下公式來計算[20]:

滅活率=Log(/0)

式中:為消毒后水樣中微生物的濃度,CFU/mL;0為消毒前水樣中微生物的濃度,CFU/mL.

2 結果與討論

2.1 無極紫外燈參數選擇

2.1.1 氬氣壓強對無極紫外燈消毒能力的影響 微波能夠激發無極燈內的惰性氣體,激發態的惰性氣體與金屬原子碰撞,使金屬原子達到激發態,金屬原子從激發態向基態躍遷時會產生光輻射.由于無極燈中的惰性氣體會對紫外光的譜線強度造成影響,直接影響消毒效果,因此確定最佳的惰性氣體壓強非常重要[21].

選用Ar作為填充氣體,填充壓強分別為133.322,333.305,666.61,1333.22,1999.83,2666.44Pa,考察無極紫外燈的參數對細菌滅活的影響,結果如圖2所示.相同實驗條件下,隨著Ar壓強的增大,細菌滅活率先提高再減小.這是因為,Ar壓強增大時,電子總能量增加,與Hg原子發生非彈性碰撞使得基態Hg原子躍遷到激發態發的概率增加,返回基態時發射出的波長253.7nm的光強增強,消毒效果也隨之增強.Ar壓強大于666.61Pa后,電子總能量逐漸減小,紫外區輻射的光強占總輻射光強的比例逐漸減小,可見光逐漸增多,消毒效果逐漸減弱.由圖3可知,不同Ar氣壓強下波長253.7nm的紫外光強度.Ar壓強為666.61Pa時紫外光強最大,值為3.31mW/cm2.

2.1.2 微波功率對無極紫外燈光強的影響 無極燈受微波能激發而點亮,微波功率的變化會直接影響紫外光強度,圖4為Ar壓強666.61Pa的無極紫外燈在不同微波功率下的光照強度.無極燈在微波功率大于200W時方能點亮,光強隨著微波功率增大而增強.微波能的增強會使更多的Ar被激發,增加Hg原子躍遷到激發態發的概率,從而產生更強的光輻射.微波功率600W時,紫外光強達到最大值5.07mW/cm2.測得無極燈光強與微波功率關系如公式所示:

=0.0084-0.4142=0.9355

式中:為紫外光強,mW/cm2;為微波功率,W.

2.2 微波無極紫外消毒工藝研究

2.2.1 微波功率對消毒效果的影響 調節微波功率為200~600W,考察不同水力停留時間(HRT)下微波功率對細菌滅活效果的影響,水樣中細菌總數4300CFU/mL,采樣時間設定為2倍HRT,結果如圖5所示.微波功率為600W時,HRT=20s,滅菌率達到2.42,水樣中殘余活菌數17CFU/mL, HRT=30s,滅菌率為2.77,水樣中活菌數8CFU/mL.微波功率200~500W下,滅菌率達到2以上的HRT依次為180,120,60,30s,此條件下,出水的殘余活菌數小于50CFU/mL.由此可知,微波功率增大,滅菌率隨之增大,消毒效果增強,消毒反應器的處理能力增加.

2.2.2 微波無極紫外對大腸菌群的消毒效果 選用不同功率下可滿足滅菌率大于2的HRT,檢測消毒反應器處理后的出水的大腸菌群數,結果如表2所示.滅菌率達到2.16以上時,檢測到的大腸菌群數不超過3CFU/L.此時對應的微波功率與HRT為,200W、180s,300W、150s,400W、60s, 500W、30s和600W、20s,此時水樣衛生學指標滿足《城市污水再生利用 生活雜用水水質》(GB/T 18920-2002)[22]要求大腸菌群數不超過3CFU/L.滅菌率達到2.63以上時,大腸菌群數為0.此時對應的微波功率與HRT為,300W、180s, 400W、90s,500W、40s和600W、30s,此時水樣衛生學指標滿足《飲用凈水水質標準》(CJ 94- 2005)[23].因實驗中采用二沉池出水為消毒水樣,為避免可能產生的細菌生物負荷及組成的變化,消毒工藝選用大腸菌群為0時的工藝參數.

2.2.3 微波無極紫外消毒工藝的耗能優選 根據微波無極紫外消毒工藝的耗能計算,優選最佳微波功率與HRT,計算結果如表3所示.當微波功率為600W時,處理1個HRT二沉池出水的能耗計算值為0.005kW·h,能耗最低.微波功率的增大使微波與紫外的協同殺菌作用隨之增強,節能的同時提高了消毒反應器的處理能力.

表2 不同微波功率下微波無極紫外對大腸菌群的滅活效果Table 2 Inactivation of the coliforms using MW-UV irradiation under different microwave powers

實驗確定的最佳微波無極紫外消毒工藝參數為,微波功率600W,HRT=30s,此時無極燈紫外光強5.07mW/cm2,進水流量0.072L/s,出水細菌滅活率2.77,細菌總數2CFU/mL,大腸菌群數為0.

表3 不同功率下微波無極紫外消毒達標的耗能Table 3 Energy consumption of MW-UV disinfection under different microwave powers

2.3 微波無極紫外滅菌機理

2.3.1 微波無極紫外輻照后枯草芽孢桿菌的表面形貌 用電子顯微鏡觀測菌體表面形貌能直觀地表達物理場對細菌的破壞,選取枯草芽孢桿菌為指示菌,經微波無極紫外輻照后用AFM進行細菌表面形態觀察.圖6a為正常狀態下枯草芽孢桿菌的菌體形態.菌體呈桿形,表面光滑沒有損傷,菌體大小為0.8μm×3μm.圖6b為輻照3min時菌體結構形態,細胞形狀能夠辨識,但細胞邊緣或者一端發生有內容物質漏出.說明微波無極紫外可以破壞細胞壁細胞膜,使細胞破裂細胞物質滲漏.這種過程會造成細菌死亡.

2.3.2 微波無極紫外輻照后枯草芽孢桿菌的蛋白質滲漏 選取枯草芽孢桿菌為指示菌,考察其在輻照過程中細胞內的蛋白質滲漏現象,將微波無極紫外、微波和紫外3種輻照方式進行了比較.實驗在反應器靜態條件下完成,微波功率500W,配水水樣每份200mL.經不同方式輻照枯草芽孢桿菌細胞內的蛋白質漏出量如圖7(a)所示.紫外、微波、微波無極紫外輻照都可使蛋白質漏出,輻照時間越長,菌體受到破壞導致蛋白質漏出量越多.微波無極紫外作用下漏出最為迅速,紫外作用漏出量最少.細菌由細胞壁和細胞膜形成的保護屏障共同保護,如果細胞膜的屏障功能被破壞,就會對細胞內外的滲透壓造成影響,細胞內原有的內容物質就會滲出,最終致使菌體死亡.實驗說明3種輻照方式對細胞膜的破壞能力由大到小為:微波無極紫外>微波>紫外.

2.3.3 微波無極紫外輻照后枯草芽孢桿菌的K+滲漏 K+滲漏實驗與蛋白質滲漏實驗的實驗條件相同如圖7(b)所示,隨輻照時間增加,3種方式作用下K+漏出量均逐漸增加,這說明輻照過程中,細胞膜上負責維持細胞內外Na+、K+濃度的鈉鉀泵(鈉鉀ATP酶)遭到了破壞.微波無極紫外對菌體破壞強度大于單純微波、單純紫外方法,K+漏出量大于單獨微波和單獨紫外處理后漏出量的加和.這說明,微波無極紫外消毒過程中存在微波和紫外的協同作用.

與蛋白質實驗相似的實驗結果說明,輻照過程中,使細胞膜通透性發生改變,隨之細胞膜結構遭到破壞,細胞內容物質大量滲出的過程,主要是微波場所起的作用.

微波使微生物失活的過程是不可逆的.微波殺菌作用雖較紫外慢,但將兩者聯合使用進行消毒時,便可在紫外迅速殺菌的同時破壞微生物細胞結構.共同殺菌的同時,彌補紫外殺菌因輻照劑量不足而產生的細胞自修復弊端,減少光復活問題,進一步提升殺菌效果.微波無極紫外技術同時具備微波和紫外兩種消毒方法的優勢,物理消毒方法的特性決定了消毒過程中不引入雜質,無消毒副產物生成,是一種高效、節能、清潔的殺菌技術.但因是物理消毒,該聯用技術在水中無持續消毒能力,更適用于即處理即使用的場合或者管路衛生條件較好的情況.

3 結論

3.1 采用微波-紫外聯合消毒方法對二沉池出水進行消毒研究.紫外光源選用無極燈,由微波激發無需額外提供電源.自制無極燈為圓柱形,長160mm,直徑25mm,內充Hg 10mg、Ar 666.61Pa時,產生的波長253.7nm的紫外光強最強.

3.2 自制微波無極紫外連續消毒反應器的最優工藝參數為微波功率600W、HRT=30s.此時無極燈紫外光強5.07mW/cm2,進水流量0.072L/s,出水細菌總數2CFU/mL,大腸菌群數為0.衛生學指標符合回用水和飲用水標準.

3.3 微波無極紫外能破壞枯草芽孢桿菌表面結構,使細胞物質蛋白質和K+發生滲漏.微波是使細胞膜結構破壞,細胞內容物質大量滲出的主要原因,這種不可逆的微生物失活過程可以有效彌補紫外光復活問題.

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* 責任作者, 教授, pwang73@vip.sina.com

Disinfection for the municipal secondary effluents under microwave induced electrodeless ultraviolet irradiation

ZHANG Yue1, ZHANG Guang-shan1, WANG Peng1,2*

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2016,36(5)：1463~1468

The disinfection for the municipal secondary effluents was carried out with a self-made microwave induced electrodeless UV continuous disinfection reactor. The self-made cylindrical electrodeless lamp was used as UV photosource. When the electrodeless lamp was filled with Hg of 10mg and Ar of 666.61Pa inside, the light intensity at wavelength of 253.7nm was the strongest. Then the microwave induced electrodeless UV continuous disinfection process was established. The optimal values of operating parameters were found at a microwave power of 600W and a HRT of 30s, the UV light intensity, the influent flow, the total coliform count and total bacterial count of the effluent were 5.07mW/cm2, 0.072L/s, 0CFU/L and 2CFU/mL, respectively. During the process of microwave induced electrodeless UV disinfection, microwave destroyed the cell wall and cell membrane of bacterial, resulting in the leakage of intracellular substances such as protein and K+. This irreversible destruction could effectively inhibit the photoreactivation in UV disinfection.

disinfection；microwave；electrodeless ultraviolet；

X703

A

1000-6923(2016)05-1463-06

張 悅(1985-),女,哈爾濱工業大學博士研究生,主要從事微波與紫外消毒技術研究.發表論文8篇.

2015-11-10

城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)自主課題(2015DX03);中國博士后科學基金(2014M561356)