TiO2光催化灭活两种病原菌的试验研究

丁宁，高丽丽，庞国瑞，贾萍萍，王洪波

（山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101）

TiO2光催化灭活两种病原菌的试验研究

丁宁，高丽丽，庞国瑞，贾萍萍，王洪波*

（山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101）

TiO2光催化消毒是一种安全有效的消毒方式，对改善目前水污染状况和饮用水水质具有重要意义。文章以污水厂二级出水中金黄色葡萄球菌和粪大肠菌群两种病原菌为试验对象，采用光催化灭活实验，研究了TiO2的种类及浓度、紫外光的光照强度及时间和pH值对TiO2光催化灭活金黄色葡萄球菌和粪大肠菌群灭活效果的影响，并与紫外光（UV）灭活效果进行了对比研究。结果表明：TiO2的种类及浓度、光照强度及时间和pH值均对TiO2光催化灭活效果有显著影响；在TiO2为P25、浓度为0.5 g／L、光照强度为40 W、光照时间为20 min的条件下，TiO2光催化能够取得最好的灭活效果；而酸性和碱性条件下，其灭活效果比中性条件下要好；TiO2对金黄色葡萄球菌光催化灭活效果优于UV。

TiO2光催化；金黄色葡萄球菌；粪大肠菌群；UV；剩余菌数

0 引言

污水再生利用是缓解我国水资源短缺的有效手段之一，但其中含有的病原菌也是限制它进一步使用的阻碍条件［1］。如果再生水中的病原菌进入人体，人就会感染患病，这要比其中的微量有机污染物对人体的危害更大。所以，迫切需要一种安全有效的技术处理再生水。随着对再生水消毒技术的研究，其消毒技术主要有氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒、UV消毒、TiO2光催化消毒［2-3］。氯消毒已有百年历史，价格低廉，但是会产生有致癌作用的氯仿、四氯化碳和氯乙酸等消毒副产物。臭氧消毒也会产生醛酮类消毒副产物，而且运行费用高。二氧化氯消毒成本高，过量投加会在水中形成大量亚氯酸盐［4］。UV消毒具有光复活现象。而TiO2光催化消毒是TiO2在UV照射下发生光催化反应，产生羟基（·OH）和超氧负离子等强氧化性物质。这些物质能够将水中的金黄色葡萄球菌、粪大肠菌群、酵母菌和葡萄球菌等病原菌杀死，并将其它有机物矿化。其催化剂损耗很低，无消毒副产物，无二次污染，而且其稳定性很高，有广阔的发展前景［5-7］。

催化剂晶型和TiO2的含量会影响光催化灭活病原菌的效果。常用的TiO2有P25、子西莱、TBD-A500三种。其中P25的平均粒径为21 nm，TiO2含量大于99.5%，且其由80%的锐钛矿和20%的金红石混合组成。子西莱的平均粒径为10 nm，TiO2含量大于92%，是混晶型。TBD-A500的平均粒径为500 nm，TiO2含量大于98.5%，是锐钛矿型。

20世纪90年代以来，由于饮用水水质问题的严重性，人类更加全面、深入地认识水中的病原菌，并且不断有新的发现［8］。金黄色葡萄球菌是革兰氏阳性菌［9］，其细胞壁较厚，有15～50层肽聚糖和大量磷壁酸，细胞壁较坚韧。部分金黄色葡萄球菌会分泌肠毒素［10］，一旦进入人体就会引起人体中毒。粪大肠菌群是革兰氏阴性菌［11］，其细胞壁较疏松，仅2～3层肽聚糖。作为再生水病原菌指示微生物，粪大肠菌群更能反映水中病原菌存在状况［12］，是水质污染的重要指标之一。两类细菌对抗外界的能力不同，有必要选取两类病原菌进行试验。所以，文章利用TiO2光催化消毒技术处理污水厂二级出水，以金黄色葡萄球菌、粪大肠菌群为代表，得出灭活两类病原菌的最佳参数，优化TiO2光催化灭活病原菌试验。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

生化培养箱（SPX-100B-Z）由右一仪器有限公司（上海）制造；手提式电热压力蒸汽消毒器（YXOG02）由安得医疗科技有限公司（山东淄博）制造；电子天平（CP114）由奥豪斯仪器有限公司（上海）制造；高速离心机（TG16-WS）由湘仪离心机仪器有限公司（长沙）制造；循环水式多用真空泵（SHK-III）由科泰实验设备有限公司（郑州）制造；电磁空气压缩机（ACO-388D）由海利集团有限公司（广东潮州）制造；光学显微镜（XSP-4C）由仪圆光学仪器有限公司（上海）制造；分光光度计（UV-3200）由美谱达仪器有限公司（上海）制造。

试验中所用试剂孔雀石绿、磷酸氢二钠、柠檬酸、品红、亚硫酸钠、乙醇、TiO2（P25；子西莱；TBD-A500三种）、滤膜（孔径为0.45μm、直径为50 mm）等均由国药集团化学试剂有限公司（上海）提供。

1.2 实验方法

1.2.1 光催化灭活实验

如图1所示，将8 L加入一定量TiO2的原水倒入光催化灭活实验装置反应器夹层中，同时把紫外灯从容器上盖中心圆孔处放入，依次打开空压机管路阀门空压机曝气，搅拌，最后将紫外灯打开，光催化反应开始计时。实验光照过程中，定时从管壁最下方取水口取水，利用分析方法（1.2.2）检测水中金黄色葡萄球菌和粪大肠菌群两种病原菌的剩余菌数。

图1 光催化实验装置图

试验原水（各指标见表1）采用的是经山东建筑大学中水站砂滤池后出的水。TBD-A500的价格相对便宜，粒径大利于膜的回收，所以非注明情况下，TiO2选用TBD-A500，TiO2的浓度选取0.5 g／L，紫外光的光照强度选用 40 W，曝气量选取

0.18 L／h。

表1 原水水质

1.2.2 分析方法

·OH的计数采用孔雀石绿法［13-14］，金黄色葡萄球菌的计数采用国标Baird-Parker平板计数法［15］，粪大肠菌群的计数采用滤膜法［16］。

2 试验结果与分析

2.1 TiO2对·OH生成量的影响

由图2可知，当TiO2的浓度分别为0.01、0.05 g／L时，·OH的生成量相对较多；而当TiO2浓度为2 g／L时，·OH生成量相对较少。其原因是在低浓度TiO2反应体系中，紫外光源被充分利用，产生的·OH浓度较高；而高浓度TiO2反应体系会影响紫外光源的穿透力，降低总体有效光照效果，导致TiO2表面因受激发而产生电子（e-）和空穴（h+）的量减少，所以生成的·OH浓度较低［17］。在实际水处理中，反应体系不会采用蒸馏水，生成的·OH会与所处理水样中的微生物或其它污染物反应，消耗大量·OH，而且TiO2光催化氧化反应是在TiO2表面发生。在实际水处理中，低浓度的TiO2反应体系中TiO2比表面积小，无法提供足够的·OH，因而需要结合此项试验结果进一步探索实际水处理的最佳TiO2投加浓度。

图2 ·OH的生成量随TiO2浓度的变化图

由图3可知，当TiO2浓度为0.05 g／L时，反应5 min后，·OH生成量上下浮动差值为3.7×10-6mg／L；当TiO2浓度为0.5 g／L时，反应5 min后，·OH上下浮动差值为2.7×10-6mg／L。·OH生成量随时间变化有波动，但波动幅度控制在一定范围，这说明在没有微生物和污染物等因素影响下，·OH生成量波动情况不随反应时间变化。

图3 ·OH的生成量随时间的变化图

2.2 TiO2的种类对TiO2光催化灭活效果的影响

由图4可知，三种催化剂对粪大肠菌群的灭菌率均达到97%以上，P25光催化剂灭活粪大肠菌群的效果最好，TBD-A500灭活粪大肠菌群的效果最差。虽然催化剂粒径越小催化活性越高，但TiO2三种晶型不同的外部电子结构和空穴排列影响催化速率［18］。P25的TiO2含量高于子西莱。P25晶型比子西莱的晶型固定。TBD-A500的催化剂纯度、晶型比例和粒径大小均弱于前两者。但TBD-A500价格相对便宜，粒径大利于膜的回收，催化剂灭活效率相对来说仅低0.8%。综合考虑，试验选取TBDA500光催化剂。

图4 催化剂的种类对粪大肠菌群灭活效果影响图

2.3 TiO2的浓度对其光催化灭活效果的影响

图5为40W紫外灯照射5 min，TiO2浓度对两种病原菌灭活效果的影响。当TiO2浓度小于0.5 g／L时，光能量不能被有效利用，金黄色葡萄球菌剩余菌数较多；当TiO2浓度为0.5 g／L时，其剩余菌数达到11个／mL；当TiO2浓度大于0.5 g／L，进入悬浮液中可被吸收的光子已全被催化剂吸收，使催化剂表面产生的活性基团数目基本保持不变，TiO2浓度继续增大会造成光散射，溶液浑浊度增加，催化剂不能得到充分利用［19］，最终使剩余菌数增大。当TiO2浓度小于0.5 g／L时，粪大肠菌群的灭菌率随TiO2浓度的升高先减小后增大，这是因为UV照射对粪大肠菌群有很高的灭活率，但随TiO2浓度的升高，灭菌机制成为主要杀菌原因；当TiO2浓度大于0.5 g／L时，其灭活率随TiO2浓度的升高而减小，这是因为催化剂对光的散射能力增大阻碍了光线的投射深度，使光催化效率降低［20］。综上所述，TiO2试验浓度选取应为0.5 g／L。

图5 TiO2的浓度对两种病原菌灭活效果的影响图

2.4 紫外光的光照强度对TiO2光催化灭活效果的影响

分别采用光照强度为4、15、40和90 W的四种紫外灯照射原水，用以比较紫外光的光照强度对金黄色葡萄球菌灭活效果影响。由图6可知，在四种光强下，光照强度对灭活效果的影响随着光照时间的增加而减弱，剩余菌数均逐渐减少；反应40 min后，剩余菌数趋于0。在15和40W的紫外光强下，剩余菌数的下降趋势和对金黄色葡萄球菌灭活速度均较快。TiO2光催化反应速率只是在一定的光强范围内受其影响，随着光强的不断增大，光催化反应速率不一定会不断增大［19］。40 W紫外光强灭菌速度比15 W的要快，其主要原因为一般光强越强，照射到催化剂表面的光量子数越多，产生的高能电子—空穴对越多，有利于提高光催化效率［21］。短时间条件下，水中金黄色葡萄球菌含量高，40 W的光强可以提供足够的光源使体系产生足够的·OH参与灭菌反应；而15 W紫外灯初时提供的光源相对不足，但随着时间的增加，剩余菌数的减少，需要的光源也相应减少，在长时间照射后两种光源的灭活效果趋于一致。所以，光源强度的选择不能过高或过低，病原菌含量低时可以选取低强度光源，而含量高时则要选取高强度光源，这样可以避免光源强度的浪费，因此应该依据原水中病原菌含量选取合适光源强度。

图6 光照强度对金黄色葡萄球菌灭活效果影响图

2.5 紫外光的光照时间对TiO2光催化灭活效果的影响

由图7可知，反应0.5 min时金黄色葡萄球菌的灭活率为83%，反应1 min时可达到94%，反应8 min时可达到99%，而反应20 min时达到了99.91%，此时其剩余菌数仅为3个／mL；随着照射时间的进一步增加，其灭活率可达到100%。因此，反应20 min几乎可以灭活全部金黄色葡萄球菌。反应1 min时粪大肠菌群灭活率为95%，反应5 min时可达到99.2%，反应10 min时已经达到99.9%，此时剩余菌数小于2个／mL。因此，反应10 min几乎可以全部灭活粪大肠菌群。所以对金黄色葡萄球菌和粪大肠菌群的灭活时间选取20 min即可。2.6 pH值对TiO2光催化灭活效果的影响

图7 光照时间对两种病原菌灭活效果的影响图

溶液pH值对TiO2光催化效果的影响有（1）影响催化剂的表面特性和污染物在其表面的吸附行为；（2）影响反应体系中活性物质的生成速率，从而对光催化反应产生作用［22］。催化剂TiO2是两性氧化物，其等电点约为6.6，当pH＞6.6时，催化剂表面电荷为负电荷，其主要形态为；pH＜6.6时，催化剂表面电荷为正电荷，主要形态为［23］。

图8为40 W紫外灯照射5 min，不同pH值对两种病原菌灭活效果的影响。随pH值增大，两种病原菌的灭活率先减小后增大。由于二者细胞构造的不同，使其对·OH的吸附效果有所差别，造成不同的灭活效果。一般来讲，金黄色葡萄球菌在碱性条件下灭活效果较好，粪大肠菌群在酸性条件下灭活效果较好。

图8 pH对两种病原菌灭活效果的影响图

3 TiO2光催化和UV对两种病原菌灭活效果的对比

由图9和10可以看出，TiO2光催化灭活金黄色葡萄球菌和粪大肠菌群的效果优于UV。Dunford等研究表明，光照TiO2产生的·OH对DNA双链有直接破坏作用，细菌细胞越大，细胞个数越多，细胞壁越厚，则对UV照射抵抗力就越强［24］。金黄色葡萄球菌细胞壁较厚，UV照射不能快速穿透细胞壁，TiO2光催化产生的·OH对金黄色葡萄球菌具有更好的灭活效果。粪大肠菌群属于革兰氏阴性菌，细胞壁较薄，UV容易穿透其细胞，破坏遗传物质。同时可以看出，TiO2光催化和UV灭活革兰氏阴性菌相对灭活革兰氏阳性菌用时均短。

图9 TiO2光催化和UV对金黄色葡萄球菌灭活效果对比图

图10 TiO2光催化和UV对粪大肠菌群灭活效果对比图

4 结论

由研究可知：

（1）TiO2光催化灭活金黄色葡萄球菌和粪大肠菌群的效果受TiO2的种类及浓度、紫外光的光照强度及时间和pH值的影响。结果表明：在TiO2为P25、浓度为0.5 g／L、光照强度为40W、光照时间为20 min的条件下，TiO2光催化灭活效果最好。对于这两种病原菌，在酸性和碱性条件下，其灭活效果比中性条件下要好。

（2）在文中试验参数条件下，若达到与TiO2光催化灭活相同的灭活效果，UV灭活金黄色葡萄球菌这种抵抗力强的革兰氏阳性菌需要较长的照射时间。达到相同灭活效果时，TiO2光催化和UV灭活革兰氏阴性菌的用时比灭活革兰氏阳性菌用时短。

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（学科责编：李雪蕾）

Experimental study of TiO2photocatalytically inactivating two pathogenic bacteria

Ding Ning，Gao Lili，Pang Guorui，et al.

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

TiO2photocatalytic disinfection which is important for improving the current situation and the pollution of drinking water is a safe and effective method.As the experimental object，two pathogenic bacteria such as staphylococcus aureus and faecal coliforms from secondary sewage plant effluent in the photocatalytic inactivation experiments were tested to investigate the impact of TiO2species，TiO2concentration，light intensity，light time and pH on the photocatalysis，and compared with the UV.The results indicate that TiO2species，TiO2concentration，light intensity，light time and pH all have significanteffects on the inactivation.The best resultof photocatalytic inactivation appears with P25，TiO2concentration of 0.5 g／L，the light intensity of 40 W，and the light time of 20 min.The effect of acidic and alkaline conditions is better than that of neutral conditions.And TiO2photocatalytic inactivation to the staphylococcus aureus is better than that of the UV.

TiO2photocatalysis；staphylococcus aureus；streptococcus faecalis；UV；remaining bacteria number

X7

A

1673-7644（2015）02-0141-06

2014-11-21

山东省科学技术发展计划项目（2011GSF11703）

丁宁（1991-），女（回族），在读硕士，主要从事水处理理论与技术等研究.E-mail：1223478347＠qq.com

*：王洪波（1966-），男，教授，博士，主要从事水污染控制理论与技术和非常规水资源化理论与技术研究.E-mail：wanghongbo＠sdjzu.edu.cn