微波无极紫外方法对二沉池出水的消毒研究

张 悦,张广山,王 鹏,2*



微波无极紫外方法对二沉池出水的消毒研究

张 悦1,张广山1,王 鹏1,2*

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

采用自制微波无极紫外连续式消毒反应器,对二沉池出水进行消毒.紫外光源为自制圆柱形无极灯,灯内充汞10mg、氩气压强666.61Pa紫外光强5.07mW/cm2,进水流量0.072L/s,出水细菌总数2CFU/mL,大肠菌群数0.微波无极紫外作用过程中,微波破坏细胞壁细胞膜结构使蛋白质、K+等胞内物质产生渗漏,这种不可逆的破坏过程有效抑制紫外光复活现象.

消毒；微波；无极紫外；枯草芽孢杆菌

水处理中,紫外线消毒具有广谱杀菌能力,没有消毒副产物,无需添加化学试剂,己经成为高效环保的消毒技术,适用于对饮用水、污水以及回用水的消毒过程[1].但传统紫外灯电极寿命有限,紫外消毒还存在光复活现象[2].紫外线杀菌作用于生物体的核酸,阻碍核酸的复制与转录,从而造成细胞死亡.但是在细菌、真菌和高等植物中存在可修复DNA光损伤的酶,被称为光复活酶,可恢复DNA的双螺旋结构使细胞恢复活性[3].

针对紫外消毒技术存在的问题,科研人员提出将紫外与其他消毒技术联用[2,4-9].微波(MW)是波长1mm~1m(频率300GHz-300MHz)的电磁波,具有热效应和非热效应[10].微波可使水中的菌体细胞膜离子通道和膜通透性异常改变,导致膜功能障碍;使细胞内蛋白凝聚变性,酶活性丧失,细菌代谢异常,造成不可逆的损害,从而杀灭微生物[11].将微波与紫外技术联用进行杀菌,微波的加入可有效地解决紫外光复活现象的问题.该联用技术兼具微波和紫外两种消毒方式的优点,不产生消毒副产物,无二次污染.同时,紫外源可使用无极紫外灯,它可由微波场激发且无需电极.与传统紫外灯相比,无极紫外灯点燃快、稳定快、

再点燃快、光效高、寿命长、制作成本低,而且设计自由度大[12-14].

本文采用自制微波无极紫外连续式消毒反应器,将微波与紫外2种技术联合,对某城市污水厂的二沉池出水进行消毒.首先确定消毒效率最高的无极紫外灯参数;建立连续消毒工艺,确定最佳工艺参数;考查微波无极紫外作用下细菌菌体内容物泄漏情况和表面形态的变化,验证微波对紫外杀菌的促进作用.

1 材料与方法

1.1 实验水样

实验水样采自哈尔滨市某污水处理厂的二沉池出水,采样后24h内进行检测,其水质参数如表1所示.随后水样保存于4oC冰箱中备用.该水样用于微波无极紫外消毒工艺的实验探讨.

表1 某水厂二沉池出水的水质参数Table 1 Water quality parameters of the municipal secondary effluents

1.2 实验菌株和样品制备

枯草芽孢杆菌(ATCC9327)购于广东微生物中心.从试管斜面用接种针挑取一环菌体,加入50mL营养肉汤液体培养基中,经过(36±1)℃恒温震荡培养24h.分别取5mL培养液加入8份50mL营养肉汤液体培养基中再次培养24h.将8份培养液收集,4000r/min离心10min,弃上清液,用磷酸盐缓冲溶液(PBS, 0.1mol/L, pH 7.4)冲洗沉淀2次,转入200mL生理盐水中,并加入玻璃珠震荡使菌体均匀悬浮于生理盐水中,制成菌悬液.菌悬液储存于4℃冰箱中备用.实验时稀释至108CFU/mL使用.

1.3 实验装置

实验采用自制微波无极紫外消毒装置,微波设备是经改造过的家用微波炉(型号为EM-202MSI),脉冲频率为2450MHz,微波功率在0~600W之间可以连续输出.如图1所示,消毒反应器置于微波炉内,外形为圆柱形,有效高度160mm,内径140mm.反应器内置3层大小、间距均相等的折板,折板开口距反应器内壁距离为22mm.反应器内部,灯架穿过折板并与折板连接,放置四根无极紫外灯.自制无极紫外灯为圆柱形,灯长160mm直径25mm,灯内充Hg 10mg及一定量惰性气体Ar.无极紫外灯由微波激发点亮.水流经蠕动泵由入水管进入,流经无极紫外灯并通过折板开口向上运动,水流在竖直面上呈现推流的现象,最后,水流从出水管流出.

1.4 实验方法

对自制无极紫外灯测定紫外光强,采用草酸铁钾化学法[15].测定经照射后的菌体K+渗漏量,采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES, Optima 5300DV)[16].测定经照射后菌体蛋白质的渗漏量,采用考马斯蓝染色法[17-18].用原子力显微镜(AFM, DI BioScope)进行细菌表面形貌表征[19].

1.5 消毒效果评价

细菌总数的测定方法为平板菌落计数法,大肠菌群数的测定方法为多管发酵法[16].

微生物的灭活率用以下公式来计算[20]:

灭活率=Log(/0)

式中:为消毒后水样中微生物的浓度,CFU/mL;0为消毒前水样中微生物的浓度,CFU/mL.

2 结果与讨论

2.1 无极紫外灯参数选择

2.1.1 氩气压强对无极紫外灯消毒能力的影响 微波能够激发无极灯内的惰性气体,激发态的惰性气体与金属原子碰撞,使金属原子达到激发态,金属原子从激发态向基态跃迁时会产生光辐射.由于无极灯中的惰性气体会对紫外光的谱线强度造成影响,直接影响消毒效果,因此确定最佳的惰性气体压强非常重要[21].

选用Ar作为填充气体,填充压强分别为133.322,333.305,666.61,1333.22,1999.83,2666.44Pa,考察无极紫外灯的参数对细菌灭活的影响,结果如图2所示.相同实验条件下,随着Ar压强的增大,细菌灭活率先提高再减小.这是因为,Ar压强增大时,电子总能量增加,与Hg原子发生非弹性碰撞使得基态Hg原子跃迁到激发态发的概率增加,返回基态时发射出的波长253.7nm的光强增强,消毒效果也随之增强.Ar压强大于666.61Pa后,电子总能量逐渐减小,紫外区辐射的光强占总辐射光强的比例逐渐减小,可见光逐渐增多,消毒效果逐渐减弱.由图3可知,不同Ar气压强下波长253.7nm的紫外光强度.Ar压强为666.61Pa时紫外光强最大,值为3.31mW/cm2.

2.1.2 微波功率对无极紫外灯光强的影响 无极灯受微波能激发而点亮,微波功率的变化会直接影响紫外光强度,图4为Ar压强666.61Pa的无极紫外灯在不同微波功率下的光照强度.无极灯在微波功率大于200W时方能点亮,光强随着微波功率增大而增强.微波能的增强会使更多的Ar被激发,增加Hg原子跃迁到激发态发的概率,从而产生更强的光辐射.微波功率600W时,紫外光强达到最大值5.07mW/cm2.测得无极灯光强与微波功率关系如公式所示:

=0.0084-0.4142=0.9355

式中:为紫外光强,mW/cm2;为微波功率,W.

2.2 微波无极紫外消毒工艺研究

2.2.1 微波功率对消毒效果的影响 调节微波功率为200~600W,考察不同水力停留时间(HRT)下微波功率对细菌灭活效果的影响,水样中细菌总数4300CFU/mL,采样时间设定为2倍HRT,结果如图5所示.微波功率为600W时,HRT=20s,灭菌率达到2.42,水样中残余活菌数17CFU/mL, HRT=30s,灭菌率为2.77,水样中活菌数8CFU/mL.微波功率200~500W下,灭菌率达到2以上的HRT依次为180,120,60,30s,此条件下,出水的残余活菌数小于50CFU/mL.由此可知,微波功率增大,灭菌率随之增大,消毒效果增强,消毒反应器的处理能力增加.

2.2.2 微波无极紫外对大肠菌群的消毒效果 选用不同功率下可满足灭菌率大于2的HRT,检测消毒反应器处理后的出水的大肠菌群数,结果如表2所示.灭菌率达到2.16以上时,检测到的大肠菌群数不超过3CFU/L.此时对应的微波功率与HRT为,200W、180s,300W、150s,400W、60s, 500W、30s和600W、20s,此时水样卫生学指标满足《城市污水再生利用 生活杂用水水质》(GB/T 18920-2002)[22]要求大肠菌群数不超过3CFU/L.灭菌率达到2.63以上时,大肠菌群数为0.此时对应的微波功率与HRT为,300W、180s, 400W、90s,500W、40s和600W、30s,此时水样卫生学指标满足《饮用净水水质标准》(CJ 94- 2005)[23].因实验中采用二沉池出水为消毒水样,为避免可能产生的细菌生物负荷及组成的变化,消毒工艺选用大肠菌群为0时的工艺参数.

2.2.3 微波无极紫外消毒工艺的耗能优选 根据微波无极紫外消毒工艺的耗能计算,优选最佳微波功率与HRT,计算结果如表3所示.当微波功率为600W时,处理1个HRT二沉池出水的能耗计算值为0.005kW·h,能耗最低.微波功率的增大使微波与紫外的协同杀菌作用随之增强,节能的同时提高了消毒反应器的处理能力.

表2 不同微波功率下微波无极紫外对大肠菌群的灭活效果Table 2 Inactivation of the coliforms using MW-UV irradiation under different microwave powers

实验确定的最佳微波无极紫外消毒工艺参数为,微波功率600W,HRT=30s,此时无极灯紫外光强5.07mW/cm2,进水流量0.072L/s,出水细菌灭活率2.77,细菌总数2CFU/mL,大肠菌群数为0.

表3 不同功率下微波无极紫外消毒达标的耗能Table 3 Energy consumption of MW-UV disinfection under different microwave powers

2.3 微波无极紫外灭菌机理

2.3.1 微波无极紫外辐照后枯草芽孢杆菌的表面形貌 用电子显微镜观测菌体表面形貌能直观地表达物理场对细菌的破坏,选取枯草芽孢杆菌为指示菌,经微波无极紫外辐照后用AFM进行细菌表面形态观察.图6a为正常状态下枯草芽孢杆菌的菌体形态.菌体呈杆形,表面光滑没有损伤,菌体大小为0.8μm×3μm.图6b为辐照3min时菌体结构形态,细胞形状能够辨识,但细胞边缘或者一端发生有内容物质漏出.说明微波无极紫外可以破坏细胞壁细胞膜,使细胞破裂细胞物质渗漏.这种过程会造成细菌死亡.

2.3.2 微波无极紫外辐照后枯草芽孢杆菌的蛋白质渗漏 选取枯草芽孢杆菌为指示菌,考察其在辐照过程中细胞内的蛋白质渗漏现象,将微波无极紫外、微波和紫外3种辐照方式进行了比较.实验在反应器静态条件下完成,微波功率500W,配水水样每份200mL.经不同方式辐照枯草芽孢杆菌细胞内的蛋白质漏出量如图7(a)所示.紫外、微波、微波无极紫外辐照都可使蛋白质漏出,辐照时间越长,菌体受到破坏导致蛋白质漏出量越多.微波无极紫外作用下漏出最为迅速,紫外作用漏出量最少.细菌由细胞壁和细胞膜形成的保护屏障共同保护,如果细胞膜的屏障功能被破坏,就会对细胞内外的渗透压造成影响,细胞内原有的内容物质就会渗出,最终致使菌体死亡.实验说明3种辐照方式对细胞膜的破坏能力由大到小为:微波无极紫外>微波>紫外.

2.3.3 微波无极紫外辐照后枯草芽孢杆菌的K+渗漏 K+渗漏实验与蛋白质渗漏实验的实验条件相同如图7(b)所示,随辐照时间增加,3种方式作用下K+漏出量均逐渐增加,这说明辐照过程中,细胞膜上负责维持细胞内外Na+、K+浓度的钠钾泵(钠钾ATP酶)遭到了破坏.微波无极紫外对菌体破坏强度大于单纯微波、单纯紫外方法,K+漏出量大于单独微波和单独紫外处理后漏出量的加和.这说明,微波无极紫外消毒过程中存在微波和紫外的协同作用.

与蛋白质实验相似的实验结果说明,辐照过程中,使细胞膜通透性发生改变,随之细胞膜结构遭到破坏,细胞内容物质大量渗出的过程,主要是微波场所起的作用.

微波使微生物失活的过程是不可逆的.微波杀菌作用虽较紫外慢,但将两者联合使用进行消毒时,便可在紫外迅速杀菌的同时破坏微生物细胞结构.共同杀菌的同时,弥补紫外杀菌因辐照剂量不足而产生的细胞自修复弊端,减少光复活问题,进一步提升杀菌效果.微波无极紫外技术同时具备微波和紫外两种消毒方法的优势,物理消毒方法的特性决定了消毒过程中不引入杂质,无消毒副产物生成,是一种高效、节能、清洁的杀菌技术.但因是物理消毒,该联用技术在水中无持续消毒能力,更适用于即处理即使用的场合或者管路卫生条件较好的情况.

3 结论

3.1 采用微波-紫外联合消毒方法对二沉池出水进行消毒研究.紫外光源选用无极灯,由微波激发无需额外提供电源.自制无极灯为圆柱形,长160mm,直径25mm,内充Hg 10mg、Ar 666.61Pa时,产生的波长253.7nm的紫外光强最强.

3.2 自制微波无极紫外连续消毒反应器的最优工艺参数为微波功率600W、HRT=30s.此时无极灯紫外光强5.07mW/cm2,进水流量0.072L/s,出水细菌总数2CFU/mL,大肠菌群数为0.卫生学指标符合回用水和饮用水标准.

3.3 微波无极紫外能破坏枯草芽孢杆菌表面结构,使细胞物质蛋白质和K+发生渗漏.微波是使细胞膜结构破坏,细胞内容物质大量渗出的主要原因,这种不可逆的微生物失活过程可以有效弥补紫外光复活问题.

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* 责任作者, 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

张 悦(1985-),女,哈尔滨工业大学博士研究生,主要从事微波与紫外消毒技术研究.发表论文8篇.

2015-11-10

城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题(2015DX03);中国博士后科学基金(2014M561356)