羟基等自由基杀灭医疗废水中病菌的实验研究

徐欣 彭鸿彬 吴清森 依成武 刘苹萱

【摘  要】本文采用强电离放电产生的羟基（·OH）等自由基处理含病菌的医疗废水，考察了大肠杆菌及枯草芽孢杆菌的初始浓度、·OH浓度、循环流量等单因素对·OH降解细菌的影响。实验结果表明：随着循环流量的增加，细菌杀灭率增加，但5L/min 后对其影响不大;·OH浓度的增加，细菌的杀灭率迅速提高;随着菌液初始浓度增加，其杀灭速率减小，但18min后可几乎完全降解所有病菌;增加反应时间，细菌杀灭率明显增大。在循环流量10L/min，反应温度25℃，羟基溶液浓度2.25mg/L，大肠杆菌菌液浓度3.68×106cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液浓度4.56×106cfu/mL时，杀灭率高达100%。

【关键词】羟基自由基;医疗废水;大肠杆菌;枯草芽孢杆菌;杀灭率

中图分类号：X505   文献标识码：A

引言

医疗废水中含有大量的病原细菌，其具有空间污染、急性传染和潜伏性传染的特征。由于没有严格的制度，我国的一般医院很少对有毒有害污水污物进行分离。很多病毒源携带着大量的致病菌通过冲洗水进入下水道，如果直接混入市政排水管网将给生活污水的处理带来巨大的困难，且医疗废水中的病菌环境理化因素抵抗力强，在天然环境中的存活率较高，因此，医疗废水必须经过单独的消毒处理除去有毒有害成分。由于受经济条件的限制，我国很难在大范围内建立完整独立的有毒有害污水污物处理系统，那么医疗污水的处理就成为一个严重的问题[1]。

高级氧化技术是以产生·OH为主要氧化剂的绿色氧化技术，·OH具有氧化能力极强，使水中有机物完全降解，且反应速度快、不产生二次污染等优点[2]。本文以大肠杆菌和枯草芽孢杆菌代表细菌繁殖体和细菌芽孢作为研究对象，采用大气压强电场电离放电产生高浓度·OH进行去除医疗废水中细菌的研究，通过单因素静态杀菌和动态杀菌的方法来考察不同条件下羟基自由基对细菌杀灭效果的影响，这些不同条件包括循环流量、羟基自由基浓度、初始含菌量等，为该方法的工業化应用提供依据。

1材料与设备

1.1实验装置

实验装置如图1所示，强电离放电可以获得折合电场强度大于500Td，电子的平均能量大于13eV，电子密度1015/cm3，这些足以使氧、水分子发生激发、超激发和电离、离解反应生成·OH。在强电离放电，每加入100eV能量就可以产生5.5个·OH和2.75个e-aq（水合电子），共可产生8.25个以上的·OH，产生·OH数目是弱电离放电的10余倍，从而产生了高浓度的·OH[3]。同时使用了高效气液溶解装置，提高了传质效率，产生的·OH比值浓度可高达2.33mg/L。

1.2 试验试剂

蛋白胨，氯化钠，牛肉浸膏，琼脂粉，氢氧化钠，盐酸，碘化钾，硫代硫酸钠，硫酸，乙醇，戊二醛等。

1.3仪器和设备

电子天平，pH计，羟基溶液产生设备，高压蒸汽灭菌锅，气溶恒温振荡器，超净化工作台，水浴锅，数字式移液枪，微型涡旋混合仪，恒温培养箱，台式高速离心机，S-4800场发射扫描电子显微镜

1.4分析方法

·OH溶液质量浓度参考CJ/T 3028.2—94《碘量法》进行测定，测定臭氧水浓度后，换算成羟基自由基比值浓度（mg/L），羟基浓度=0.26183臭氧水的浓度[3]。采用平板菌落计数法检测水样中细菌含量。

2实验结果及分析

2.1循环流量对杀菌效果的影响

实验条件：羟基溶液浓度2.33mg/L，大肠杆菌菌液浓度5.89×106cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液浓度6.22×106cfu/mL，pH值为7.2，反应温度25℃。实验结果如图2、图3所示。

实验考察了循环流量为1L/min、2L/min、5L/min、10L/min时杀菌率随时间的变化。由图2、图3可知：当羟基溶液对大肠杆菌处理5S，循环流量是1L/min时，大肠杆菌的杀灭率为43.51%;当循环流量10L/min时，杀灭率为56.32%，处理35s后杀灭率均可达到100%。羟基溶液对枯草芽孢杆菌处理3min，循环流量是1L/min时，枯草芽孢杆菌的杀灭率为65.71%;循环流量为10L/min时，杀灭率为73.62%，处理18min后，枯草芽孢杆菌的杀灭率均为99.99%。由此可见，随着循环流量的增加，杀菌率也随之提高。不同循环流量下羟基溶液对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的杀灭率均随反应时间的延长而提高，循环流量增大，则杀灭速率越高，但当循环流量增加到一定程度，循环流量对细菌的杀灭效果影响不大。18min内，·OH可将细菌全部杀灭。

2.2 羟基自由基溶液浓度对杀菌效果的影响

实验条件：循环流量10L/min，反应温度25℃，初始pH值7，大肠杆菌菌液浓度3.68×106cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液浓度4.56×106cfu/mL。实验结果如图4、图5所示。

实验考察了羟基浓度0.23mg/L、0.56 mg/L、1.12mg/L、2.29mg/L时降解率随时间的变化。由图4、图5可知：羟基溶液对大肠杆菌处理30S后，当羟基溶液的浓度是0.23mg/L时，大肠杆菌杀灭率为82.16%;当羟基溶液的浓度是2.25mg/L时，，杀灭率为100%。对枯草芽孢杆菌处理18min后，当羟基溶液的浓度是0.23mg/L时，杀灭率为87.29%;当羟基溶液的浓度是2.25mg/L时，杀灭率为99.99%。由此可见，随着羟基自由基浓度增高，细菌杀灭率显著提高;若延长反应时间，细菌杀灭率会继续提高，但反应速率会下降。

2.3初始含菌量对杀菌效果的影响

实验条件：循环流量10L/min，反应温度25℃，初始pH值7，大肠杆菌菌液浓度6.31×106cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液浓度7.56×106cfu/mL，羟基溶液浓度2.25mg/L。实验结果如图5、图6所示。

实验考察了初始含菌量为6.31×106cfu/mL、6.31×105cfu/mL、6.31×104cfu/mL时杀灭率随时间的变化。由图5、图6可知：羟基溶液对大肠杆菌处理5S，在菌液浓度为6.31×106cfu/mL时，大肠杆菌的杀灭率为47.36%;在菌液浓度为6.31×104cfu/mL时，杀灭率为56.78%，处理30S，杀灭率均达到100%。羟基溶液对枯草芽孢杆菌处理3min，在菌液浓度为7.56×106cfu/mL时，.枯草芽孢杆菌的杀灭率為62.29%;在菌液浓度为7.56×104cfu/mL时，杀灭率为70.93%，处理18min，杀灭率则为98.96%和 99.99%。由此可见，在一定的菌液浓度范围内，羟基溶液对细菌的杀灭率随初始含菌量的增加而降低;若延长反应时间，细菌的杀灭率会继续提高，但反应速率会下降。

3 结论

采用强电离放电的方法产生高浓度的·OH等自由基溶液来处理医疗废水的病菌具有非常好的处理效果，为今后·OH处理医疗废水中病菌的的工业化应用提供了依据。在羟基溶液浓度2.33mg/L、大肠杆菌菌液浓度5.89×106cfu/mL、枯草芽孢杆菌菌液浓度6.22×106cfu/mL、pH值7.2、反应温度25℃的条件下，18min内·OH可将细菌几乎全部降解。随着初始含菌量的增加，其杀灭率减小;随着羟基溶液浓度与循环流量的增大，细菌的杀灭率明显增大，但循环流量增加到一定程度后便影响不大。

基金项目：江苏省科技支撑计划（社会发展）项目——用于水质突变应急处理的羟基自由基应用技术研究（批准号：BE2011732）

参考文献：

[1] 牛住元，王焘.我国医院污水处理现状的浅析与思考[J].工业C，2015（4）：151-152.

[2] Yang Li，Rongjie Yi，Chengwu Yi，et al.Research on the degradation mechanism of pyridine in drinking water by dielectric barrier discharge[J].Journal of Environmental Sciences，2017，53：238-247.

[3] Hong Zhao，Chengwu Yi，Rongjie Yi，et al.Research on the degradation mechanism of dimethyl phthalate in drinking water by strong ionization discharge[J].Plasma Science and Technology，2018，20（3）：1-9.

作者简介：

徐欣（1999.12-），女，汉族，江苏大丰人，本科生，主要从事医疗废水处理研究。

（作者单位：江苏大学环境与安全工程学院）