不同制备方式臭氧水溶解性及其杀菌效果研究

敖 卫

(上海浩泽净水科技发展有限公司，上海 201206)

臭氧是一种广谱杀菌剂，通过氧化作用破坏微生物膜的结构而实现杀菌效果，臭氧还具有杀菌作用快速，杀菌处理后无有害残留且不影响感官等优点。目前普遍使用臭氧水制备方式主要是通过高压电晕法使空气中的氧气获得能量而结合生成臭氧，再将高浓度的臭氧气体通入水中，加大臭氧在水里溶解性，从而制成具有消毒作用的臭氧水[1]。电解式臭氧水应用于净水消毒的报道相继增多，此法具有效率高、能耗低及无污染的特性。在实际使用过程中如何合理地选择制备方式生成臭氧水很关键，而有关这2种臭氧水的制备方式的消毒效果对比尚未见过研究报告。为此，本实验通过2种不同制备方式生成臭氧水，并研究各臭氧水的臭氧溶解性及其消毒效果，为后续选择臭氧水的制备方式提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料及仪器

菌落总数测试片，广东达元绿洲食品安全科技股份有限公司；SPX-100B-Z型生化培养箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；LDZX-50KBS型立式压力蒸汽灭菌锅，上海申安医疗器械厂；D-1000型移液枪，普兰德(上海)贸易有限公司；BHC-1300A2型生物安全柜，阿尔泰实验室设备(北京)有限公司。

1.2 实验方法

鼓泡式臭氧水制备系统由臭氧发生器(浙江百悦康科技有限公司FQ-160，管状电晕放电式，臭氧产量100～200 mg/h)、鼓泡盘(自制：长*宽*高为90*60*15 mm，孔数46个，孔径1.0 mm)、臭氧降解过滤器及1.5 L水箱主体构成，如图1所示。

图1 鼓泡式臭氧水制备装置示意图

电解式臭氧水制备系统由自吸泵(宁波强生电机有限公司DP125-75S，功率为31.2 W)、电解式臭氧模块(采用固体聚合物电解质膜，额定臭氧产量达700 mg/h，功率为60 W)、臭氧降解过滤器及1.5 L水箱主体构成，如图2所示。

图2 电解式臭氧水制备装置示意图

1.3 检测方法

1.3.1 臭氧水中臭氧含量测定

臭氧水中臭氧含量测定：采用碘量法直接测定水中臭氧含量。通过不同方式制备臭氧水溶解入1.5 L水箱中，取适量水样置于容量为50 mL具塞锥形瓶中，加入200 g·L-1碘化钾溶液20 mL，混匀；再加3 mol·L-1硫酸5 mL，瓶口加塞。静置5 min，用0.05 mol·L-1或0.01 mol·L-1的硫代硫酸钠标准溶液滴至溶液呈淡黄色时加5 g·L-1淀粉溶液1 mL，继续滴定至无色。同时作空白对照[2]。

1.3.2 杀菌试验方法和步骤

(1)加标配置：菌落加标测试时取实验室培养好的混合菌液1～2 mL(具体量可根据混合菌液浓度进行调整)加入到1.5 L水箱中混匀，混匀后的细菌浓度最好在2000 CFU·mL-1左右；

(2)测试取样：灭菌前的样品需要使用无菌塑料滴管采集，并在混合好的水箱中取15 mL，灭菌后的样品可在不同方式制备臭氧水，且运行设置时间杀菌结束后，按上述方式取样15 mL；

(3)灭菌率测定：将上述所取水样测试菌落总数，经充分振荡，并做3个连续的合适稀释度，再将稀释液滴于计菌落总数测试片表面的培养基，放于(36±1)℃温箱内培养48 h后进行直接计数，所得菌落数乘以稀释倍数，即得每毫升水样所含菌落总数。测定纯水箱中水样的菌落数后，按公式计算灭菌率[3]：

2 结果与讨论

2.1 不同方式制备臭氧水的溶解效果

不同臭氧水制备系统，对于运行时间所形成的臭氧溶解性影响如图3所示，由图可知，随着运行时间的增加，各组臭氧浓度都不断增加，其中以电解式臭氧水的臭氧含量持续增加最为明显，该系统设定运行时间为7、60、136、201 s分别生成臭氧水的臭氧浓度为0.04、0.13、0.82、1.10 mg·L-1。鼓泡式臭氧水系统装置也连续运行240 s，在图3中生成臭氧水的臭氧含量增加速率较慢，仍然设定接触反应时间为60、120、180、240 s，并分别生成臭氧水的臭氧浓度为0.04、0.07、0.10、0.18 mg·L-1。这直接说明通过鼓泡方式增加臭氧的溶解效率并不随时间延长而线性积累增长，可能是臭氧气体在水中不稳定，其溶解于水中同时也在分解衰减。

图3 不同方式制备臭氧水的臭氧溶解曲线

2.2 不同方式制备臭氧水的消毒效果分析

选择能满足灭菌要求的臭氧浓度和运行时间，是研究臭氧灭菌质量的重要内容[3]。传统臭氧消毒过程一般用Chick-Watson模型来描述，其表达式为：

dρ(N)/dt=-kNρ(N)·ρ(O3)(1)

式中：ρ(N)-水中微生物的质量浓度，mg·L-1；kN-灭活速率常数；ρ(O3) -水中的O3的质量浓度，mg·L-1。

在连续通入O3经过鼓泡盘输入至水箱中，充分将臭氧气体溶解于水中，使得O3的质量浓度视为恒定，通过(1)式可以估算水中微生物的残留量如下：

ln(ρ(N)/ρ(N0))=-kN·ρ(O3)·t)(2)

分析上式可知，ρ(O3)·t值(mg·min·L-1)是O3的质量浓度和运行时间的乘积，作为衡量O3作用效果的重要参数，ρ(O3)·t值既可以有效反映O3对水中微生物的杀灭能力，又可以反映微生物对于O3的抗性强弱[4]。

虽然每组反应中的臭氧浓度不同，但在相同的ρ(O3)·t值下，可以获得相近或相同的灭菌率，说明对微生物的杀灭效果不单受水中臭氧浓度的影响，而是与参与反应的臭氧的ρ(O3)·t值密切相关[5]。选取运行时间分为120、180、240 s所得臭氧ρ(O3)·t值分为0.14、0.30、0.72 mg·min·L-1，反映每组灭菌的反应速度常数KN值的变化情况，每组对相同的加标水箱进行灭菌实验，对应灭菌实验数据见表1。从表1可以看出，随着臭氧气体通入时间延长，从而引起鼓泡式臭氧水的灭菌率逐渐提高，当鼓泡式系统的运行时间为240 s时，达到最佳的灭菌效果，也验证了臭氧的ρ(O3)·t值越高，所能达到的灭菌率也就越高。但240 s的鼓泡式臭氧水的灭菌率比120 s的鼓泡式臭氧水的灭菌效果仅提高了9.93%，从而表明鼓泡式臭氧杀菌效果并不是接触反应时间越长就越好，因它面临着另一个问题臭氧易分解，有部分臭氧直接挥发而损失分解掉，造成了O3利用率不高的因素[1]。

表1 鼓泡式臭氧水在不同接触反应时间内灭菌效果

为了进一步验证电解式臭氧水的杀菌效果，并考察不同运行时间的电解式臭氧水对相同的加标水箱进行灭菌实验，所得数据见表2。从表2可以看出，随着运行时间的延长，电解式臭氧水系统对水箱中微生物的灭菌能力呈现持续增加，这也证实上述测试水中臭氧含量逐渐增加有关。实验中，选取运行时间分别为60、136、201 s时对应的电解式臭氧水的平均杀菌率分别为96.75%、100%、100%，这说明运行时间小于60 s内所生成电解式臭氧水对加标水箱内微生物的杀灭效果不佳；当系统运行时间达到136 s时，对相同的加标水箱中微生物的杀灭率已达到100%，可以完全杀灭水箱内菌落，从而获得最佳的杀菌效果。这表明生成臭氧水的浓度决定杀菌速度，更高浓度的臭氧水可以大幅减少接触时间，达到更有效率的消毒效果。有赖

表2 电解臭氧水的不同消毒时间的灭菌效果

于电解式臭氧水的原理是采用低压直流导通固态膜电极的正负两极纯水，水在特殊的阳极界面上以质子交换的形式被分离为氢与氧分子，氧分子在阳极界面上因高密度电流产生的电子激发而获得能量，并聚合成臭氧分子，臭氧分子稳定的溶解于水中，生成高浓度的溶解臭氧水，可以迅速彻底氧化微生物及其它耗臭氧物质，起到高效消毒效果[6]。

3 结论

比较了2种不同方式制备臭氧水的臭氧溶解效果及其灭菌情况，结果表明鼓泡式臭氧水的臭氧溶解效率和杀菌效果较好，相比之下，电解式臭氧水完全杀灭水中菌落仅需136 s，对应灭菌率可达到100%，足以证明电解式臭氧水制备系统所产生的臭氧浓度高，且优于鼓泡式臭氧气液混合方式。为此利用电解式臭氧水的杀菌能力为净水消毒工艺的优化提供了一种新方法和研究思路，对推动净水行业消毒的发展，增强净水的安全具有重要的意义。