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(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)

采用自制微波無極紫外連續(xù)式消毒反應(yīng)器,對二沉池出水進(jìn)行消毒.紫外光源為自制圓柱形無極燈,燈內(nèi)充汞10mg、氬氣壓強(qiáng)666.61Pa紫外光強(qiáng)5.07mW/cm2,進(jìn)水流量0.072L/s,出水細(xì)菌總數(shù)2CFU/mL,大腸菌群數(shù)0.微波無極紫外作用過程中,微波破壞細(xì)胞壁細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)使蛋白質(zhì)、K+等胞內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生滲漏,這種不可逆的破壞過程有效抑制紫外光復(fù)活現(xiàn)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(chǎn)物,無需添加化學(xué)試劑,己經(jīng)成為高效環(huán)保的消毒技術(shù),適用于對飲用水、污水以及回用水的消毒過程[1].但傳統(tǒng)紫外燈電極壽命有限,紫外消毒還存在光復(fù)活現(xiàn)象[2].紫外線殺菌作用于生物體的核酸,阻礙核酸的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄,從而造成細(xì)胞死亡.但是在細(xì)菌、真菌和高等植物中存在可修復(fù)DNA光損傷的酶,被稱為光復(fù)活酶,可恢復(fù)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)使細(xì)胞恢復(fù)活性[3].

針對紫外消毒技術(shù)存在的問題,科研人員提出將紫外與其他消毒技術(shù)聯(lián)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(yīng)和非熱效應(yīng)[10].微波可使水中的菌體細(xì)胞膜離子通道和膜通透性異常改變,導(dǎo)致膜功能障礙;使細(xì)胞內(nèi)蛋白凝聚變性,酶活性喪失,細(xì)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(shù)聯(lián)用進(jìn)行殺菌,微波的加入可有效地解決紫外光復(fù)活現(xiàn)象的問題.該聯(lián)用技術(shù)兼具微波和紫外兩種消毒方式的優(yōu)點(diǎn),不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)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(fā)且無需電極.與傳統(tǒng)紫外燈相比,無極紫外燈點(diǎn)燃快、穩(wěn)定快、

再點(diǎn)燃快、光效高、壽命長、制作成本低,而且設(shè)計(jì)自由度大[12-14].

本文采用自制微波無極紫外連續(xù)式消毒反應(yīng)器,將微波與紫外2種技術(shù)聯(lián)合,對某城市污水廠的二沉池出水進(jìn)行消毒.首先確定消毒效率最高的無極紫外燈參數(shù);建立連續(xù)消毒工藝,確定最佳工藝參數(shù);考查微波無極紫外作用下細(xì)菌菌體內(nèi)容物泄漏情況和表面形態(tài)的變化,驗(yàn)證微波對紫外殺菌的促進(jìn)作用.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)水樣

實(shí)驗(yàn)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(nèi)進(jìn)行檢測,其水質(zhì)參數(shù)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(shí)驗(yàn)探討.

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

1.2 實(shí)驗(yàn)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(huán)菌體,加入50mL營養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基中,經(jīng)過(36±1)℃恒溫震蕩培養(yǎng)24h.分別取5mL培養(yǎng)液加入8份50mL營養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基中再次培養(yǎng)24h.將8份培養(yǎng)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)時稀釋至108CFU/mL使用.

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自制微波無極紫外消毒裝置,微波設(shè)備是經(jīng)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(xù)輸出.如圖1所示,消毒反應(yīng)器置于微波爐內(nèi),外形為圓柱形,有效高度160mm,內(nèi)徑140mm.反應(yīng)器內(nèi)置3層大小、間距均相等的折板,折板開口距反應(yīng)器內(nèi)壁距離為22mm.反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)充Hg 10mg及一定量惰性氣體Ar.無極紫外燈由微波激發(fā)點(diǎn)亮.水流經(jīng)蠕動泵由入水管進(jìn)入,流經(jīng)無極紫外燈并通過折板開口向上運(yùn)動,水流在豎直面上呈現(xiàn)推流的現(xiàn)象,最后,水流從出水管流出.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

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

1.5 消毒效果評價

細(xì)菌總數(shù)的測定方法為平板菌落計(jì)數(shù)法,大腸菌群數(shù)的測定方法為多管發(fā)酵法[16].

微生物的滅活率用以下公式來計(jì)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(jié)果與討論

2.1 無極紫外燈參數(shù)選擇

2.1.1 氬氣壓強(qiáng)對無極紫外燈消毒能力的影響 微波能夠激發(fā)無極燈內(nèi)的惰性氣體,激發(fā)態(tài)的惰性氣體與金屬原子碰撞,使金屬原子達(dá)到激發(fā)態(tài),金屬原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時會產(chǎn)生光輻射.由于無極燈中的惰性氣體會對紫外光的譜線強(qiáng)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(qiáng)非常重要[21].

選用Ar作為填充氣體,填充壓強(qiáng)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(shù)對細(xì)菌滅活的影響,結(jié)果如圖2所示.相同實(shí)驗(yàn)條件下,隨著Ar壓強(qiáng)的增大,細(xì)菌滅活率先提高再減小.這是因?yàn)?Ar壓強(qiáng)增大時,電子總能量增加,與Hg原子發(fā)生非彈性碰撞使得基態(tài)Hg原子躍遷到激發(fā)態(tài)發(fā)的概率增加,返回基態(tài)時發(fā)射出的波長253.7nm的光強(qiáng)增強(qiáng),消毒效果也隨之增強(qiáng).Ar壓強(qiáng)大于666.61Pa后,電子總能量逐漸減小,紫外區(qū)輻射的光強(qiáng)占總輻射光強(qiáng)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(qiáng)下波長253.7nm的紫外光強(qiáng)度.Ar壓強(qiáng)為666.61Pa時紫外光強(qiáng)最大,值為3.31mW/cm2.

2.1.2 微波功率對無極紫外燈光強(qiáng)的影響 無極燈受微波能激發(fā)而點(diǎn)亮,微波功率的變化會直接影響紫外光強(qiáng)度,圖4為Ar壓強(qiáng)666.61Pa的無極紫外燈在不同微波功率下的光照強(qiáng)度.無極燈在微波功率大于200W時方能點(diǎn)亮,光強(qiáng)隨著微波功率增大而增強(qiáng).微波能的增強(qiáng)會使更多的Ar被激發(fā),增加Hg原子躍遷到激發(fā)態(tài)發(fā)的概率,從而產(chǎn)生更強(qiáng)的光輻射.微波功率600W時,紫外光強(qiáng)達(dá)到最大值5.07mW/cm2.測得無極燈光強(qiáng)與微波功率關(guān)系如公式所示:

=0.0084-0.4142=0.9355

式中:為紫外光強(qiáng),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(diào)節(jié)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(xì)菌滅活效果的影響,水樣中細(xì)菌總數(shù)4300CFU/mL,采樣時間設(shè)定為2倍HRT,結(jié)果如圖5所示.微波功率為600W時,HRT=20s,滅菌率達(dá)到2.42,水樣中殘余活菌數(shù)17CFU/mL, HRT=30s,滅菌率為2.77,水樣中活菌數(shù)8CFU/mL.微波功率200~500W下,滅菌率達(dá)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(shù)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(qiáng),消毒反應(yīng)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(yīng)器處理后的出水的大腸菌群數(shù),結(jié)果如表2所示.滅菌率達(dá)到2.16以上時,檢測到的大腸菌群數(shù)不超過3CFU/L.此時對應(yīng)的微波功率與HRT為,200W、180s,300W、150s,400W、60s, 500W、30s和600W、20s,此時水樣衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)滿足《城市污水再生利用 生活雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920-2002)[22]要求大腸菌群數(shù)不超過3CFU/L.滅菌率達(dá)到2.63以上時,大腸菌群數(shù)為0.此時對應(yīng)的微波功率與HRT為,300W、180s, 400W、90s,500W、40s和600W、30s,此時水樣衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)滿足《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 94- 2005)[23].因?qū)嶒?yàn)中采用二沉池出水為消毒水樣,為避免可能產(chǎn)生的細(xì)菌生物負(fù)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(shù).

2.2.3 微波無極紫外消毒工藝的耗能優(yōu)選 根據(jù)微波無極紫外消毒工藝的耗能計(jì)算,優(yōu)選最佳微波功率與HRT,計(jì)算結(jié)果如表3所示.當(dāng)微波功率為600W時,處理1個HRT二沉池出水的能耗計(jì)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(xié)同殺菌作用隨之增強(qiáng),節(jié)能的同時提高了消毒反應(yīng)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(shí)驗(yàn)確定的最佳微波無極紫外消毒工藝參數(shù)為,微波功率600W,HRT=30s,此時無極燈紫外光強(qiáng)5.07mW/cm2,進(jìn)水流量0.072L/s,出水細(xì)菌滅活率2.77,細(xì)菌總數(shù)2CFU/mL,大腸菌群數(shù)為0.

表3 不同功率下微波無極紫外消毒達(dá)標(biāo)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(jī)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(dá)物理場對細(xì)菌的破壞,選取枯草芽孢桿菌為指示菌,經(jīng)微波無極紫外輻照后用AFM進(jìn)行細(xì)菌表面形態(tài)觀察.圖6a為正常狀態(tài)下枯草芽孢桿菌的菌體形態(tài).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(jié)構(gòu)形態(tài),細(xì)胞形狀能夠辨識,但細(xì)胞邊緣或者一端發(fā)生有內(nèi)容物質(zhì)漏出.說明微波無極紫外可以破壞細(xì)胞壁細(xì)胞膜,使細(xì)胞破裂細(xì)胞物質(zhì)滲漏.這種過程會造成細(xì)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(zhì)滲漏 選取枯草芽孢桿菌為指示菌,考察其在輻照過程中細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)滲漏現(xiàn)象,將微波無極紫外、微波和紫外3種輻照方式進(jìn)行了比較.實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)器靜態(tài)條件下完成,微波功率500W,配水水樣每份200mL.經(jīng)不同方式輻照枯草芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)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(zhì)漏出,輻照時間越長,菌體受到破壞導(dǎo)致蛋白質(zhì)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(xì)菌由細(xì)胞壁和細(xì)胞膜形成的保護(hù)屏障共同保護(hù),如果細(xì)胞膜的屏障功能被破壞,就會對細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓造成影響,細(xì)胞內(nèi)原有的內(nèi)容物質(zhì)就會滲出,最終致使菌體死亡.實(shí)驗(yàn)說明3種輻照方式對細(xì)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(shí)驗(yàn)與蛋白質(zhì)滲漏實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)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(xì)胞膜上負(fù)責(zé)維持細(xì)胞內(nèi)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(qiáng)度大于單純微波、單純紫外方法,K+漏出量大于單獨(dú)微波和單獨(dú)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(xié)同作用.

與蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,輻照過程中,使細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變,隨之細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞,細(xì)胞內(nèi)容物質(zhì)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(lián)合使用進(jìn)行消毒時,便可在紫外迅速殺菌的同時破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu).共同殺菌的同時,彌補(bǔ)紫外殺菌因輻照劑量不足而產(chǎn)生的細(xì)胞自修復(fù)弊端,減少光復(fù)活問題,進(jìn)一步提升殺菌效果.微波無極紫外技術(shù)同時具備微波和紫外兩種消毒方法的優(yōu)勢,物理消毒方法的特性決定了消毒過程中不引入雜質(zhì),無消毒副產(chǎn)物生成,是一種高效、節(jié)能、清潔的殺菌技術(shù).但因是物理消毒,該聯(lián)用技術(shù)在水中無持續(xù)消毒能力,更適用于即處理即使用的場合或者管路衛(wèi)生條件較好的情況.

3 結(jié)論

3.1 采用微波-紫外聯(lián)合消毒方法對二沉池出水進(jìn)行消毒研究.紫外光源選用無極燈,由微波激發(fā)無需額外提供電源.自制無極燈為圓柱形,長160mm,直徑25mm,內(nèi)充Hg 10mg、Ar 666.61Pa時,產(chǎn)生的波長253.7nm的紫外光強(qiáng)最強(qiáng).

3.2 自制微波無極紫外連續(xù)消毒反應(yīng)器的最優(yōu)工藝參數(shù)為微波功率600W、HRT=30s.此時無極燈紫外光強(qiáng)5.07mW/cm2,進(jìn)水流量0.072L/s,出水細(xì)菌總數(shù)2CFU/mL,大腸菌群數(shù)為0.衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)符合回用水和飲用水標(biāo)準(zhǔn).

3.3 微波無極紫外能破壞枯草芽孢桿菌表面結(jié)構(gòu),使細(xì)胞物質(zhì)蛋白質(zhì)和K+發(fā)生滲漏.微波是使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞,細(xì)胞內(nèi)容物質(zhì)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(bǔ)紫外光復(fù)活問題.

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* 責(zé)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(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事微波與紫外消毒技術(shù)研究.發(fā)表論文8篇.

2015-11-10

城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主課題(2015DX03);中國博士后科學(xué)基金(2014M561356)