尚思宏,李 星*,楊艷玲,劉永旺,,趙 鋰,張惠瑾

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銀離子-紫外線聯(lián)合消毒的生活熱水微生物滅活效能

尚思宏1,李 星1*,楊艷玲1,劉永旺1,2,趙 鋰2,張惠瑾1

(1.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124；2.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院,北京 100044)

采用建筑生活熱水管道模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了銀離子、銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)微生物的滅活效能.結(jié)果表明,銀離子投量對(duì)微生物滅活效能有顯著影響,0.05mg/L銀離子消毒60min時(shí)可達(dá)到極佳的微生物滅活效果.銀離子投量較低時(shí),增加消毒時(shí)間仍可達(dá)到相同的消毒效能.銀離子的總大腸菌群滅活速率較低,需要保證足夠的濃度和消毒時(shí)間(CT)值.銀離子濃度的衰減速率慢,對(duì)生活熱水生物膜微生物的高效持續(xù)消毒作用可保持48h以上.紫外線消毒、銀離子消毒和銀離子-紫外線聯(lián)合消毒均可在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)造成顯著破壞,使生物膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,其中紫外線消毒對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的影響最小,銀離子-紫外線聯(lián)合消毒的影響最大.生物膜的16s rDNA測(cè)序分析表明,銀離子消毒對(duì)病原微生物的滅活程度相對(duì)較低,紫外線消毒、銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)病原微生物的滅活程度較高.銀離子-紫外線聯(lián)合消毒技術(shù)可充分發(fā)揮紫外線原位消毒和銀離子持續(xù)消毒的特點(diǎn),全面提高生活熱水生物膜微生物消毒效能,是一種有應(yīng)用價(jià)值的生活熱水消毒和水質(zhì)保障技術(shù).

生活熱水；生物安全性；銀離子；紫外線；聯(lián)合消毒

生活熱水是二次供水系統(tǒng)的重要組成部分,但生活熱水存在很多二次污染問題,至今仍未得到足夠重視[1].生活熱水系統(tǒng)大多采用生活給水進(jìn)行補(bǔ)充,受到生活給水水質(zhì)的直接影響.自來水經(jīng)過市政管網(wǎng)長(zhǎng)距離輸送后,易出現(xiàn)余氯、濁度、有機(jī)物、微生物等水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)的問題[2],直接用于生活熱水補(bǔ)水時(shí)會(huì)存在一定的安全性風(fēng)險(xiǎn).生活熱水在管道系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間很長(zhǎng),只有用戶使用熱水時(shí)才會(huì)有生活給水補(bǔ)充至熱水系統(tǒng)中,因此普遍存在余氯過低甚至無余氯的問題[3],現(xiàn)階段生活熱水系統(tǒng)尚未設(shè)置消毒劑補(bǔ)充投加設(shè)施,也未考慮消毒劑余量保障,生物安全性無法得到保障.已有的研究結(jié)果表明[4-5],生活熱水的溫度可以造成余氯衰減加快,也適合一些病原微生物生長(zhǎng),使得生活熱水水質(zhì)存在嚴(yán)重的安全性問題.住宅建筑的生活熱水供水系統(tǒng)主要采用集中供水方式,熱水在加熱器和輸水管道中的水力停留時(shí)間長(zhǎng),有利于細(xì)菌在加熱器壁和管道內(nèi)壁上附著和生長(zhǎng)[6-7].李雨婷對(duì)某市14個(gè)建筑單位的調(diào)查數(shù)據(jù)表明[8],生活熱水合格率為71.43%,主要為pH值、高錳酸鹽指數(shù)、游離性余氯和異養(yǎng)菌(HPC)不達(dá)標(biāo).于世明對(duì)某市2個(gè)生活小區(qū)內(nèi)8個(gè)用戶電熱水器淋浴用水的檢測(cè)結(jié)果表明[9],細(xì)菌總數(shù)為350~920cfu/mL,總大腸菌群為3.3~47cfu/100mL,均嚴(yán)重超標(biāo).因此需要對(duì)生活熱水系統(tǒng)的微生物進(jìn)行有效控制,有必要采用二次消毒技術(shù).

現(xiàn)階段我國(guó)建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未要求對(duì)生活熱水進(jìn)行二次消毒,亟需對(duì)生活熱水的水質(zhì)安全性進(jìn)行控制.近年來銀離子消毒技術(shù)得到了重視,并在日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家應(yīng)用于實(shí)際工程中.銀離子在所有的重金屬中具有最好的滅菌效果[10],對(duì)很多病原微生物表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌活性,包括綠膿假單胞菌、總大腸菌群、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌[11],且有持續(xù)消毒作用[12].研究表明,硝酸銀對(duì)細(xì)菌和真菌均有較強(qiáng)的抑制作用[13].在43℃熱水中,0.10mg/L銀離子消毒30min可將金葡萄球菌、綠膿菌、大腸桿菌、痢疾桿菌和傷寒桿菌完全滅活,0.08mg/L銀離子可完全殺滅霍亂弧菌[12].在熱水循環(huán)系統(tǒng)中,0.10mg/L銀離子消毒210min時(shí)軍團(tuán)菌的滅活率為99.92%[14].可見,銀離子能高效殺滅多種病原微生物.美國(guó)環(huán)境保護(hù)局對(duì)銀離子限值是0.1mg/L,我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中銀離子限值是0.05mg/L,因此亟需在生活熱水系統(tǒng)中研究低投量銀離子消毒技術(shù)的可行性和適用性.

本試驗(yàn)采用低投量銀離子與紫外線聯(lián)合消毒方式,以改善和提高由于銀離子投量過低造成的消毒效果不佳的問題,為生活熱水系統(tǒng)的安全消毒提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)采用環(huán)狀生物膜反應(yīng)器(BAR)來模擬實(shí)際生活熱水管道,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.BAR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)子上放置可拆卸PVC掛片,掛片有效掛膜面積為17.04cm2,反應(yīng)器有效容積為800mL,水力停留時(shí)間為4h.培養(yǎng)生物膜前用NaOCl溶液對(duì)BAR反應(yīng)器、掛片、進(jìn)出水管等進(jìn)行消毒和清洗.掛片上的生物膜采用自然掛膜方式進(jìn)行培養(yǎng),BAR反應(yīng)器進(jìn)水為二次供水加熱后的生活熱水,水溫約45℃.生物膜生長(zhǎng)穩(wěn)定后,取生物膜掛片放于45℃純水的燒杯中進(jìn)行消毒試驗(yàn).銀離子消毒時(shí)的銀離子投量分別為0.02mg/L和0.05mg/L.銀離子-紫外線消毒中紫外線消毒的紫外燈功率為10W;銀離子消毒的銀離子投量為0.02mg/L;聯(lián)合消毒的紫外燈功率為10W、照射時(shí)間為1min,銀離子投量為0.02mg/L.

1.2 分析方法

1.2.1 銀離子消毒液配制 使用分析純硝酸銀在超純水配制銀離子消毒液,稀釋成0.2mg/L溶液,放于4℃冰箱,試驗(yàn)時(shí)根據(jù)投量進(jìn)行定量投加.

1.2.2 微生物檢測(cè)方法 (1)細(xì)菌總數(shù)采用平板菌落計(jì)數(shù)方法測(cè)定,使用營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)黑暗培養(yǎng)24h計(jì)數(shù),以單位面積的細(xì)菌數(shù)表示(cfu/cm2).(2)HPC采用平板菌落計(jì)數(shù)方法測(cè)定,使用R2A固體培養(yǎng)基,采用涂布平板法,在22℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)黑暗培養(yǎng)7d計(jì)數(shù),以單位面積的細(xì)菌數(shù)表示(cfu/cm2).(3)總大腸菌群采用濾膜法測(cè)定,使用品紅亞硫酸鈉培養(yǎng)基,在37℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)黑暗培養(yǎng)24h計(jì)數(shù),以單位面積的總大腸菌群數(shù)表示(cfu/cm2).

微生物滅活率采用公式(1)計(jì)算

滅活率=-lg(N/0)(1)

式中:N為消毒后微生物數(shù)量;0為消毒前微生物數(shù)量,cfu/cm2.

1.2.3 生物膜形態(tài)檢測(cè) 將消毒前后的生物膜掛片進(jìn)行固定、噴金制樣處理后,利用掃描電子顯微鏡(SEM) (FEI nova nano450,荷蘭)對(duì)掛片的生物膜表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè).

1.2.4 16s rDNA測(cè)序 (1)樣品預(yù)處理、提取DNA.取消毒前后生物膜掛片上的生物膜置于水中,取得的生物膜液體經(jīng)富集后取4ml液體樣本進(jìn)行離心,而后提取DNA.(2)PCR擴(kuò)增.采用PCR引物341F引物CCCTACACGACGCTCTTCC- GATCTG和805R引物GACTGGAGTTCCTTG- GCACCCGAGAATTCCA進(jìn)行擴(kuò)增,而后對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行純化.(3)定量混合后測(cè)序.

2 結(jié)果與討論

2.1 銀離子消毒效能

2.1.1 銀離子消毒特性 采用0.02mg/L和0.05mg/L的銀離子投量對(duì)生活熱水的生物膜微生物進(jìn)行消毒效能研究,結(jié)果如圖2所示.消毒前生物膜的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC分別為2.4′105、2.3′104和5.9′106cfu/cm2,完全滅活的滅活率分別為5.38lg、4.36lg和6.77lg.可以看出,銀離子投量對(duì)生物膜微生物滅活效果有顯著影響,在消毒0~60min時(shí),0.05mg/L銀離子的微生物滅活率好于0.02mg/L的.在消毒30~60min 時(shí), 0.05mg/L銀離子的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC滅活率平均達(dá)2.95lg、3.11lg和1.89lg,比0.02mg/L銀離子的分別高出0.69lg、1.89lg和0.43lg.

由圖2還可以看出,0.02mg/L和0.05mg/L銀離子的總大腸菌群滅活率變化幅度更大,相差了2.13lg,比細(xì)菌總數(shù)和HPC的0.57lg和0.52lg大了約4倍;隨著消毒時(shí)間的增加,總大腸菌群滅活率的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯更緩慢,在消毒60min后滅活率仍有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),說明總大腸菌群需要更長(zhǎng)的消毒時(shí)間才能達(dá)到較穩(wěn)定的滅活效果.這表明生活熱水中的總大腸菌群對(duì)銀離子有一定的耐受性,這可能是因?yàn)榭偞竽c菌群對(duì)水溫有更強(qiáng)的適應(yīng)性,或者水溫變化造成了大腸菌群的優(yōu)勢(shì)菌屬發(fā)生了變化,出現(xiàn)了對(duì)銀離子耐熱性更好的大腸菌屬[15].這說明生活熱水中的總大腸菌群不易滅活,因此為提高生活熱水中總大腸菌群的滅活率,可盡量保持較高的水溫[4,16]、較長(zhǎng)的消毒時(shí)間和較大的銀離子投量.

由圖2的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC滅活率變化趨勢(shì)可以看出,在消毒0~10min時(shí),微生物滅活率均在較低的0.2~1.2lg范圍; 0.05mg/L銀離子消毒10min后,微生物滅活率開始顯著增加,消毒20min后滅活率出現(xiàn)較平緩增長(zhǎng)的趨勢(shì);而0.02mg/L銀離子消毒20min后滅活率才開始顯著增加,在消毒30min后滅活率才出現(xiàn)較平緩增長(zhǎng)的趨勢(shì);可見較低投量銀離子需要更長(zhǎng)的消毒時(shí)間,保證足夠的消毒時(shí)間和CT值是非常必要的.

2.1.2 銀離子持續(xù)消毒作用 投加銀離子消毒前生物膜上細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC分別為2.7′105、3.3′104和5.8′106cfu/cm2,完全滅活的滅活率分別為5.43lg、4.52lg和6.76lg.由圖3可以看出,在消毒0~12h時(shí),微生物滅活率均呈持續(xù)增加趨勢(shì),并且0.05mg/L銀離子的微生物滅活率始終好于0.02mg/L的;在消毒12h時(shí),0.02mg/L和0.05mg/L銀離子的微生物滅活率均達(dá)到了最高水平,細(xì)菌總數(shù)和總大腸菌群均完全滅活,HPC滅活率分別為2.92lg和3.03lg.在消毒12~48h時(shí),微生物的滅活率基本處于平穩(wěn)或稍有下降的趨勢(shì),可見銀離子具有很好的持續(xù)消毒效果,銀離子的衰減速率很低[4].在消毒72h時(shí)0.02mg/L銀離子的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC的滅活率分別為0.27lg、0.22lg和1.38lg,微生物滅活率呈現(xiàn)較顯著的降低趨勢(shì),而0.05mg/L銀離子的滅活率分別為3.83lg、4.52lg和3.34lg,仍可保持較高效的微生物滅活率,可見高投量銀離子的持續(xù)消毒效能更佳.

從上述結(jié)果可以看出,銀離子對(duì)生活熱水生物膜微生物的消毒作用可持續(xù)增加至12h,銀離子的衰減速率很低,可長(zhǎng)時(shí)間維持消毒作用,并且在消毒時(shí)間足夠長(zhǎng)的條件下,不同銀離子投量可以達(dá)到相近的微生物滅活效果,基本不受銀離子濃度影響.生活熱水系統(tǒng)具有水力停留時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),有助于低投量銀離子達(dá)到較高投量的滅活效果,充分發(fā)揮銀離子的持續(xù)消毒作用,可以有效保障生活熱水系統(tǒng)的生物安全性.

2.2 銀離子-紫外線聯(lián)合消毒效能

紫外線消毒、銀離子消毒和銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)生物膜微生物的滅活效果由圖4所示,消毒前生物膜上細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC分別為7.50′104、1.06′104和1.12′106cfu/ cm2,完全滅活的滅活率分別為4.88lg、4.03lg和6.05lg.

從圖4(a)~(c)紫外線消毒的滅活率中可以看到,在消毒0~5min時(shí)紫外線消毒的滅活率增加較快,均在1.9~2.5lg范圍;在消毒5~60min時(shí)滅活率明顯減緩,在消毒60min時(shí)紫外線的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC滅活率分別達(dá)到3.43lg、2.88lg和2.83lg.可見,紫外線消毒的作用快速,在較短時(shí)間內(nèi)即可產(chǎn)生顯著的滅活效果.

由圖4可看出,在3種消毒方式中,0.02mg/L銀離子在消毒0~5min時(shí)的微生物滅活率最低,在消毒5~30min時(shí)銀離子的滅活率的變化最大,在消毒30~60min時(shí)滅活率呈現(xiàn)平緩增加的趨勢(shì),此時(shí)細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC滅活率平均達(dá)2.20lg、1.26lg和1.48lg.

在實(shí)際生活熱水系統(tǒng)中,紫外線消毒裝置一般安裝在固定位置,對(duì)生活熱水的消毒時(shí)間較短,因此在銀離子-紫外線聯(lián)合消毒中采用紫外線消毒時(shí)間為1min.在消毒0~5min時(shí)銀離子-紫外線聯(lián)合消毒的微生物滅活率增加較快,在消毒5~60min時(shí)滅活率明顯減緩,在消毒60min時(shí)細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC的滅活率分別為2.51lg、2.40lg和2.09lg,比銀離子消毒滅活率分別高出0.17lg、1.09lg和0.53lg.可見,銀離子-紫外線聯(lián)合消毒的總大腸菌群滅活率比銀離子消毒的有了顯著提高,細(xì)菌總數(shù)和HPC滅活率比銀離子消毒提高幅度較小,因此銀離子-紫外線聯(lián)合消毒能有效改善低投量銀離子消毒對(duì)總大腸菌群滅活效能.

2.3 生物膜表面形態(tài)變化特征

生物膜表面形態(tài)對(duì)微生物的附著過程和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞過程會(huì)產(chǎn)生重要影響[17].消毒劑可造成生物膜結(jié)構(gòu)破壞,改變生物膜表面官能團(tuán)的種類,影響生物膜的表面形態(tài),使得生物膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象.圖5所示為消毒前和紫外線消毒、銀離子消毒和銀離子-紫外線聯(lián)合消毒后掛片的生物膜表面形態(tài).可以看出,消毒前的生物膜由較厚實(shí)和致密的塊狀結(jié)構(gòu)組成,塊狀結(jié)構(gòu)表面圓滑飽滿.經(jīng)紫外線消毒后,生物膜萎縮變成小塊狀結(jié)構(gòu),生物膜表面粗糙,結(jié)構(gòu)較亂但仍比較密實(shí),只有局部出現(xiàn)孔洞,可見紫外線對(duì)生物膜的破壞程度較小,生物膜脫落現(xiàn)象不明顯.銀離子消毒后造成了較顯著的生物膜脫落現(xiàn)象,掛片表面已有部分裸露,生物膜呈離散的小塊狀結(jié)構(gòu),并出現(xiàn)較多絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),盡管生物膜已經(jīng)較為疏松,但表面仍較平滑,萎縮現(xiàn)象不明顯.銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的破壞程度最大,造成更嚴(yán)重的生物膜脫落現(xiàn)象,掛片表面已大量裸露,生物膜呈顯著離散的小塊狀結(jié)構(gòu),出現(xiàn)部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),生物膜更為疏松,但塊狀表面更顯平滑、邊緣更明晰,生物膜深層也出現(xiàn)了萎縮現(xiàn)象.

從生物膜的表觀形態(tài)看,紫外線消毒更多的是對(duì)生物膜表面的微生物滅活,沒有對(duì)生物膜深層產(chǎn)生顯著的破壞,生物膜仍呈現(xiàn)較為完整的形態(tài).銀離子消毒對(duì)生物膜的深層產(chǎn)生了顯著破壞,生物膜整體出現(xiàn)了明顯的裂痕和脫落現(xiàn)象.銀離子-紫外線聯(lián)合消毒時(shí),紫外線可以照射到生物膜深層,則對(duì)生物膜整體造成了更大程度的破壞,生物膜脫落程度更大.紫外線消毒是直接破壞微生物的DNA,阻止蛋白質(zhì)合成而使細(xì)菌不能繁殖[18],對(duì)微生物細(xì)胞膜基本沒有破壞,這可能是紫外線消毒生物膜不易脫落的原因,而銀離子消毒可破壞微生物的表面結(jié)構(gòu),易造成生物膜脫落.可見,銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)管壁生物膜的破壞和去除是最有效的.

未消毒 紫外線消毒

銀離子消毒 銀離子-紫外線聯(lián)合消毒

圖5 消毒前后生物膜表面形態(tài)(′20000)

Fig.5 SEM of biofilm (′20000)

生物膜脫落會(huì)造成水中濁度的增加,生物膜脫落程度也可以通過水的濁度變化看出來,圖6為3種消毒方式的水中濁度變化情況.可以看出,在消毒0~5min時(shí)紫外線消毒、銀離子消毒和銀離子-紫外線聯(lián)合消毒的水中濁度均迅速增加,在消毒5min時(shí)濁度分別由0.102NTU、0.120NTU和0.105NTU增加至0.514NTU、0.955NTU和1.57NTU,表明有大量生物脫落;在消毒5~60min時(shí)濁度增加趨勢(shì)明顯減緩,消毒60min時(shí)濁度可分別達(dá)到0.836NTU、1.84NTU和1.97NTU,與消毒5min時(shí)的濁度相比增加幅度很小.可見紫外線消毒、銀離子消毒和銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的破壞以及生物膜的脫落主要出現(xiàn)在消毒的0~5min內(nèi),其中紫外消毒的生物膜脫落程度最小,銀離子-紫外線聯(lián)合消毒的生物膜脫落程度相對(duì)最大,濁度變化程度與圖5的生物膜表面形態(tài)變化程度的結(jié)果是一致的.

2.4 生物膜細(xì)菌菌群變化特征

對(duì)消毒前后生物膜細(xì)菌菌群進(jìn)行了16s rDNA測(cè)序分析,結(jié)果如圖7所示.可以看出,消毒前生物膜中的變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteria)和浮霉菌門(Planctomycetes)所占比例較高,分別為30.73%、28.66%、14.28%和11.78%,芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、裝甲菌門(Armatimonadetes)、硝化螺菌屬(Nitrospirae)和疣微菌門(verrucomicrobia)所占比例較少,分別為3.06%、2.78%、2.25%、2.2%、1.44%和1.34%,其余各種菌門所占的比例均小于1.0%;可知變形菌門和厚壁菌門所占比例遠(yuǎn)高于其他菌門,為主要優(yōu)勢(shì)菌群.與相同條件下二次供水生物膜的微生物種群的對(duì)比可以看出[19],生活熱水生物膜中變形菌門數(shù)量要多9.13個(gè)百分點(diǎn),酸桿菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門、裝甲菌門、硝化螺菌屬和疣微菌門的數(shù)量也較多,而二次供水中幾乎沒有;生活熱水中古菌門和泉古菌門含量極少,二次供水中所占比例較高,為6.84%和1.10%;生活熱水中擬桿菌門數(shù)量較少,比二次供水的低15.41個(gè)百分點(diǎn).

生活熱水生物膜中的變形菌門主要為變形菌、變形菌、變形菌和變形菌,所占比例分別為13.4%、7.26%、5.39%和4.54%;其中變形菌和變形菌可利用自身胞外酶,將大分子有機(jī)污染物降解為水溶性低分子的氨基酸、單糖及無機(jī)酸等[20-21];變形菌主要為大腸桿菌、沙氏門菌等可致病的病原菌.厚壁菌門是一類腸道菌,會(huì)影響人體健康[22].硝化螺菌屬屬于亞硝酸鹽氧化菌(NOB),具有脫氮功能[23].可見,生活熱水管壁生物膜中具有多種菌類,其中病原菌可對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅,其它種屬細(xì)菌也存在致病風(fēng)險(xiǎn),尤其是對(duì)敏感人群.

消毒后的生活熱水生物膜細(xì)菌種群比例發(fā)生了較大程度變化.銀離子消毒后生物膜中的厚壁菌門和變形菌門所占比例分別減少至23.26%和26.11%,其中變形菌門中變形菌、變形菌和變形菌分別減少至10.45%、5.99%和4.01%,而變形菌由5.39%增加至5.49%,說明變形菌門中主要滅活的是變形菌和變形菌,病原菌變形菌的滅活程度相對(duì)較低.紫外線消毒后生物膜的變形菌門和浮霉菌門所占比例分別減少至19.57%和7.01%,厚壁菌門比例增加至45.91%,成為優(yōu)勢(shì)菌群.紫外線消毒中變形菌、變形菌、變形菌和δ變形菌分別減少至8.76%、4.01%、4.33%和2.37%,說明紫外線滅活變形菌的效果相對(duì)更好一些.銀離子-紫外線聯(lián)合消毒后生物膜的變形菌門、浮霉菌門和酸桿菌門所占比例分別減少至22.97%、4.15%和10.65%,厚壁菌門比例增加至49.16%,成為優(yōu)勢(shì)菌群.銀離子-紫外線聯(lián)合消毒后變形菌、變形菌、變形菌和變形菌分別減少至9.35%、5.73%、4.45%和3.34%,變形菌比例也相對(duì)有所降低.

從上述檢測(cè)結(jié)果可看出,生活熱水生物膜的微生物種群具有生物多樣性,存在一定數(shù)量的病原微生物;消毒可以在不同程度上殺滅多種微生物,但對(duì)病原微生物的滅活程度有所差異;銀離子對(duì)病原微生物的滅活程度相對(duì)較低,紫外線消毒和銀離子-紫外線聯(lián)合消毒對(duì)病原微生物的滅活程度相對(duì)較高.

3 結(jié)論

3.1 銀離子投量對(duì)微生物滅活效能有顯著影響,0.05mg/L銀離子消毒60min時(shí)的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群和HPC滅活率可分別達(dá)到3.10lg、3.47lg和2.04lg,具有極佳的微生物滅活效果.銀離子的總大腸菌群滅活速率較低,需要適度提高銀離子投量或延長(zhǎng)消毒時(shí)間,保證充分的CT值.

3.2 銀離子對(duì)生活熱水生物膜的滅活作用可持續(xù)增加達(dá)12h,而且銀離子濃度的衰減速率很低,在48h內(nèi)均可保持高效的微生物滅活效能.生活熱水系統(tǒng)的水力停留時(shí)間長(zhǎng),有助于充分發(fā)揮銀離子持續(xù)消毒作用;在消毒時(shí)間足夠長(zhǎng)的條件下,不同銀離子濃度可以達(dá)到相近的微生物滅活效果.

3.3 紫外線、銀離子和銀離子-紫外線3種消毒方式均可在消毒0~5min內(nèi)對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)造成顯著破壞,出現(xiàn)生物膜脫落現(xiàn)象;紫外線消毒時(shí)生物膜表面仍較為完整但明顯發(fā)生萎縮,銀離子消毒時(shí)生物膜出現(xiàn)較明顯的裂痕和脫落現(xiàn)象,銀離子-紫外線聯(lián)合消毒時(shí)生物膜出現(xiàn)深層裂痕、破碎現(xiàn)象,管壁部分裸露,對(duì)生物膜的破壞和脫落影響最顯著、最有效.

3.4 生活熱水管壁生物膜中的微生物種群具有生物多樣性,其中的病原菌可對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅,其他菌屬也有潛在的致病風(fēng)險(xiǎn).3種消毒方式可以在不同程度上殺滅多種微生物,但對(duì)病原微生物的滅活程度有所差異,銀離子消毒的病原微生物滅活程度相對(duì)較低,紫外線消毒、銀離子-紫外線消毒的病原微生物滅活程度相對(duì)較高.銀離子-紫外線聯(lián)合消毒可以顯著改善總大腸菌群滅活率,全面提高生物膜微生物的消毒效能,是一種有應(yīng)用價(jià)值的高效的生活熱水消毒技術(shù).

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Inactivation efficiency of silver ions-UV combined disinfection on domestic hot water microorganisms.

SHANG Si-hong1, LI Xing1*, YANG Yan-ling1, LIU Yong-wang1,2, ZHAO Li2, ZHANG Hui-jin1

(1.Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.China Architecture Design & Research Group, Beijing 100044, China)., 2017,37(8)：2955~2962

Effect of silver ions, silver ions-UV combined disinfection on microbes was investigated by using a domestic hot water biofilm annular reactor. The results showed that silver ion dosage had a significant effect on the inactivation of microbes. The disinfection by 0.05mg/L silver ion achieved excellent microbial inactivation effect in 60min. Low dosage of silver ion had the same disinfection efficiency when the sterilization time was increased. The inactivation rate ofby silver ion was low. Hence, adequate concentration and disinfection (CT) value need to be ensured. The concentration of silver ions attenuated slowly, resulting in high-efficiency inactivation ratio above 48h. Moreover, the significant damage to the biofilm structure was caused by all three disinfection method in a very short period. Among them, UV disinfection had the least effect on biofilm structure, while silver ion-UV combined disinfection had the greatest effect on biofilm structure. It was demonstrated by 16s rDNA approaches that the sterilization ratio of silver ions to pathogenic microorganism was relatively low and the sterilization ratio of UV and silver ion-UV combined disinfection was relatively high on the contrary. Therefore, silver ion-UV combined disinfection possessing the advantages of both UV disinfection and silver ion disinfection, comprehensively improves the domestic hot water biofilm microbial disinfection efficiency, which is a valuable technology for domestic hot water disinfection.

domestic hot water；biological safety；silver ion；UV；synergistic disinfection

X703

A

1000-6923(2017)08-2955-08

尚思宏(1992-),女,山東煙臺(tái)人,北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院碩士研究生,主要從事飲用水安全研究.

2017-01-17

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2014ZX07406002)

* 責(zé)任作者, 研究員, lixing@bjut.edu.cn