張 征, 肖 峰
(1.天津津淼凈水技術(shù)有限公司, 天津 300240; 2.天津市自來水集團(tuán)有限公司 凌莊水廠, 天津 300000)
袋裝水是近年來飲用水行業(yè)涌現(xiàn)出來的新型包裝模式,具有安全、衛(wèi)生、方便等優(yōu)點(diǎn),深受市場歡迎。但袋裝水也有一些技術(shù)難點(diǎn),例如,國家生產(chǎn)衛(wèi)生規(guī)范中推薦臭氧為飲用水終端消毒保質(zhì)形式,但并不適合袋裝水共擠膜包裝形態(tài),因?yàn)槌粞鯐c共擠膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而會影響水質(zhì)口感,因此尋求一種新的消毒保質(zhì)方法,使產(chǎn)品既符合國家《包裝飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)》又能長時間保質(zhì),成為困擾行業(yè)發(fā)展的一個課題。對此,筆者采用了“紫外+超濾”組合工藝來作為袋裝水終端消毒保質(zhì)的方案,開展了相關(guān)研究。
1.1.1 紫外線試驗(yàn)裝置
紫外線消毒試驗(yàn)裝置采用過流式殺菌方式,用不銹鋼腔體整體焊接而成,見圖1。內(nèi)部埋設(shè) 1支石英紫外線燈,燈 管 瓦 數(shù) 為40 W。用分光光度計(jì)測定試驗(yàn)工藝水在254 nm下的吸光度,根據(jù)紫外線消毒試驗(yàn)中平均光強(qiáng)計(jì)算,確定試驗(yàn)工藝水實(shí)際接受的平均光強(qiáng)為0.023 mW/cm2。
圖1 紫外線滅菌器Fig.1 Ultraviolet sterilizer
1.1.2 試驗(yàn)方法
紫外線劑量為紫外線照射時間與紫外線平均照射強(qiáng)度的乘積。紫外線的平均照射強(qiáng)度用UVC-254型紫外線強(qiáng)度儀從不同角度測試儀器內(nèi)部的紫外線強(qiáng)度,然后求平均值得到,即:
D=I·t
式中D——紫外線劑量,mJ/cm2;
I——紫外線強(qiáng)度,mW/cm2;
t——輻射時間(水停留時間),s。
將試驗(yàn)工藝中的水通過過流式紫外線消毒器進(jìn)行消毒,水樣從出水端流出。通過控制不同的進(jìn)水流量來控制紫外線劑量,考察不同劑量條件下紫外線的滅菌效果。消毒效果采用微生物的去除率q或滅活率M表示。
q=(N0-N)/N0
M=lgN0/N
式中q——微生物指標(biāo)去除率;
N0——進(jìn)口處水中微生物數(shù),CFU/mL;
N——出口處水中微生物數(shù),CFU/mL。
試驗(yàn)中微生物指標(biāo)包括細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌與銅綠假單胞菌,計(jì)數(shù)方法分別采用營養(yǎng)瓊脂、品紅亞硫酸鈉膜濾法和CN瓊脂膜濾法。將試驗(yàn)室提供的細(xì)菌菌落、大腸桿菌與銅綠假單胞菌接種于固體分離培養(yǎng)基上,置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24~48 h,再將培養(yǎng)好的細(xì)菌菌落、大腸桿菌和與銅綠假單胞菌的營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)液進(jìn)行10 min的離心分離,轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。除去上清液并用一定量的無菌生理鹽水溶解沉淀物,制成一定濃度的細(xì)菌混合溶液。
1.2.1 超濾試驗(yàn)裝置
中空纖維膜組件測試裝置選用截留相對分子質(zhì)量分別為10 000,6 000和4 000 Da的超濾膜,采用主管恒壓設(shè)計(jì),循環(huán)水泵為變頻控制,主管上設(shè)置壓力變送器,通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵頻率控制主管壓力恒定。同時,壓力變送器監(jiān)控主管壓力,可發(fā)揮保護(hù)作用。
圖2 超濾元件Fig.2 UV element
1.2.2 試驗(yàn)方法
將不同截留相對分子質(zhì)量的膜裝于有機(jī)玻璃過濾筒內(nèi),膜片和濾筒使用前均用100~200 mg/L有效氯浸泡消毒0.5 h以上,并用硫代硫酸鈉脫除多余的氯后備用。向過濾裝置中加入無菌水,啟動泵,調(diào)節(jié)膜組件進(jìn)口水溫為5~15℃,同時計(jì)算平均膜壓差PTM和回收率R,回收率控制在50%以下。
PTM=[(P1+P0)/2]-Pp
式中PTM——平均膜壓差,kPa;
P1——膜裝置出口壓力,kPa;
P0——膜裝置進(jìn)口壓力,kPa;
Pp——過濾水壓力,kPa。
R=(Qp/Q0)×100%
式中R——回收率,%;
Qp——過濾水流量,m3/h;
Q0——膜裝置進(jìn)水流量,m3/h。
以潔凈的水,人工添加菌株,配制成含細(xì)菌總數(shù)10 000~50 000 CFU/mL、大腸桿菌3 000~30 000 CFU/mL和銅綠假單胞菌10 000~50 000 CFU/mL的水樣,加入到超濾裝置中。在平均膜壓差150 kPa下過濾,再用滅菌容器收集膜過濾后的水,檢驗(yàn)細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌與銅綠假單胞菌。
不同紫外線劑量下,菌落總數(shù)、大腸桿菌和銅綠假單胞菌的滅活曲線見圖3。
圖3 紫外線劑量與微生物滅活率關(guān)系Fig.3 Relationship between UV dosage and microbial inactivation rate
由圖3可知,紫外線照射初期,3類微生物指標(biāo)的對數(shù)滅活率都隨著紫外線劑量增加而升高,其中菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅菌效果好于銅綠假單胞菌。當(dāng)紫外線劑量達(dá)到12.2 mJ/cm2時,菌落總數(shù)和大腸桿菌的對數(shù)滅活率達(dá)到2.1以上,而銅綠假單胞菌只有1.28;繼續(xù)增大紫外線劑量到20.4 mJ/cm2,這3類微生物指標(biāo)的對數(shù)滅活率都達(dá)到了2.0以上,消毒滅菌效果比較理想。
與臭氧或含氯消毒劑在水體中可以保持一段時間不同,紫外消毒屬于物理瞬間消毒技術(shù),當(dāng)處理后出水離開消毒反應(yīng)器后,一些被紫外線殺傷的微生物在可見光照射下會修復(fù)損傷的分子從而再生。部分細(xì)菌在無光的條件下也可進(jìn)行自身修復(fù),即暗復(fù)活。根據(jù)目前的研究結(jié)果,光復(fù)活是大部分微生物修復(fù)的主要途徑,也是主要控制目標(biāo)。
由于袋裝飲用水保質(zhì)期較長,參考目前現(xiàn)行《瓶裝飲用純凈水》(GB 17323—1998)、《瓶(桶)裝飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19298—2003)、《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)等要求,微生物指標(biāo)細(xì)菌總數(shù)需小于20 CFU/mL;大腸桿菌和銅綠假單胞菌需未檢出。在飲用水處理過程中,當(dāng)微生物指標(biāo)含量較高時,僅依靠紫外線消毒會因?yàn)槲⑸飶?fù)活現(xiàn)象存在,并不能保證保質(zhì)期內(nèi)的水質(zhì)安全,所以還需增加超濾程序來進(jìn)一步去除微生物。
采用4 000,6 000和10 000 Da共3種截留分子量超濾膜,對人工添加菌株的水樣進(jìn)行超濾。通過對比不同截留分子量超濾膜對細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌與銅綠假單胞菌的去除效果,選擇適合生產(chǎn)工藝的超濾膜,結(jié)果見圖4。
圖4 不同截留分子量超濾膜對微生物的去除效果Fig.4 Microbial removal effects of UF membranes with different molecular weight interception
從圖4可以看出:人工添加菌株的水樣經(jīng)不同孔徑的超濾膜后,微生物含量均大幅度降低,其中截留分子量4 000 Da的超濾膜對銅綠假單胞菌和大腸菌群數(shù)的去除率均達(dá)到100%,對細(xì)菌總數(shù)的去除率在98.87%~99.71%;截留分子量6 000 Da的超濾膜對銅綠假單胞菌、大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)的去除率分別在98.78%~99.08%、98.79%~99.95%和97.86%~99.08%;截留分子量10 000 Da的超濾膜對銅綠假單胞菌、大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)的去除率分別為98.72%~99.64%、98.71%~99.54%和93.47%~96.43%。相比而言,截留分子量10 000 Da的超濾膜的去除效果不理想,在進(jìn)水被嚴(yán)重污染時,不能有效地將細(xì)菌總數(shù)控制在低水平。
針對袋裝飲用水保質(zhì)期長、灌裝過程中不能殘留氧化性消毒劑的特點(diǎn),可以采用紫外+超濾的方式進(jìn)行消毒滅菌。人為增加進(jìn)水微生物含量,模仿污染情況進(jìn)行生產(chǎn),采用紫外+超濾的方式滅菌,最后密閉灌裝留樣,考察不同儲存時間后微生物指標(biāo)的復(fù)活情況,見表1。
表1 微生物指標(biāo)間隔試驗(yàn)監(jiān)測情況Tab.1 Interval experimental monitoring of microbial index
試驗(yàn)表明,即使在前級受到微生物污染的情況,依靠紫外+超濾的攔截方式,依然可以保證包裝水長時間的水質(zhì)安全,全部合格。
① 紫外線對前級飲用水有較好的殺菌效果,但紫外線屬于瞬間殺菌方式,在水中無法殘留,因而不能持續(xù)殺菌。
② 當(dāng)紫外線劑量達(dá)到20.4 mJ/cm2時,細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌、銅綠假單胞菌微生物指標(biāo)可以符合《瓶裝飲用純凈水》(GB 17323—1998)、《瓶(桶)裝飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19298—2003)、《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)等現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
③ 超濾膜孔徑越小,對微生物的過濾效果更佳,但相應(yīng)的成本也就越高。在與紫外配合的前提下,選用6 000 Da截留分子量的超濾膜最為恰當(dāng)。
④ 紫外+超濾方式可以代替臭氧、氯制劑,對袋裝水進(jìn)行終端化學(xué)消毒,在達(dá)到滅菌的同時無化學(xué)殘留,可以達(dá)到保質(zhì)效果,為袋裝水行業(yè)提供了參考。