回用中水超聲及其協(xié)同紫外消毒效能與機(jī)制研究.pdf

1、我國水資源稀缺，開發(fā)中水、利用中水迫在眉睫。城市中水由于其污染程度輕，水量穩(wěn)定，故回用作生活雜用水最具發(fā)展前途。 功率超聲通過其機(jī)械作用、空化作用、熱作用改變物質(zhì)的物理、化學(xué)或生物特性。功率超聲應(yīng)用于回用中水消毒時(shí)，能夠改變水中顆粒污染物的粒徑組成、對細(xì)胞膜造成物理破壞、其空化現(xiàn)象產(chǎn)生的羥基自由基能夠破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但存在難以找到合適的超聲源、單獨(dú)作用時(shí)消毒不徹底、消毒物品的量不能太大等問題。紫外線消毒具有廣譜殺菌、無二次

2、污染等特點(diǎn)，但也存在著如微生物由于對紫外線的抗性而要求較高的輻照劑量、消毒效果依賴于進(jìn)水水質(zhì)、滅菌后存在光復(fù)活現(xiàn)象等缺點(diǎn)。功率超聲與紫外協(xié)同作用對回用中水進(jìn)行消毒，能夠降低紫外輻射劑量，提高紫外消毒效果，有效抑制微生物的光復(fù)活現(xiàn)象。 本研究以大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、中水中大腸桿菌、中水中細(xì)菌總數(shù)為研究對象，考察超聲、紫外、超聲協(xié)同紫外的滅菌消毒效能；研究復(fù)合納米光催化劑CoPcS/TiO2對魯米諾聲致發(fā)光的增敏作用，并對聲致空化

3、的滅菌機(jī)制進(jìn)行研究；通過生物學(xué)手段，對各種處理方式的滅菌機(jī)制進(jìn)行研究。研究內(nèi)容主要包括： (1)回用中水超聲滅菌效能及機(jī)制研究 實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)與PMA結(jié)合，PMA可以通過破損的細(xì)胞膜進(jìn)入死菌內(nèi)部，與DNA交聯(lián)，并發(fā)出紅色熒光；通過平板計(jì)數(shù)法測定的細(xì)菌存活量與通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR結(jié)合PMA測定的存活量之間具有良好的線性相關(guān)性，熒光定量PCR結(jié)合PMA技術(shù)可以替代平板計(jì)數(shù)法對超聲的滅菌效果進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

4、 固定低頻超聲滅菌時(shí)，超聲的功率密度越大，滅活速率越大，相同的作用時(shí)間內(nèi)，超聲的功率密度越大，滅活率越大；各目標(biāo)處理物的最大相對功效值對應(yīng)的工況的功率密度均為7.18W·cm-2。變頻超聲滅菌時(shí)，超聲的頻率越大，滅活速率越??；大腸桿菌和枯草芽孢桿菌達(dá)到最大相對功效都是在20kHz超聲作用6min，中水中大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)達(dá)到最大功效是在20kHz超聲作用7min。 高功率密度的超聲處理對于大腸桿菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞比低功率密度的超

5、聲嚴(yán)重，低頻率的超聲處理對于枯草芽孢桿菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞比高頻率的超聲嚴(yán)重；在各種功率及各種頻率的超聲作用下，大腸桿菌的DNA都不能被破壞；固定頻率(變頻)超聲作用時(shí)，超聲的功率密度(頻率)越大(小)，反映大腸桿菌TTC脫氫酶活性的吸光度的減小速率越大。 納米CoPcS/TiO2對魯米諾聲致發(fā)光具有增敏作用；在相同的作用時(shí)間內(nèi)，超聲作用的功率越大，超聲空化場的藍(lán)光范圍越大、亮度越大；在相同的功率密度下，高頻超聲的發(fā)光強(qiáng)度大于低頻超

6、聲，比低頻超聲作用產(chǎn)生更多的自由基，超聲作用時(shí)產(chǎn)生的物理作用，即對細(xì)菌細(xì)胞膜、細(xì)胞壁的剪切作用，強(qiáng)于由于自由基氧化產(chǎn)生的滅活作用。 (2)回用中水紫外消毒效能及生物學(xué)機(jī)制研究 中水中的大腸桿菌對于UV的抗性大于大腸桿菌菌液，其滅活速率K值分別為0．0726min-1、0.1min-1。UV輻照枯草芽孢桿菌的IT1ag、一級(jí)反應(yīng)K值、ITtail分別為24mJ·cm-2、0.03min-1、＞84mJ·cm-2；中水中細(xì)菌

7、總數(shù)的ITlag、一級(jí)反應(yīng)K值、ITtail分別為12mJ·cm-2、0.05min-1、＞96mJ·cm-2，枯草芽孢桿菌對于紫外的較強(qiáng)的抗性是自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。Chick一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型能夠體現(xiàn)出大腸桿菌的滅活特性，Collins-Selleck和 Hom模型能夠體現(xiàn)出枯草芽孢桿菌和中水中細(xì)菌總數(shù)的滅活特征。 各紫外輻照劑量下的大腸桿菌均發(fā)生了光復(fù)活現(xiàn)象，在相同的紫外輻照劑量下，中水中的大腸桿菌的光復(fù)活率小于菌液中大腸桿菌的

8、光復(fù)活率；枯草芽孢桿菌光復(fù)活現(xiàn)象不明顯；中水中的細(xì)菌總數(shù)的光復(fù)活率低于中水中的大腸桿菌的光復(fù)活率。 一定時(shí)間內(nèi)的紫外線輻照不能改變細(xì)菌的細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)；各紫外輻照劑量及不同的光復(fù)活時(shí)間下，T4核酸內(nèi)切酶V酶切后產(chǎn)生的ESS的含量能夠反映出大腸桿菌滅活率，二聚體的形成是紫外線對DNA分子的主要損傷方式；反映大腸桿菌TTC脫氫酶的吸光度值隨著紫外輻照劑量的增加而減小，在紫外的作用下，體系的TTC脫氫酶的活性被減弱。 (3)回用

9、中水超聲協(xié)同紫外消毒效能及生物學(xué)機(jī)制研究 超聲協(xié)同處理后，紫外滅菌的反應(yīng)速率增大，枯草芽孢桿菌和中水中細(xì)菌總數(shù)的ITlag減小、一級(jí)反應(yīng)K值增大、ITtail值增大，使滅活反應(yīng)更早脫離停滯區(qū)，反應(yīng)速率增大，更晚到達(dá)拖尾區(qū)。欲達(dá)到相同的處理目標(biāo)，超聲協(xié)同作用時(shí)所需紫外劑量的減小幅度在18％～76％之間，在相同的紫外劑量下，超聲與紫外協(xié)同作用強(qiáng)化百分比為18％～97％之間；對于四種目標(biāo)處理物，超聲與紫外協(xié)同作用的滅活速率及強(qiáng)化百分比