氯氣滅活飲用水中隱孢子蟲的影響因素

冉治霖,李紹峰,黃君禮,崔崇威,袁一星 (.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,黑龍江 哈爾濱 50090；2.深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程系,廣東 深圳 58055)

氯氣滅活飲用水中隱孢子蟲的影響因素

冉治霖1,李紹峰2*,黃君禮1,崔崇威1,袁一星1(1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090；2.深圳職業(yè)技術(shù)學院建筑與環(huán)境工程系,廣東 深圳 518055)

應用熒光活體染色法研究 Cl2在水體中殺滅隱孢子蟲的效果,并探討投加量、作用時間、渾濁度、pH值、溫度、有機物含量等對Cl2滅活隱孢子蟲效果的影響規(guī)律,找出最佳投加量和作用時間.結(jié)果顯示,隱孢子蟲濃度1×106個/mL,溫度22℃,pH7.0,濁度為1.0NTU,氯氣投加量大于6.3mg/L,反應時間360min,隱孢子蟲的滅活率可以達到預期滅活效果(滅活率＞99.0%).隱孢子蟲的滅活率與氯氣投加量和作用時間成正相關(guān);滅活率隨著渾濁度增加逐漸下降,渾濁度0.1～20.0NTU范圍內(nèi),氯氣投加量為6.3mg/L,作用時間大于900min,即可保證隱孢子蟲的滅活率符合預定要求;在弱酸性條件下氯氣滅活隱孢子蟲能力強于堿性條件,反應溫度(5.0～35.0℃)范圍內(nèi),隱孢子蟲的滅活率與溫度成正相關(guān);HA濃度0～10.0mg/L,作用時間為360min時,滅活率隨有機物濃度增加而降低.當作用時間為900min時,水中隱孢子蟲的滅活率均大于99.0%.

氯氣；滅活；隱孢子蟲；影響因素

隱孢子蟲(Cryptosporidium)是一種常見的腸道原蟲病原體,具有廣泛的脊椎動物宿主,包括哺乳動物、嚙齒動物、鳥類、爬行動物和魚類等[1].受感染的宿主可排放出大量卵囊污染廢水、地表水和地下水[2-3].如果水處理不充分,飲用水中的隱孢子蟲就會對人類造成嚴重威脅,特別是免疫功能缺陷者如嬰兒,老人以及艾滋病患者等,被感染后會引起腹瀉,甚至危及生命[4].近年來水源性隱孢子蟲病不斷爆發(fā),水中隱孢子蟲的污染及其消毒問題備受關(guān)注[5-6].據(jù)美國疾病控制預防中心估計,每年約有250萬人感染隱孢子蟲病[7].而我國于1987年在南京首次發(fā)現(xiàn)了人隱孢子蟲病病例,之后在江蘇、重慶、安徽、內(nèi)蒙、福建、山東和湖南都有相關(guān)病例報道[8].

現(xiàn)有研究去除隱孢子蟲的水處理工藝和技術(shù)有光催化[9]、紫外[10]、臭氧[11]等.本文使用自制Cl2對飲用水中隱孢子蟲進行滅活,探討投加濃度、滅活時間、溫度、pH值、濁度、有機物等因素的影響,以期獲取影響 Cl2滅活水中隱孢子蟲效果的最佳條件.

1 材料與方法

1.1 材料

Cl2由啟普發(fā)生器制取,多參數(shù)水質(zhì)分析儀(Merck NOVE 60)測定氯濃度.隱孢子蟲(Cryptosporidium)采于患病猴,經(jīng)過篩、硫酸鋅漂浮和蔗糖梯度離心等步驟,得到濃度為 1.0×107個/mL隱孢子蟲樣品.以2.5%重鉻酸鉀懸浮保存于4℃冰箱.

試劑:4,6-二脒基-2-苯基-吲哚(DAPI, Sigma),普匹碘胺(PI,Sigma USA),HBSS平衡鹽溶液(Sigma USA).

1.2 熒光活體染色

取 0.5mL PBS(磷酸緩沖溶液)保存樣品,加入1mL HBSS平衡鹽溶液漂洗 2次;沉淀于 160μL HBSS平衡鹽溶液中,加入20μL DAPI, 20μL PI儲備液,37℃溫浴1h;溫浴后加入1mL HBSS 清洗3次,洗去未染上顏色的DAPI和PI;涂片,熒光顯微鏡下鏡檢,各樣品分別取200個孢囊鏡檢.

1.3 實驗方法

啟普發(fā)生器產(chǎn)生的 Cl2通入一棕色瓶,內(nèi)裝有1L 0.01mol/L的磷酸鈉緩沖液,調(diào)節(jié)pH值.使用德國Merck公司生產(chǎn)的 NOVE 60多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定氯濃度.取若干支 10mL比色管分別加入稀釋后不同濃度的 Cl2緩沖溶液,迅速加入1×106個/mL 隱孢子蟲懸浮液,搖床轉(zhuǎn)速為100r/min,避光反應.首先,檢測不同作用時間對隱孢子蟲的滅活效果,同時檢測反應體系中 Cl2的剩余濃度,找出最佳 Cl2投加量和作用時間.接著探討在最佳滅活條件下不同渾濁度、溫度、pH值、有機物濃度等對滅活效果的影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 隱孢子蟲活性評價

本實驗采用熒光活體染色法評價隱孢子蟲活性,圖 1為同一視野中隱孢子蟲經(jīng)過PI染色,在自然光和綠光下的照片.由圖 1a可見,自然光下隱孢子蟲周圍有淡綠色光環(huán).綠光照射(圖 1b)隱孢子蟲發(fā)出耀眼紅光為PI+型,PI-型不發(fā)光.其中PI+型為已死的隱孢子蟲.

圖1 熒光活體染色圖片F(xiàn)ig.1 Photo of Cryptosporidium detected by fluorescence staining method

2.2 Cl2投加量和作用時間對滅活率的影響

取10mL比色管,分別加入初始濃度為10.1, 8.2,6.3,3.1,1.5,0.6mg/L的氯氣溶液,加入 1×106個 /mL隱孢子蟲懸浮液,溫度20℃, pH7.0,濁度為1.0NTU,避光反應.由圖 2可見,隨著反應時間的增加,隱孢子蟲的存活率降低,特別是當氯氣投量大于6.3mg/L,反應360min(水中余氯小于3mg/L,符合國家生活飲用水衛(wèi)生標準對出水余氯的要求),隱孢子蟲的存活率小于1%,可以達到預期滅活效果(滅活率＞99.0%).如果氯氣投加量為3.1mg/L,作用時間必須大于 900min,方可達到滅活效果.

氯氣加入水中可轉(zhuǎn)變?yōu)辂}酸和次氯酸.其反應式如下:

反應生成的次氯酸體積小,具有很強的穿透力,呈電中性,能擴散到帶負電的細菌表面,并迅速穿過微生物的細胞膜進入生物體內(nèi),破壞其多種酶系統(tǒng)(主要是磷酸葡萄糖去氫酶的巰基被氧化破壞)及染色體系統(tǒng)[12],使之失去活力而死亡.另一方面次氯酸性質(zhì)很不穩(wěn)定,容易釋放出新生態(tài)氧.新生態(tài)氧與銨鹽、硫化氫、氧化亞鐵、亞硝酸鹽及有機物腐敗后產(chǎn)生的物質(zhì)相結(jié)合,進而氧化水中的有機物和一些無機物質(zhì),從而抑制了依靠這些物質(zhì)為營養(yǎng)的大部分微生物的生長.

圖2 Cl2投加量和作用時間對隱孢子蟲活性的影響Fig.2 Viability of Cryptosporidium effected by different concentrations of Cl2 and contact time

2.3 濁度對滅活率的影響

由于天然水中含有各種懸浮物及膠體物質(zhì),影響了水體的濁度,而Falabi等[13]研究表明,賈第鞭毛蟲的去除與濁度有顯著關(guān)系,本研究在pH7.0,氯氣投加量為 6.3mg/L,作用時間分別為360,480,900min,設置反應體系的渾濁度為 0.1, 0.5,1.0,2.0,5.0,10.0,20.0 NTU,檢測隱孢子蟲滅活率,結(jié)果見圖 3.由圖 3可見,氯氣作用時間為360min時,隨著渾濁度的增加(0.1～20.0NTU),隱孢子蟲的滅活率下降(99.5%下降至 86.5%),飲用水的濁度越低,氯氣滅活水中隱孢子蟲卵囊越容易.隨著作用時間的增加(480,900min),水中隱孢子蟲的滅活率逐漸增高,尤其是作用時間大于900min,渾濁度0.1～20.0NTU范圍內(nèi),滅活率均大于 99%.原因可能是水中的懸浮物或膠體物質(zhì)對隱孢子蟲有一定的吸附作用,阻礙了氯氣消毒效果,從而影響了滅活率,另一方面,隱孢子蟲暴露時間的增加本身就有一定數(shù)量的蟲體裂解,從而提高了系統(tǒng)總的滅活率[14].出水廠濁度要求1.0NTU以下,因此實際生產(chǎn)中,氯氣投加量為6.3mg/L,作用時間大于 900min,即可保證隱孢子蟲的滅活.

圖3 濁度對隱孢子蟲滅活效果的影響Fig.3 Effect of different turbidities on the inactivation ratio of Cryptosporidium

2.4 pH值對滅活率的影響

圖4 不同pH值下隱孢子蟲滅活率的比較Fig.4 Comparison the inactivation ratio of Cryptosporidium under different pH values

飲用水的pH值范圍在6～9,設置較高或較低的 pH 值實際應用價值較小[15],因此選取PH6,7,7.5,8,9進行實驗.氯氣投加量為6.3mg/L,作用時間360,480min,渾濁度為1.0 NTU時,不同pH值的反應體系,氯氣對隱孢子蟲的滅活作用變化不大(97.3%～99.9%),酸性條件略好于堿性條件(圖4).作用時間大于480min后,pH值在6～9范圍內(nèi),隱孢子蟲滅活率均大于99%,達到預定滅活要求.

酸性條件略好于堿性條件的原因主要是:氯氣溶于水后,部分與水反應,生成次氯酸和鹽酸.次氯酸是弱電解質(zhì),在水中會電離成次氯酸根和氫離子,在水中起主要消毒殺菌作用的是次氯酸,而次氯酸根的殺菌能力遠遠低于次氯酸.因此,在弱酸性條件下,氯氣的殺滅隱孢子蟲能力較強,而在堿性條件下,由于大多數(shù)的次氯酸電離成次氯酸根而使其滅活能力大大降低.

2.5 溫度對滅活率的影響

在pH7.0,濁度為1.0NTU,氯氣的投加濃度為6.3mg/L,作用時間 360,480min時,分別設置反應溫度為 5,15,22,30,35℃,檢測隱孢子蟲的存活率,結(jié)果見圖5.由圖5可見,作用時間為360min時,反應溫度(5.0～35.0℃)范圍內(nèi),隱孢子蟲的滅活率與溫度呈正相關(guān),滅活率從 95.4%上升為 99.8%,當時間增加為480min后,隱孢子蟲滅活率均大于99%,達到預定的滅活要求.其原因可能是較低的溫度促使隱孢子蟲進入休眠狀態(tài),消毒劑不易滅活隱孢子蟲,較高的溫度對隱孢子蟲具有一定的滅活作用,從而提高了滅活率.

圖5 不同溫度下隱孢子蟲滅活率的比較Fig.5 Comparison the inactivation ratio of Cryptosporidium under different temperatures

2.6 有機物對滅活率的影響

腐殖酸(HA)在自然水體中含量較高,是動植物殘體經(jīng)過復雜的物理,化學,生物等過程轉(zhuǎn)化而成的一種廣泛存在于水體,土壤中的高分子聚合物,為飲用水中主要的去除對象.本實驗以HA為有機物代表成分,分別設置HA濃度為0,0.5,1.0, 2.0,3.0,5.0,10.0mg/L,氯氣投加量6.3mg/L,作用時間分別為360,480,900min,考察其對Cl2滅活隱孢子蟲的影響(圖6).

圖6 不同濃度HA對隱孢子蟲滅活效果的影響Fig.6 Effect of different HA concentrations on the inactivation of Cryptosporidium

由圖6可見,HA濃度0～10.0mg/L,作用時間為 360min時,隱孢子蟲的滅活率分別為99.1%,98.0%,95.2%, 86.7%, 75.7%,66.9%,62.1%.滅活率與有機物濃度呈負相關(guān).這主要由于可溶性有機物的存在消耗了一定量的 Cl2,從而降低了Cl2的消毒效果.當作用時間為900min時,水中隱孢子蟲的滅活率均大于99.0%.

3 結(jié)論

3.1 隱孢子蟲1×106個/mL,溫度22℃,pH7.0,濁度為 1.0NTU,氯氣投加量大于 6.3mg/L,反應360min,隱孢子蟲的滅活率＞99.0%.隱孢子蟲的滅活率與氯氣投量和作用時間成正相關(guān).

3.2 氯氣投加量為 6.3mg/L,氯氣的作用時間為360min時,隨著渾濁度的增加(0.1～20.0NTU),隱孢子蟲的滅活率下降(由99.5%下降至86.5%),渾濁度 0.1～20.0NTU 范圍內(nèi),氯氣投加量為6.3mg/L,作用時間大于 900min,即可保證隱孢子蟲的滅活.

3.3 在弱酸性條件下隱孢子蟲的滅活率略好于堿性條件下,反應溫度(5.0～35.0℃)范圍內(nèi),隱孢子蟲的滅活率與溫度成正相關(guān),隨著HA濃度的升高,滅活率降低.

3.4 當氯氣投加量為 6.3mg/L,作用時間為900min,在飲用水消毒的渾濁度、溫度、pH值、有機雜質(zhì)濃度范圍內(nèi),隱孢子蟲的滅活率均在99.0%以上.

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Effect of various factors on chlorine inactivating Cryptosporidium in water.

RAN Zhi-lin1, LI Shao-feng2*, HUANG Jun-li1, CUI Chong-wei1, YUAN Yi-xing1(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.Department of Building and Environmental Engineering, Shenzhen Polytechnic Institute, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：786～790

In order to study the effect of Cl2inactivating Cryptosporidium in water, different factors as Cl2concentration, contact time, pH, temperature, turbidity and organic content which might influence the inactivation were studied by using fluorescence staining method. With the Cryptosporidium concentration was 1×106/mL, turbidity 1.0NTU, temperature 22℃, pH 7.0, and after 360 min reaction, under the condition that the Cl2concentrations was 6.3mg/L, the inactivation ratio could be more than 99%. The lower turbidity was, the higher inactivating ratio could be

. If the inactivating time achieved 900min, it could meet the presetting inactivation ratio with turbidity 0.1～20.0 NTU. The ability of Cl2inactivating Cryptosporidium was stronger under acidic condition than that in alkali circumstance. With the increasing temperature, the inactivating effect was increased. When the reaction system contained different concentration of organics(0～10.0 mg/L) and the inactivating time 360min, the inactivation ratio reduced with concentration increasing. Besides, when the inactivating time achieved 900min, the inactivation ratio could achieve 99%.

Cl2；inactivating；Cryptosporidium；effect factors

2009-10-29

國家“863”項目(2006AAZ309)

* 責任作者, 教授, solve28@163.com

X505

A

1000-6923(2010)06-0786-05

冉治霖(1980-),男,河南鄭州人,哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院博士研究生,主要從事水污染控制及污水資源化技術(shù).發(fā)表論文8篇.