宋孟鑫, 張吉庫, 寧 楠
(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧沈陽100168)
紫外線消毒具有殺菌快速廣譜、無有害消毒副產(chǎn)物、操作安全方便、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于水處理工藝中[1-5]。但是由于缺乏持續(xù)的消毒效果,水中微生物易產(chǎn)生二次光復(fù)活現(xiàn)象,紫外線消毒的應(yīng)用受到限制。因此,如何有效控制紫外線消毒產(chǎn)生的光復(fù)活現(xiàn)象,是當(dāng)前需要解決的問題。孫雯等[6]的研究表明,當(dāng)紫外線劑量為120 mJ/cm2時,大腸桿菌光復(fù)活率比紫外線劑量為5 mJ/cm2時降低了3個對數(shù)數(shù)量級。筆者以大腸桿菌為研究對象,通過改變紫外線強(qiáng)度和輻射時間,分析了紫外線劑量對紫外線消毒后水中大腸桿菌光復(fù)活現(xiàn)象的影響。
取2 mL大腸桿菌原液于新鮮的液體營養(yǎng)培養(yǎng)基中,于37 ℃以160 r/min恒溫振蕩、培養(yǎng)24 h,除去上清液后留存?zhèn)溆谩?/p>
試驗(yàn)水樣:取一定量的大腸桿菌溶液,滴加至140 L實(shí)驗(yàn)室自來水中,制成細(xì)菌濃度約為105CFU/mL的試驗(yàn)用水。
試驗(yàn)裝置采用強(qiáng)化導(dǎo)流(DR)型紫外線消毒器,工藝流程如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)工藝流程Fig.1 Flow chart of test process
紫外燈選用6支低壓低強(qiáng)度類型燈管,燈管額定功率為20 W,長度為490 mm,通過改變燈管數(shù)量來控制紫外線強(qiáng)度。在側(cè)壁上等距離設(shè)置5個取樣口,取樣分別對應(yīng)不同的停留時間。日光燈管選用3支Led燈管,額定功率為22 W,長度為300 mm。設(shè)置在避光箱內(nèi),以避免實(shí)驗(yàn)室光照對試驗(yàn)效果的影響。
1.3.1 紫外線消毒試驗(yàn)
控制流量計(jì)流量為1.55 m3/h,分別開啟DR型紫外線消毒器的0,2,4,6根紫外光燈管。等待最大停留時間后,從第5取樣口取樣,測定不同紫外線劑量下水樣中大腸桿菌的濃度,計(jì)算大腸桿菌的對數(shù)滅活率。
1.3.2 光復(fù)活試驗(yàn)
將紫外線消毒后的水樣置于完全封閉的遮光箱內(nèi),在日光燈下40 cm處照射。開啟3根日光燈管,測定光照時間分別為0,2,4,6,8,12,24,48和72 h后水樣中細(xì)菌的濃度,計(jì)算大腸桿菌的對數(shù)光復(fù)活率。
采用品紅亞硫酸鈉濾膜法檢測大腸桿菌。使用滅菌濾膜過濾器過濾水樣,將大腸桿菌截留在濾膜上。將濾膜放在品紅亞硫酸鈉培養(yǎng)基上,37 ℃下恒溫培養(yǎng)24~48 h后,取出直接計(jì)數(shù)[7]。每組水樣取3個平行樣板,計(jì)數(shù)結(jié)果取平均值。
大腸桿菌紫外線消毒對數(shù)滅活率計(jì)算公式如下[8]:
P=lg(N0/N)
(1)
式中:P為微生物對數(shù)滅活率;N0為紫外線消毒前水中大腸桿菌的數(shù)量,CFU/mL;N為紫外線消毒后水中大腸桿菌的數(shù)量,CFU/mL。
當(dāng)紫外線輻射時間為21 s時,將含大腸桿菌的水樣分別經(jīng)過紫外線強(qiáng)度為1.28,2.72和4.42 mW/cm2的紫外線消毒后,在相同復(fù)活光條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 紫外線強(qiáng)度對大腸桿菌光復(fù)活的影響Fig.2 The effect of ultraviolet intensity on photoreactivation of Escherichia coli
由圖2可知,當(dāng)輻射時間一定時,紫外線強(qiáng)度越強(qiáng),大腸桿菌對數(shù)復(fù)活率越小。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為1.28 mW/cm2(紫外線劑量等于26.88 mJ/cm2)時,經(jīng)復(fù)活光光照6 h后,大腸桿菌的光復(fù)活率達(dá)到3.23個對數(shù)數(shù)量級,經(jīng)紫外線消毒后的滅活率恢復(fù)高達(dá)64.6%,光復(fù)活速率快。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為2.72 mW/cm2(紫外線劑量等于57.12 mJ/cm2)時,經(jīng)復(fù)活光光照12 h后,大腸桿菌的光復(fù)活率為1.46個對數(shù)數(shù)量級,經(jīng)紫外線消毒后的滅活率恢復(fù)29.2%,光復(fù)活速率較慢。當(dāng)紫外線強(qiáng)度大于4.42 mW/cm2(紫外線劑量大于92.28 mJ/cm2)時,經(jīng)復(fù)活光光照12 h后,大腸桿菌的光復(fù)活率僅為1.16個對數(shù)數(shù)量級,經(jīng)紫外線消毒后的滅活率仍恢復(fù)23.2%,與紫外線強(qiáng)度為1.28 mW/cm2時相比減少2.72個對數(shù)數(shù)量級,光復(fù)活速率慢;12 h后光復(fù)活速率相較于紫外線強(qiáng)度為1.28 mW/cm2時快。
當(dāng)紫外線強(qiáng)度為4.42 mW/cm2時,將含大腸桿菌的水樣分別經(jīng)過7,14 和21 s紫外線消毒。由圖3可以看出,當(dāng)紫外線強(qiáng)度一定時,紫外線輻射時間越長,大腸桿菌對數(shù)復(fù)活率越小。當(dāng)水力停留時間為7 s、紫外線劑量等于30.94 mJ/cm2時,經(jīng)復(fù)活光光照6 h后,大腸桿菌的光復(fù)活率高達(dá)3.08個對數(shù)數(shù)量級,經(jīng)紫外線消毒后的滅活率恢復(fù)61.6%,光復(fù)活速率較快。水力停留時間大于14 s,紫外線劑量大于61.88 mJ/cm2時,復(fù)活光光照12 h后,大腸桿菌的光復(fù)活率為1.24個對數(shù)數(shù)量級,占滅活數(shù)量的24.8%,較水力停留時間為7 s時減小2.57個對數(shù)數(shù)量級,光復(fù)活速率慢;12 h后光復(fù)活速率較水力停留時間為7 s時快。
圖3 紫外線輻射時間對大腸桿菌光復(fù)活的影響Fig.3 The effect of different ultraviolet radiation time on photoreactivation of Escherichia coli
紫外線對水中微生物的消毒作用,主要是通過C波段紫外線對微生物的輻射,損傷了其體內(nèi)核酸的結(jié)構(gòu)使其致死,由此達(dá)到消毒的效果。核酸在紫外線的作用下,分子上兩個相近的胸腺嘧啶(T)或胞嘧啶(C)之間能夠由共價鍵相連,組成環(huán)丁烷型嘧啶二聚體(T<>T)[9]。紫外線主要通過這種促成環(huán)丁烷型嘧啶二聚體的形成的方式,造成對核酸分子的損傷。
光復(fù)活現(xiàn)象是一種在光作用下的DNA修復(fù)過程,根據(jù)修復(fù)原理不同可分為光修復(fù)和暗修復(fù)。光修復(fù)是在可見光的作用下,因?yàn)槟承┪⑸顳NA內(nèi)存在光復(fù)活酶,使胸腺嘧啶二聚體被解聚成單體,從而恢復(fù)DNA復(fù)制功能的過程。暗復(fù)活修復(fù)是微生物在經(jīng)受紫外線輻射時,因?yàn)镈NA的復(fù)制過程減慢,復(fù)原損傷的時間滯后,使紫外線損傷在有效時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)修復(fù)的過程。
在水的消毒過程中暗修復(fù)現(xiàn)象較少發(fā)生,主要考慮光復(fù)活現(xiàn)象的DNA光修復(fù)。光復(fù)活現(xiàn)象分兩步進(jìn)行:第一步,DNA光復(fù)活酶特異性地結(jié)合到含T<>T的DNA上,在光照條件下,向T<>T二聚體轉(zhuǎn)移一個電子,生成了光復(fù)活酶-二聚體的化合物;第二步,光復(fù)活酶-二聚體的化合物在光解作用下釋放光復(fù)活酶,逆解二聚體使其單體化[10]。
① 經(jīng)紫外線消毒后的大腸桿菌會在一定的復(fù)活光照射條件下,產(chǎn)生光復(fù)活現(xiàn)象,光復(fù)活能力受紫外線劑量大小影響。
② 當(dāng)輻射時間不變時,紫外線強(qiáng)度越強(qiáng),大腸桿菌光復(fù)活率越小。當(dāng)強(qiáng)度不變時,紫外線輻射時間越長,大腸桿菌光復(fù)活率越小。
③ 提高紫外線劑量有利于控制大腸桿菌的光復(fù)活程度,較高紫外線劑量輻射下的大腸桿菌,其光復(fù)活程度顯著低于較低紫外線劑量輻射下。
④ 經(jīng)較高紫外線劑量輻射后的大腸桿菌,其產(chǎn)生光復(fù)活現(xiàn)象的時間顯著滯后于較低紫外線劑量。