氯消毒新工藝對(duì)大腸桿菌滅活作用的研究

王云

（五洲富士化水工程有限公司，北京100052）

氯消毒新工藝對(duì)大腸桿菌滅活作用的研究

王云

（五洲富士化水工程有限公司，北京100052）

研究了短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺的聯(lián)合消毒方法對(duì)大腸桿菌的滅活作用，并對(duì)其協(xié)同作用以及pH值和溫度對(duì)協(xié)同作用的影響進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:pH值在6.5～8范圍內(nèi)，溫度不超過(guò)30℃時(shí)，短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺的消毒方法對(duì)大腸桿菌的滅活具有協(xié)同作用，且隨pH值的降低而加強(qiáng)，在低溫下該方法的協(xié)同效果更加明顯。

飲用水；游離氯；氯胺；大腸桿菌；協(xié)同作用

由于飲用水傳統(tǒng)的加氯消毒工藝容易產(chǎn)生三鹵甲烷 （THMs） 、 鹵乙酸 （HAAs） 等具有致癌風(fēng)險(xiǎn)的副產(chǎn)物，因此，近年來(lái)生成副產(chǎn)物量較少、衰減速率較慢的氯胺消毒工藝在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。但是氯胺的殺菌作用較游離氯低，因此，為了確保微生物安全性和降低飲用水的致癌風(fēng)險(xiǎn)，尋求新的、安全高效的飲用水消毒方法意義重大。

短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺是一種在消毒初期經(jīng)過(guò)較短時(shí)間的游離氯消毒后加入銨鹽或氨反應(yīng)，將游離氯轉(zhuǎn)化為化合氯的新的氯消毒工藝。該工藝的目的是為了綜合利用游離氯短時(shí)高效殺菌作用和氯胺的持續(xù)穩(wěn)定的殺菌作用，同時(shí)抑制消毒副產(chǎn)物的生成。筆者研究了該消毒方法對(duì)大腸桿菌的滅活作用，利用Berenbaum公式評(píng)價(jià)了聯(lián)合消毒工藝的消毒效果。1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 消毒劑配制和滴定

試驗(yàn)消毒劑采用2種材料配制，游離氯消毒劑主要成分為HOCl和OCl-，使用濃度大于5%的NaClO溶液配制。氯胺的生成采用游離氯與（NH4）2SO4在堿性條件下 （pH＝9） ， 低溫 （1 ℃）攪拌反應(yīng)0.2 h配制，氯氮比為4。游離氯和化合氯濃度的測(cè)試采用傳統(tǒng)的DPD（N，N-二乙基對(duì)苯二胺-硫酸亞鐵銨） 滴定法滴定。

1.2 微生物菌液配制

大腸桿菌是飲用水微生物學(xué)關(guān)鍵指標(biāo)，用于表征水體受生活污水的污染情況。因此試驗(yàn)采用大腸桿菌作為指示微生物。含大腸桿菌水樣的制備遵循傳統(tǒng)微生物學(xué)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)用大腸桿菌首先在瓊脂培養(yǎng)基上復(fù)壯，復(fù)壯后使用接種環(huán)挑取培養(yǎng)基上菌落接種于營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)液中。營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)24 h37℃恒溫培養(yǎng)后，形成懸浮菌液，然后使用高速離心機(jī)在4 000轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速下離心分離10min。固液分離后，取固體沉淀物，稀釋于無(wú)菌緩沖液中（PBS），稀釋后溶液細(xì)菌濃度控制在 1×103～1×104個(gè)/μl， 大腸桿菌的計(jì)數(shù)方法采用濾膜菌落計(jì)數(shù)法。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 消毒劑獨(dú)立消毒

按照上述方法配制好試驗(yàn)用菌液后，投加有效氯濃度不同的消毒劑，在設(shè)定不同反應(yīng)時(shí)間后，分別取10 ml樣品，立即加入100μl還原劑，終止消毒劑的反應(yīng)，然后采用濾膜菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定樣品中的大腸桿菌數(shù)量。還原劑采用0.01 mol/L的硫代硫酸鈉溶液。

1.3.2 游離氯轉(zhuǎn)氯胺聯(lián)合消毒

在人工污染水樣中先加入一定量的游離氯，作用5min后加入略過(guò)量的硫酸銨溶液（Cl2∶N=4∶1），形成一氯胺，消毒劑由短時(shí)游離氯改為一氯胺，作用不同時(shí)間后終止。

1.4 滅活效果評(píng)價(jià)方法

1.4.1 細(xì)菌存活率

細(xì)菌存活率計(jì)算采用對(duì)數(shù)值:S=lg（Nt/N0）。

公式中N0表示配制菌液在投加消毒劑前的初始細(xì)菌數(shù)量；Nt表示投加消毒劑并作用某段時(shí)間后菌液中仍然存活的細(xì)菌數(shù)量；S表示存活率。

1.4.2 聯(lián)合滅活效果

游離氯轉(zhuǎn)氯胺消毒過(guò)程中涉及到兩類消毒劑，因此在考察兩類消毒劑單獨(dú)滅活大腸桿菌效果的基礎(chǔ)上，研究?jī)深愊緞┫群笫褂檬欠翊嬖诼?lián)合消毒作用是本研究需要重點(diǎn)分析的內(nèi)容。目前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)消毒劑聯(lián)合作用效果的方法常采用由Berenbaum[1～2]提出的評(píng)價(jià)模型，該模型可以用來(lái)判斷游離氯后轉(zhuǎn)氯胺工藝中游離氯和氯胺之間的作用關(guān)系。

Berenbaum模型認(rèn)為，當(dāng)混合消毒劑中各類消毒劑之間不存在拮抗或協(xié)同的作用效果時(shí)，無(wú)論消毒劑濃度作用時(shí)間設(shè)定為多少，都將滿足下述公式:

式中:x表示混合消毒劑在某種消毒效果時(shí)各類消毒劑的濃度；

Y表示各類消毒劑獨(dú)立作用產(chǎn)生與上述混合消毒劑同樣效果時(shí)的濃度；

i表示各類消毒劑組分；

n表示消毒劑的數(shù)量。

當(dāng)該式計(jì)算結(jié)果小于1時(shí)，說(shuō)明消毒劑之間產(chǎn)生了協(xié)同作用；如果計(jì)算結(jié)果大于1則產(chǎn)生了拮抗作用；計(jì)算結(jié)果等于1則表示產(chǎn)生了簡(jiǎn)單的相加作用。

除Berenbaum模型評(píng)價(jià)聯(lián)合消毒效果的方法以外，國(guó)外也采用細(xì)菌滅活率來(lái)評(píng)價(jià)聯(lián)合消毒方法中各類消毒劑能否產(chǎn)生協(xié)同效果[3]。該類方法的基本原理是:聯(lián)合消毒如果存在協(xié)同消毒作用，就應(yīng)該可以產(chǎn)生比各類消毒劑獨(dú)自投加所能達(dá)到的細(xì)菌滅活率之和更高的效果。通常將協(xié)同效果定義為聯(lián)合消毒作用下的細(xì)菌滅活率與獨(dú)立消毒劑消毒細(xì)菌滅活率之和的差值。計(jì)算公示描述如下:

協(xié)同滅活效果=Ir-（Ir1+Ir2）

式中:Ir表示聯(lián)合消毒的細(xì)菌滅活率；

Ir1、Ir2表示各類消毒劑單獨(dú)的細(xì)菌滅活率；細(xì)菌滅活率的單位均為log。

2 結(jié)果與討論

2.1 自由氯、氯胺單獨(dú)滅活效果

從圖中可看出，游離氯在較短時(shí)間內(nèi)（20min左右） 即可達(dá)到很好的滅活效果，但之后便無(wú)明顯下降，而氯胺需要在較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到相同的滅活效果，但可維持較長(zhǎng)時(shí)間的滅活作用，因而能夠有效地控制殘余細(xì)菌的再繁殖。

2.2 短時(shí)游離氯和氯胺聯(lián)合滅活效果

圖3為游離氯、氯胺單獨(dú)滅活和聯(lián)合滅活大腸桿菌效果比較。從圖中可以看出，聯(lián)合消毒10min時(shí)，即2mg/L的游離氯作用 5min后轉(zhuǎn)2mg/L氯胺作用5min時(shí)，存活率為-6.961 4（或 N/N0=1.092×10-7，100%滅活）， 將 5min滅活率達(dá)-6.961 4作為推算Berenbaum公式中yi的參照標(biāo)準(zhǔn)。利用圖1和圖2中的數(shù)據(jù)，計(jì)算游離氯和氯胺作用5min時(shí)，消毒劑濃度與大腸桿菌存活率之間的回歸方程，利用線性插值法推算出y1=4.703mg/L（游離氯），y2=12.066mg/L（氯胺），據(jù)Berenbaum公式計(jì)算出:

圖1 不同濃度的游離氯對(duì)大腸桿菌的滅活曲線

圖2 不同濃度的一氯胺對(duì)大腸桿菌的滅活曲線

圖3 游離氯、氯胺單獨(dú)滅活大腸桿菌效果比較

說(shuō)明5min短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺對(duì)大腸桿菌具有協(xié)同滅活作用。

圖4 游離氯濃度與大腸桿菌存活率關(guān)系

圖5 一氯胺濃度與大腸桿菌存活率關(guān)系

利用另一種協(xié)同作用判定方法:協(xié)同滅活效果=Ir-（Ir1+Ir2） 進(jìn)行判定，結(jié)論完全一致。其中在10min消毒作用時(shí)間的條件下，游離氯后轉(zhuǎn)氯胺消毒的細(xì)菌存活率為-7.0（最低）、單獨(dú)游離氯消毒的細(xì)菌存活率為-4.0（其次）、單獨(dú)一氯胺消毒的細(xì)菌存活率為-1.1（最高，效果最差），因此得協(xié)同滅活效果為1.9，意味著存在協(xié)同滅活作用，使得細(xì)菌滅活率提高了1.9 log。

2.3 pH值和溫度對(duì)協(xié)同效果的影響

在pH值不同的條件下，游離氯和氯胺均表現(xiàn)出不同的電離特性，因此pH值對(duì)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺滅活大腸桿菌的協(xié)同效果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，主要數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，菌液pH值在6～8范圍內(nèi)時(shí)，隨著溶液pH值的降低，游離氯和氯胺獨(dú)立消毒的效果增強(qiáng)，但是聯(lián)合滅菌消毒的協(xié)同效果逐漸減弱，在pH=6時(shí)表現(xiàn)為拮抗作用。

表1 pH值對(duì)短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺滅活大腸桿菌協(xié)同效果的影響

因游離氯 （HOCl/OC-） 中的次氯酸分子（HOCl） 對(duì)埃希式大腸桿菌的消毒效果約為次氯酸根 （OCl-） 的80～100倍[4]。 故隨著pH值升高，次氯酸離解為次氯酸根的程度增大，其消毒效果降低。氯胺消毒具有與次氯酸消毒相同的特性。

在5min短時(shí)游離氯作用之后，加入略過(guò)量的硫酸銨溶液 （Cl2∶N=4∶1） 形成一氯胺。 一氯胺生成的過(guò)程受pH值的影響[5]，pH值為7.0～8.5是其生成的最佳范圍，當(dāng)pH=6時(shí)，由于形成的一氯胺不夠多，所以在pH=6時(shí)的聯(lián)合消毒外在表現(xiàn)為拮抗作用，在其他試驗(yàn)pH值（6.5～8） 范圍內(nèi)為協(xié)同作用，對(duì)于這種協(xié)同滅活作用的解釋，一些學(xué)者提出了一種潛在協(xié)同機(jī)理，認(rèn)為游離氯導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)一氯胺的敏感性增強(qiáng)，從而產(chǎn)生協(xié)同效果[6]；另一種解釋是:第一種氧化劑在微生物的膜外圍形成了良好的氛圍，從而使得第二種氧化劑更易于穿透微生物膜。

不同溫度對(duì)短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)一氯胺滅活大腸桿菌協(xié)同效果的影響如表2所示。

表2 溫度對(duì)短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)一氯胺滅活大腸桿菌協(xié)同效果的影響

從表2中可以看出，在5～30℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，單獨(dú)氯和單獨(dú)氯胺消毒效果降低，聯(lián)合消毒的協(xié)同作用增強(qiáng)，除在30℃時(shí)表現(xiàn)為拮抗作用。

消毒劑消毒作為一種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其反應(yīng)的速率常數(shù)可以采用Arrhenius公式進(jìn)行描述，通常隨反應(yīng)溫度的升高而逐步提高。因此，細(xì)菌滅活率隨著溫度的升高而逐步升高，無(wú)論采用哪類消毒劑或消毒方式，均表現(xiàn)出了這種趨勢(shì)。但游離氯和氯胺的聯(lián)合消毒效果，在反應(yīng)溫度較低時(shí)，其協(xié)同作用表現(xiàn)得更為突出，這與國(guó)外部分研究成果相符，例如Jason L.[7]等人在研究飲用水消毒，臭氧消毒后接一氯胺或者后接游離氯滅活隱孢子蟲在低溫時(shí)的現(xiàn)象極為相似。

3 結(jié)論

根據(jù)以上研究，可以得出:

（1） 短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺的安全氯化消毒方法與傳統(tǒng)的單獨(dú)氯及單獨(dú)氯胺消毒方法相比，消毒效果更佳，對(duì)大腸桿菌的滅活具有協(xié)同作用，該方法具有更高的微生物安全性。

（2） 短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺對(duì)大腸桿菌在pH值6.5～8范圍內(nèi)具有協(xié)同滅活作用，并隨pH值升高協(xié)同作用加強(qiáng)。該法適于在飲用水pH值指標(biāo)范圍（6.5～8.5） 內(nèi)使用。

（3）短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺滅活大腸桿菌的效果，隨水溫升高而降低，協(xié)同作用在低溫時(shí)更為明顯。

綜上，短時(shí)游離氯后轉(zhuǎn)氯胺的消毒方法更能滿足飲水安全消毒的微生物安全性要求。

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Inactivation of E.coli with Short-term Free Chlorine Followed by Monochlora mine

Wang Yun
（Wuzhou Fujikasui Engineering Co.Ltd,Beijing 100052,China）

The inactivation of Escherichia coli with short-term free chlorine followed by monochloramine was investigated with pH ranging from 6 to 8,temperature ranging from 5℃to 30℃.The occurrence of synergy in the sequential application of short-term free chlorine and monochloramine and the effects of pH and temperature on synergy were studied.Experimental results showed that the synergy for sequential short-term free chlorine and monochloramine occurred within the range of pH6.5 to 8,temperature less than 30℃.The synergistic effect was found to increase with decreasing pH.Stronger synergy was observed at the lower temperature.

drinking water； short-term chlorine； monochloramine； E.coli； synergy

X52

A

1008-813X（2012）02-0068-05

10.3969/j.issn.1008-813X.2012.02.019

2012-03-08

王云（1980-），女，江西宜春人，畢業(yè)于清華大學(xué)市政工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事給水和工業(yè)廢水設(shè)計(jì)工作。