TiO2光催化滅活兩種病原菌的試驗研究

丁寧，高麗麗，龐國瑞，賈萍萍，王洪波

（山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

TiO2光催化滅活兩種病原菌的試驗研究

丁寧，高麗麗，龐國瑞，賈萍萍，王洪波*

（山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

TiO2光催化消毒是一種安全有效的消毒方式，對改善目前水污染狀況和飲用水水質(zhì)具有重要意義。文章以污水廠二級出水中金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群兩種病原菌為試驗對象，采用光催化滅活實驗，研究了TiO2的種類及濃度、紫外光的光照強(qiáng)度及時間和pH值對TiO2光催化滅活金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群滅活效果的影響，并與紫外光（UV）滅活效果進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明：TiO2的種類及濃度、光照強(qiáng)度及時間和pH值均對TiO2光催化滅活效果有顯著影響；在TiO2為P25、濃度為0.5 g／L、光照強(qiáng)度為40 W、光照時間為20 min的條件下，TiO2光催化能夠取得最好的滅活效果；而酸性和堿性條件下，其滅活效果比中性條件下要好；TiO2對金黃色葡萄球菌光催化滅活效果優(yōu)于UV。

TiO2光催化；金黃色葡萄球菌；糞大腸菌群；UV；剩余菌數(shù)

0 引言

污水再生利用是緩解我國水資源短缺的有效手段之一，但其中含有的病原菌也是限制它進(jìn)一步使用的阻礙條件［1］。如果再生水中的病原菌進(jìn)入人體，人就會感染患病，這要比其中的微量有機(jī)污染物對人體的危害更大。所以，迫切需要一種安全有效的技術(shù)處理再生水。隨著對再生水消毒技術(shù)的研究，其消毒技術(shù)主要有氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒、UV消毒、TiO2光催化消毒［2-3］。氯消毒已有百年歷史，價格低廉，但是會產(chǎn)生有致癌作用的氯仿、四氯化碳和氯乙酸等消毒副產(chǎn)物。臭氧消毒也會產(chǎn)生醛酮類消毒副產(chǎn)物，而且運行費用高。二氧化氯消毒成本高，過量投加會在水中形成大量亞氯酸鹽［4］。UV消毒具有光復(fù)活現(xiàn)象。而TiO2光催化消毒是TiO2在UV照射下發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)生羥基（·OH）和超氧負(fù)離子等強(qiáng)氧化性物質(zhì)。這些物質(zhì)能夠?qū)⑺械慕瘘S色葡萄球菌、糞大腸菌群、酵母菌和葡萄球菌等病原菌殺死，并將其它有機(jī)物礦化。其催化劑損耗很低，無消毒副產(chǎn)物，無二次污染，而且其穩(wěn)定性很高，有廣闊的發(fā)展前景［5-7］。

催化劑晶型和TiO2的含量會影響光催化滅活病原菌的效果。常用的TiO2有P25、子西萊、TBD-A500三種。其中P25的平均粒徑為21 nm，TiO2含量大于99.5%，且其由80%的銳鈦礦和20%的金紅石混合組成。子西萊的平均粒徑為10 nm，TiO2含量大于92%，是混晶型。TBD-A500的平均粒徑為500 nm，TiO2含量大于98.5%，是銳鈦礦型。

20世紀(jì)90年代以來，由于飲用水水質(zhì)問題的嚴(yán)重性，人類更加全面、深入地認(rèn)識水中的病原菌，并且不斷有新的發(fā)現(xiàn)［8］。金黃色葡萄球菌是革蘭氏陽性菌［9］，其細(xì)胞壁較厚，有15～50層肽聚糖和大量磷壁酸，細(xì)胞壁較堅韌。部分金黃色葡萄球菌會分泌腸毒素［10］，一旦進(jìn)入人體就會引起人體中毒。糞大腸菌群是革蘭氏陰性菌［11］，其細(xì)胞壁較疏松，僅2～3層肽聚糖。作為再生水病原菌指示微生物，糞大腸菌群更能反映水中病原菌存在狀況［12］，是水質(zhì)污染的重要指標(biāo)之一。兩類細(xì)菌對抗外界的能力不同，有必要選取兩類病原菌進(jìn)行試驗。所以，文章利用TiO2光催化消毒技術(shù)處理污水廠二級出水，以金黃色葡萄球菌、糞大腸菌群為代表，得出滅活兩類病原菌的最佳參數(shù)，優(yōu)化TiO2光催化滅活病原菌試驗。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

生化培養(yǎng)箱（SPX-100B-Z）由右一儀器有限公司（上海）制造；手提式電熱壓力蒸汽消毒器（YXOG02）由安得醫(yī)療科技有限公司（山東淄博）制造；電子天平（CP114）由奧豪斯儀器有限公司（上海）制造；高速離心機(jī)（TG16-WS）由湘儀離心機(jī)儀器有限公司（長沙）制造；循環(huán)水式多用真空泵（SHK-III）由科泰實驗設(shè)備有限公司（鄭州）制造；電磁空氣壓縮機(jī)（ACO-388D）由海利集團(tuán)有限公司（廣東潮州）制造；光學(xué)顯微鏡（XSP-4C）由儀圓光學(xué)儀器有限公司（上海）制造；分光光度計（UV-3200）由美譜達(dá)儀器有限公司（上海）制造。

試驗中所用試劑孔雀石綠、磷酸氫二鈉、檸檬酸、品紅、亞硫酸鈉、乙醇、TiO2（P25；子西萊；TBD-A500三種）、濾膜（孔徑為0.45μm、直徑為50 mm）等均由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（上海）提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 光催化滅活實驗

如圖1所示，將8 L加入一定量TiO2的原水倒入光催化滅活實驗裝置反應(yīng)器夾層中，同時把紫外燈從容器上蓋中心圓孔處放入，依次打開空壓機(jī)管路閥門空壓機(jī)曝氣，攪拌，最后將紫外燈打開，光催化反應(yīng)開始計時。實驗光照過程中，定時從管壁最下方取水口取水，利用分析方法（1.2.2）檢測水中金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群兩種病原菌的剩余菌數(shù)。

圖1 光催化實驗裝置圖

試驗原水（各指標(biāo)見表1）采用的是經(jīng)山東建筑大學(xué)中水站砂濾池后出的水。TBD-A500的價格相對便宜，粒徑大利于膜的回收，所以非注明情況下，TiO2選用TBD-A500，TiO2的濃度選取0.5 g／L，紫外光的光照強(qiáng)度選用 40 W，曝氣量選取

0.18 L／h。

表1 原水水質(zhì)

1.2.2 分析方法

·OH的計數(shù)采用孔雀石綠法［13-14］，金黃色葡萄球菌的計數(shù)采用國標(biāo)Baird-Parker平板計數(shù)法［15］，糞大腸菌群的計數(shù)采用濾膜法［16］。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 TiO2對·OH生成量的影響

由圖2可知，當(dāng)TiO2的濃度分別為0.01、0.05 g／L時，·OH的生成量相對較多；而當(dāng)TiO2濃度為2 g／L時，·OH生成量相對較少。其原因是在低濃度TiO2反應(yīng)體系中，紫外光源被充分利用，產(chǎn)生的·OH濃度較高；而高濃度TiO2反應(yīng)體系會影響紫外光源的穿透力，降低總體有效光照效果，導(dǎo)致TiO2表面因受激發(fā)而產(chǎn)生電子（e-）和空穴（h+）的量減少，所以生成的·OH濃度較低［17］。在實際水處理中，反應(yīng)體系不會采用蒸餾水，生成的·OH會與所處理水樣中的微生物或其它污染物反應(yīng)，消耗大量·OH，而且TiO2光催化氧化反應(yīng)是在TiO2表面發(fā)生。在實際水處理中，低濃度的TiO2反應(yīng)體系中TiO2比表面積小，無法提供足夠的·OH，因而需要結(jié)合此項試驗結(jié)果進(jìn)一步探索實際水處理的最佳TiO2投加濃度。

圖2 ·OH的生成量隨TiO2濃度的變化圖

由圖3可知，當(dāng)TiO2濃度為0.05 g／L時，反應(yīng)5 min后，·OH生成量上下浮動差值為3.7×10-6mg／L；當(dāng)TiO2濃度為0.5 g／L時，反應(yīng)5 min后，·OH上下浮動差值為2.7×10-6mg／L?！H生成量隨時間變化有波動，但波動幅度控制在一定范圍，這說明在沒有微生物和污染物等因素影響下，·OH生成量波動情況不隨反應(yīng)時間變化。

圖3 ·OH的生成量隨時間的變化圖

2.2 TiO2的種類對TiO2光催化滅活效果的影響

由圖4可知，三種催化劑對糞大腸菌群的滅菌率均達(dá)到97%以上，P25光催化劑滅活糞大腸菌群的效果最好，TBD-A500滅活糞大腸菌群的效果最差。雖然催化劑粒徑越小催化活性越高，但TiO2三種晶型不同的外部電子結(jié)構(gòu)和空穴排列影響催化速率［18］。P25的TiO2含量高于子西萊。P25晶型比子西萊的晶型固定。TBD-A500的催化劑純度、晶型比例和粒徑大小均弱于前兩者。但TBD-A500價格相對便宜，粒徑大利于膜的回收，催化劑滅活效率相對來說僅低0.8%。綜合考慮，試驗選取TBDA500光催化劑。

圖4 催化劑的種類對糞大腸菌群滅活效果影響圖

2.3 TiO2的濃度對其光催化滅活效果的影響

圖5為40W紫外燈照射5 min，TiO2濃度對兩種病原菌滅活效果的影響。當(dāng)TiO2濃度小于0.5 g／L時，光能量不能被有效利用，金黃色葡萄球菌剩余菌數(shù)較多；當(dāng)TiO2濃度為0.5 g／L時，其剩余菌數(shù)達(dá)到11個／mL；當(dāng)TiO2濃度大于0.5 g／L，進(jìn)入懸浮液中可被吸收的光子已全被催化劑吸收，使催化劑表面產(chǎn)生的活性基團(tuán)數(shù)目基本保持不變，TiO2濃度繼續(xù)增大會造成光散射，溶液渾濁度增加，催化劑不能得到充分利用［19］，最終使剩余菌數(shù)增大。當(dāng)TiO2濃度小于0.5 g／L時，糞大腸菌群的滅菌率隨TiO2濃度的升高先減小后增大，這是因為UV照射對糞大腸菌群有很高的滅活率，但隨TiO2濃度的升高，滅菌機(jī)制成為主要殺菌原因；當(dāng)TiO2濃度大于0.5 g／L時，其滅活率隨TiO2濃度的升高而減小，這是因為催化劑對光的散射能力增大阻礙了光線的投射深度，使光催化效率降低［20］。綜上所述，TiO2試驗濃度選取應(yīng)為0.5 g／L。

圖5 TiO2的濃度對兩種病原菌滅活效果的影響圖

2.4 紫外光的光照強(qiáng)度對TiO2光催化滅活效果的影響

分別采用光照強(qiáng)度為4、15、40和90 W的四種紫外燈照射原水，用以比較紫外光的光照強(qiáng)度對金黃色葡萄球菌滅活效果影響。由圖6可知，在四種光強(qiáng)下，光照強(qiáng)度對滅活效果的影響隨著光照時間的增加而減弱，剩余菌數(shù)均逐漸減少；反應(yīng)40 min后，剩余菌數(shù)趨于0。在15和40W的紫外光強(qiáng)下，剩余菌數(shù)的下降趨勢和對金黃色葡萄球菌滅活速度均較快。TiO2光催化反應(yīng)速率只是在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)受其影響，隨著光強(qiáng)的不斷增大，光催化反應(yīng)速率不一定會不斷增大［19］。40 W紫外光強(qiáng)滅菌速度比15 W的要快，其主要原因為一般光強(qiáng)越強(qiáng)，照射到催化劑表面的光量子數(shù)越多，產(chǎn)生的高能電子—空穴對越多，有利于提高光催化效率［21］。短時間條件下，水中金黃色葡萄球菌含量高，40 W的光強(qiáng)可以提供足夠的光源使體系產(chǎn)生足夠的·OH參與滅菌反應(yīng)；而15 W紫外燈初時提供的光源相對不足，但隨著時間的增加，剩余菌數(shù)的減少，需要的光源也相應(yīng)減少，在長時間照射后兩種光源的滅活效果趨于一致。所以，光源強(qiáng)度的選擇不能過高或過低，病原菌含量低時可以選取低強(qiáng)度光源，而含量高時則要選取高強(qiáng)度光源，這樣可以避免光源強(qiáng)度的浪費，因此應(yīng)該依據(jù)原水中病原菌含量選取合適光源強(qiáng)度。

圖6 光照強(qiáng)度對金黃色葡萄球菌滅活效果影響圖

2.5 紫外光的光照時間對TiO2光催化滅活效果的影響

由圖7可知，反應(yīng)0.5 min時金黃色葡萄球菌的滅活率為83%，反應(yīng)1 min時可達(dá)到94%，反應(yīng)8 min時可達(dá)到99%，而反應(yīng)20 min時達(dá)到了99.91%，此時其剩余菌數(shù)僅為3個／mL；隨著照射時間的進(jìn)一步增加，其滅活率可達(dá)到100%。因此，反應(yīng)20 min幾乎可以滅活全部金黃色葡萄球菌。反應(yīng)1 min時糞大腸菌群滅活率為95%，反應(yīng)5 min時可達(dá)到99.2%，反應(yīng)10 min時已經(jīng)達(dá)到99.9%，此時剩余菌數(shù)小于2個／mL。因此，反應(yīng)10 min幾乎可以全部滅活糞大腸菌群。所以對金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群的滅活時間選取20 min即可。2.6 pH值對TiO2光催化滅活效果的影響

圖7 光照時間對兩種病原菌滅活效果的影響圖

溶液pH值對TiO2光催化效果的影響有（1）影響催化劑的表面特性和污染物在其表面的吸附行為；（2）影響反應(yīng)體系中活性物質(zhì)的生成速率，從而對光催化反應(yīng)產(chǎn)生作用［22］。催化劑TiO2是兩性氧化物，其等電點約為6.6，當(dāng)pH＞6.6時，催化劑表面電荷為負(fù)電荷，其主要形態(tài)為；pH＜6.6時，催化劑表面電荷為正電荷，主要形態(tài)為［23］。

圖8為40 W紫外燈照射5 min，不同pH值對兩種病原菌滅活效果的影響。隨pH值增大，兩種病原菌的滅活率先減小后增大。由于二者細(xì)胞構(gòu)造的不同，使其對·OH的吸附效果有所差別，造成不同的滅活效果。一般來講，金黃色葡萄球菌在堿性條件下滅活效果較好，糞大腸菌群在酸性條件下滅活效果較好。

圖8 pH對兩種病原菌滅活效果的影響圖

3 TiO2光催化和UV對兩種病原菌滅活效果的對比

由圖9和10可以看出，TiO2光催化滅活金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群的效果優(yōu)于UV。Dunford等研究表明，光照TiO2產(chǎn)生的·OH對DNA雙鏈有直接破壞作用，細(xì)菌細(xì)胞越大，細(xì)胞個數(shù)越多，細(xì)胞壁越厚，則對UV照射抵抗力就越強(qiáng)［24］。金黃色葡萄球菌細(xì)胞壁較厚，UV照射不能快速穿透細(xì)胞壁，TiO2光催化產(chǎn)生的·OH對金黃色葡萄球菌具有更好的滅活效果。糞大腸菌群屬于革蘭氏陰性菌，細(xì)胞壁較薄，UV容易穿透其細(xì)胞，破壞遺傳物質(zhì)。同時可以看出，TiO2光催化和UV滅活革蘭氏陰性菌相對滅活革蘭氏陽性菌用時均短。

圖9 TiO2光催化和UV對金黃色葡萄球菌滅活效果對比圖

圖10 TiO2光催化和UV對糞大腸菌群滅活效果對比圖

4 結(jié)論

由研究可知：

（1）TiO2光催化滅活金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群的效果受TiO2的種類及濃度、紫外光的光照強(qiáng)度及時間和pH值的影響。結(jié)果表明：在TiO2為P25、濃度為0.5 g／L、光照強(qiáng)度為40W、光照時間為20 min的條件下，TiO2光催化滅活效果最好。對于這兩種病原菌，在酸性和堿性條件下，其滅活效果比中性條件下要好。

（2）在文中試驗參數(shù)條件下，若達(dá)到與TiO2光催化滅活相同的滅活效果，UV滅活金黃色葡萄球菌這種抵抗力強(qiáng)的革蘭氏陽性菌需要較長的照射時間。達(dá)到相同滅活效果時，TiO2光催化和UV滅活革蘭氏陰性菌的用時比滅活革蘭氏陽性菌用時短。

［1］ 武素園.探究中國水資源現(xiàn)狀與持續(xù)發(fā)展分析［J］.地球，2013（1）：20.

［2］ 郭清平，李群朋.城鎮(zhèn)污水滅活技術(shù)探討［J］.市政技術(shù)，2010，28（6）：97-100.

［3］ 王洪波，崔婭琴，李瑩瑩，等.水和廢水納米TiO2光催化消毒國外研究進(jìn)展［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2012，27（1）：105-110.

［4］ 劉瑩.飲用水二氧化氯消毒技術(shù)研究［J］.商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展，2013（7）：508.

［5］ 鹿院衛(wèi)，馬重芳，王偉，等.納米光催化殺菌技術(shù)研究進(jìn)展［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，32（7）：623-626.

［6］ 王翠彥，李梅，王洪波，等.光催化氧化去除水中新型有機(jī)污染物研究進(jìn)展［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2012，27（4）：426-430.

［7］ Cassano A.E.，Alfano O.M..Reaction engineering of suspended solid heterogeneous photocatalytic reactors［J］.Catalysis Today，2000，58（2）：167-197.

［8］ 閆志超，苑宏英，員建，等.消毒技術(shù)去除飲用水中病原微生物的研究進(jìn)展［J］.四川環(huán)境，2009，28（5）：75-78.

［9］ 張卓.一例火烈鳥金黃色葡萄球菌和大腸桿菌并發(fā)感染的診治［J］.養(yǎng)殖技術(shù)與顧問，2014（7）：77.

［10］龔霄.革蘭氏陽性食源性致病菌［J］.肉類研究，2008（5）：53-60.

［11］張少峰，劉國強(qiáng)，魏春雷.糞大腸菌群檢測方法及研究進(jìn)展［J］.海洋通報，2008，27（3）：102-106.

［12］宮飛蓬，張靜慧，李魁曉，等.城市污水再生利用中病原菌指示微生物及其限值研究［J］.給水排水，2011，37（4）：45-47.

［13］吳春篤，田芳，周建軍.孔雀石綠光度法檢測羥基自由基［J］.人民長江，2008，39（16）：17-19.

［14］劉建偉，楊長河.羥基自由基檢測方法的研究進(jìn)展［J］.江西化工，2009（2）：15-19.

［15］張靜霞，韓濤.金黃色葡萄球菌計數(shù)方法的比較分析［J］.莆田學(xué)院學(xué)報，2014，21（2）：38-41.

［16］胥學(xué)鵬.水中糞大腸菌群測定的濾膜法研究［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì).2012，（2）：53-55.

［17］楊瑾.二氧化鈦光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥的電子順磁共振研究［D］.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2012.

［18］于小迪，王洪波，劉麒等.二氧化鈦光催化滅活技術(shù)在水處理中的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38（1）：81-85.

［19］黃利強(qiáng)，許昱，郭松林.納米TiO2光催化殺滅水產(chǎn)病原菌的研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報，2009，15（4）：14-17.

［20］楊晨璟.沉淀法制備摻雜TiO2的光催化機(jī)理研究［D］.云南：昆明理工大學(xué)，2012.

［21］黃進(jìn)，王斌.光催化氧化降解水中有機(jī)污染物技術(shù)綜述［J］.重慶環(huán)境科學(xué)，2001，23（5）：30-34.

［22］Michael I.，Hapeshi E.，Michael C.，et al.Solar Fention and solar TiO2catalytic treatment of ofloxacin in secondary treated effluents：evaluation of operational and kinetic parameters［J］.Water Research，2010，44（18）：5450-5462.

［23］Muneer M.，Theurich J.，Bahnemann D..Titanium dioxide mediated photocatalytic degradation of 1，2-diethyl-phthalate［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology.A：Chemistry，2001，143（2）：213-219.

［24］Dunford R.，Salinaro A.，Cai L.，et al.Chemical oxidation and DNA damage catalysed by inorganic sunscreen ingredients［J］.Febs Letters，1997，418（1）：87-90.

（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Experimental study of TiO2photocatalytically inactivating two pathogenic bacteria

Ding Ning，Gao Lili，Pang Guorui，et al.

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

TiO2photocatalytic disinfection which is important for improving the current situation and the pollution of drinking water is a safe and effective method.As the experimental object，two pathogenic bacteria such as staphylococcus aureus and faecal coliforms from secondary sewage plant effluent in the photocatalytic inactivation experiments were tested to investigate the impact of TiO2species，TiO2concentration，light intensity，light time and pH on the photocatalysis，and compared with the UV.The results indicate that TiO2species，TiO2concentration，light intensity，light time and pH all have significanteffects on the inactivation.The best resultof photocatalytic inactivation appears with P25，TiO2concentration of 0.5 g／L，the light intensity of 40 W，and the light time of 20 min.The effect of acidic and alkaline conditions is better than that of neutral conditions.And TiO2photocatalytic inactivation to the staphylococcus aureus is better than that of the UV.

TiO2photocatalysis；staphylococcus aureus；streptococcus faecalis；UV；remaining bacteria number

X7

A

1673-7644（2015）02-0141-06

2014-11-21

山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計劃項目（2011GSF11703）

丁寧（1991-），女（回族），在讀碩士，主要從事水處理理論與技術(shù)等研究.E-mail：1223478347＠qq.com

*：王洪波（1966-），男，教授，博士，主要從事水污染控制理論與技術(shù)和非常規(guī)水資源化理論與技術(shù)研究.E-mail：wanghongbo＠sdjzu.edu.cn