電化學(xué)氧化法對海水工廠化養(yǎng)殖尾水消毒作用的研究

殷小亞， 喬延龍， 賈 磊， 周明華， 馬 超， 王 婷

(1.天津市水產(chǎn)研究所，天津 300221； 2.天津市海洋咨詢評估中心，天津 300457；3.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點實驗室，天津 300350)

由于養(yǎng)殖密度高、餌料負(fù)載量大，餌料顆粒、養(yǎng)殖動物代謝廢物等存在于養(yǎng)殖水體中，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中無機鹽、有機物等含量增加，為水體中細(xì)菌的生長繁殖提供了有利條件。養(yǎng)殖水體暴發(fā)的有害菌主要包括大菱鲆弧菌、溶藻弧菌、愛德華氏菌、鏈球菌、熒光假單胞菌、希瓦氏菌、副溶血弧菌、鰻弧菌、哈維氏弧菌、氣單胞菌等[1-3]。在適宜環(huán)境條件下，細(xì)菌快速繁殖，在水體中快速蔓延，如不及時殺滅，極易暴發(fā)傳染病。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體消毒主要包括投加抗生素、氯制劑、溴制劑、碘制劑、醛類等，以及使用臭氧、紫外燈等。傳統(tǒng)消毒方法具有較好的消毒效果，同時也有一些局限性。相對于傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水體消毒，電化學(xué)消毒一般不需要投加試劑，節(jié)省成本，同時消毒副產(chǎn)物較少，是比較清潔的消毒技術(shù)。

本研究主要探討電化學(xué)技術(shù)對海水養(yǎng)殖水體的殺菌作用。電化學(xué)技術(shù)是近年來新興的一種水處理方法，通過外加電場的物理作用和電解產(chǎn)物的化學(xué)作用殺滅細(xì)菌。根據(jù)電化學(xué)技術(shù)殺滅細(xì)菌方式不同，可分為直接殺菌和間接殺菌。直接殺菌是在外加電場的作用下?lián)舸┘?xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)外流，進而使細(xì)菌失活，間接殺菌則通過電解產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)和HClO等強氧化性物質(zhì)進行殺菌[4-5]。電化學(xué)技術(shù)可以激發(fā)產(chǎn)生極高氧化電位的羥基自由基(·OH)，對細(xì)菌細(xì)胞破壞性極強，殺菌效果非常顯著[6]。在氯離子存在的水中，通過電化學(xué)反應(yīng)，可以產(chǎn)生HClO，HClO易于穿過細(xì)胞壁，損害細(xì)胞膜，破壞蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)，從而使細(xì)菌死亡[7-8]。所以電化學(xué)技術(shù)可以對養(yǎng)殖水體進行消毒。由于海水中含有較多的鹽離子，同時含有較高的氯離子，為電化學(xué)處理提供了天然的電解質(zhì)，使電解過程中無需添加任何藥劑。在海水養(yǎng)殖過程中弧菌是引起弧菌病的一類細(xì)菌，在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)生，不僅會引起海水養(yǎng)殖生物疾病的暴發(fā)，還會引起野生海水魚類、貝類等生物疾病的暴發(fā)[9-10]。鰻弧菌、創(chuàng)傷弧菌、哈氏弧菌、溶藻弧菌等都是海水養(yǎng)殖中常見的致病菌[3，11]，對海水養(yǎng)殖生物造成嚴(yán)重影響。故本研究在探討電化學(xué)技術(shù)對總細(xì)菌的殺菌作用之外，還單獨對細(xì)菌中的弧菌進行了滅菌效果的試驗，以期為解決海水高密度養(yǎng)殖過程中弧菌病暴發(fā)的問題提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器設(shè)備

直流穩(wěn)壓電源(APS3005Dm)，購自深圳市安泰信科技有限公司；磁力攪拌器(RCT basic)，購自愛卡(IKA)儀器設(shè)備有限公司；高壓蒸汽滅菌器(MLS-3781L-PC)，購自松下(Panasonic)電器有限公司；超凈工作臺(HS1300)、生化培養(yǎng)箱(SPX-250BⅢ)，購自天津市泰斯特儀器有限公司；電極片(Ti/RuO2-IrO2、Ti)，購自寶雞隆盛有色金屬有限公司；海水細(xì)菌固體培養(yǎng)基(2216E)、弧菌固體培養(yǎng)基(TCBS)，購自青島海博生物技術(shù)有限公司。

1.2 試驗裝置

本試驗采用間歇流的試驗裝置，組成主要包括電解反應(yīng)池、直流穩(wěn)壓電源、磁力攪拌器、鈦鍍釕銥板(Ti/RuO2-IrO2)陽極、純鈦(Ti)片陰極、電極夾、導(dǎo)電線等，電解反應(yīng)池為圓柱形，由耐熱玻璃制成，半徑4 cm，高度10 cm，有效容積500 mL。電極片尺寸為70 mm×50 mm×2 mm，直流穩(wěn)壓電源可調(diào)電壓及電流范圍分別為0～30 V、0～5 A。

1.3 試驗水樣及測定方法

本試驗開展時間為2018年4月，試驗以實際海水養(yǎng)殖尾水為研究對象，現(xiàn)場采集水樣，立即送回實驗室進行試驗。水樣采自天津市濱海新區(qū)漢沽地區(qū)楊家泊鎮(zhèn)某海水工廠化養(yǎng)殖車間。采樣按照GB 17378.7—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第7部分：近海污染生態(tài)調(diào)查和生物監(jiān)測》中關(guān)于細(xì)菌的水樣采集方法進行。初始水體中細(xì)菌總數(shù)為1.92×107CFU/L，弧菌總數(shù)為6.0×106CFU/L。

水體中總細(xì)菌及弧菌分別采用2216E海生微生物培養(yǎng)基及TCBS瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)。取原始水樣分別稀釋至10-1、10-2、10-33個梯度，每個梯度取100 μL涂布于平板培養(yǎng)基上，并作3個平行。經(jīng)恒溫培養(yǎng)箱28 ℃、72 h恒溫培養(yǎng)，以菌落總數(shù)在30～300以內(nèi)的梯度平板為有效計數(shù)平板。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.5、Excel 2007，過程中涉及的滅菌率及能耗的計算方法如下：

(1)滅菌率的計算方法[12]如下：

式中：C0為起始細(xì)菌濃度，CFU/mL；Ct為處理t時間后的細(xì)菌濃度，CFU/mL。

(2)滅菌能耗(kW·h/m3)的計算方法[13]如下：

式中：U為電壓，V；I為電流，A；t為電化學(xué)處理時間，min；V為電化學(xué)處理的水量，m3。

1.5 試驗變量設(shè)計

試驗過程中主要設(shè)計了電壓、電極板間距、電化學(xué)處理時間3個變量，根據(jù)本領(lǐng)域研究基礎(chǔ)[14]，每個變量設(shè)計了3個水平，電壓分別為3、5、7 V，電極板間距分別為2、3、4 cm，電化學(xué)處理時間分別為3、5、7 min。每次固定1個電壓及電極板間距，經(jīng)電化學(xué)處理3、5、7 min時，分別從電解池內(nèi)取出適當(dāng)?shù)乃?，進行細(xì)菌、弧菌培養(yǎng)并計數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌滅菌率

每次試驗時設(shè)定1個固定電極板間距，電化學(xué)處理時間從3 min增加到7 min，分別測定電壓3、4、5 V時的滅菌率變化。從圖1可以看出，在設(shè)定的3個電極板間距情況下，整體表現(xiàn)出電壓3 V時的滅菌率低于電壓4、5 V時，在試驗設(shè)定的每個電極板間距下，電壓4、5 V時的滅菌率均在90%以上，且多組條件下滅菌率為100%，表明電壓越大，滅菌效果越優(yōu)。通過SPSS多因素回歸分析得出，電壓是影響滅菌率最為顯著的變量，滅菌率與電壓之間存在線性關(guān)系。從滅菌率與處理時間的關(guān)系上來看，同一電壓條件上，基本表現(xiàn)出滅菌時間越長滅菌率越高的特點。同時，在電壓較低的3 V條件下，電極板間距2 cm時的滅菌效果優(yōu)于電極板間距3、4 cm時，表明電壓稍低時，極板間距對滅菌率有較大影響。電壓4、5 V時，不同電極板間距下，滅菌率均很高，表明較高電壓條件下，極板間距對滅菌率的影響不顯著，影響滅菌率的主要因素是電壓。

2.2 細(xì)菌滅菌能耗

從圖2中可以看出，在相同電極板間距、相同電化學(xué)處理時間條件下，能耗隨著電壓的增大而增大。電極板間距2 cm時(圖2-a)，電壓3 V，電化學(xué)處理時間3 min滅菌能耗最低，為0.019 kW·h/m3，此時滅菌率為80.2%；當(dāng)電化學(xué)處理時間延長到5 min時，滅菌率已經(jīng)達到95.3%，此時能耗為 0.029 kW·h/m3；電化學(xué)處理時間延長到7 min時，滅菌率已達97.4%，而此時的能耗為0.030 kW·h/m3；能耗表現(xiàn)出隨處理時間的延長而增加，增加幅度并不大，且滅菌率有顯著提高。從能耗數(shù)據(jù)中可以看出，電壓5 V，當(dāng)電化學(xué)處理時間3 min時，滅菌能耗最高，為0.487 kW·h/m3。電極板間距為3 cm時(圖2-b)，電壓3 V條件下，3個處理時間點上能耗接近，均很低，分別為0.020、0.024、0.020 kW·h/m3，3個處理時間點上的滅菌率最高時為58.5%；電壓4 V條件下，所有處理時間點上，滅菌率均為100%，能耗最低點為電化學(xué)處理3 min時，為 0.207 kW·h/m3；電化學(xué)處理5 min，電壓 5 V 時能耗最高，最高時為0.614 kW·h/m3，此時滅菌率為100%。電極板間距4 cm時(圖2-c)，電壓3 V條件下，在3個處理時間點上能耗均很低，分別為0.012、0.015、0.012 kW·h/m3；電壓4 V時，處理 3 min 時滅菌率達96.9%，此時能耗僅為 0.076 kW·h/m3，處理5 min時滅菌率達100%，此時能耗僅為0.097 kW·h/m3；電壓5 V，電化學(xué)處理時間5 min時能耗最高，為0.225 kW·h/m3，此時滅菌率為100%。

2.3 弧菌滅菌率

在該試驗所設(shè)置的試驗變量中，對電化學(xué)處理前后不同梯度的水體進行弧菌培養(yǎng)，培養(yǎng)條件28 ℃恒溫、72 h。經(jīng)過培養(yǎng)處理之后發(fā)現(xiàn)，原水中弧菌菌落濃度平均值分別為6.0×106CFU/L，而經(jīng)過電化學(xué)處理后，3、4、5 V電壓的條件下，2、3、4 cm電極板間距條件下，3、5、7 min的處理時間條件下，弧菌的滅菌率如圖3所示，任一變量組合條件下的電化學(xué)處理后結(jié)果均顯示為弧菌培養(yǎng)基上均無任何弧菌菌落的生長，培養(yǎng)弧菌的滅菌率均為100%，說明電化學(xué)技術(shù)對弧菌的滅菌效果尤為突出。

2.4 弧菌滅菌能耗

弧菌滅菌試驗與細(xì)菌滅菌試驗同步進行，每次取水樣與細(xì)菌同步，由于能耗的表示方法為 kW·h/m3，表示為處理1 m3水體消耗的能量，故弧菌的滅菌能耗與細(xì)菌相同。

由于試驗開展過程中，每組試驗條件下，弧菌的滅菌率均為100%，故若單獨選定最佳弧菌滅菌條件，可選擇能耗最低的一組，為電壓3 V、電極板間距4 cm、電化學(xué)處理時間3 min，此時能耗僅為 0.012 kW·h/m3。

3 討論與結(jié)論

本試驗設(shè)定的電壓、電極板間距、電化學(xué)處理時間對海水養(yǎng)殖尾水中總細(xì)菌的滅菌作用非常顯著，在本試驗設(shè)定的多組變量條件下，均能實現(xiàn)滅菌率100%。整體上表現(xiàn)出在相同電極板間距、相同電化學(xué)處理時間的條件下，滅菌效率隨著電壓的增加而提高。電壓是影響滅菌率的主要因素。同時，電化學(xué)處理技術(shù)對弧菌的滅菌效果極佳，在本試驗所有變量組中，經(jīng)過電化學(xué)技術(shù)處理后，弧菌的滅菌率均為100%。

在滅菌試驗開展過程中，電壓與滅菌率呈線性關(guān)系，電極板間距及電極處理時間也是影響滅菌率的因素。因海水中含量較多的氯離子，電解過程中產(chǎn)生的Cl2及HClO是影響滅菌效果的主要因素。

本試驗以實際海水養(yǎng)殖尾水為研究對象，雖然海水成分復(fù)雜，卻表現(xiàn)出很高的滅菌率和很低的能耗，為實現(xiàn)電化學(xué)氧化技術(shù)在海水養(yǎng)殖尾水消毒中的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，有廣泛的推廣應(yīng)用前景。