紫外線對(duì)輪蟲的滅活效果及動(dòng)力學(xué)分析

張爍

摘要：采用消毒方式滅活無(wú)脊椎動(dòng)物是控制活體無(wú)脊椎動(dòng)物進(jìn)入供水管網(wǎng)的有效手段。本研究主要探究紫外線對(duì)飲用水中的優(yōu)勢(shì)無(wú)脊椎動(dòng)物——輪蟲的滅活效果。研究結(jié)果顯示：紫外線強(qiáng)度和劑量對(duì)輪蟲的滅活效果均有影響。強(qiáng)度相同時(shí)，劑量越大滅活效果越好，當(dāng)紫外線劑量達(dá)到3000J/m2時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪蟲的完全滅活。劑量相同時(shí)，高強(qiáng)度、短時(shí)間的輻照對(duì)輪蟲的滅活效果越好。紫外線滅活輪蟲的反應(yīng)符合兩階段一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并且k1始終小于k2。濁度和有機(jī)物濃度都會(huì)降低紫外線對(duì)輪蟲的滅活率。

Abstract： Inactivating invertebrates by disinfection is an effective method to control living invertebrates entering the water supply network. This study mainly explored the inactivation effect of ultraviolet （UV） on rotifers， the dominant invertebrate in drinking water. The results show that：both the intensity and dose of UV have an impact on the inactivation of rotifers. When the intensity is the same， the larger the dose， the better the inactivation effect. When the UV dose reaches 3000 J/m2， the rotifers can be completely inactivated. When the dose is the same， high-intensity and short-radiation time are better for the inactivation of rotifers. The inactivation reaction conforms to the two-stage first-order reaction kinetic model， and k1 is always smaller than k2. Both turbidity and organic matter concentration reduce the inactivation rate of rotifers by UV.

關(guān)鍵詞：飲用水;紫外線;輪蟲;滅活;滅活動(dòng)力學(xué)

Key words： drinking water;UV;rotifer;inactivation;inactivation kinetics

中圖分類號(hào)：X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0197-03

0? 引言

隨著臭氧-生物活性炭深度處理工藝在飲用水處理中的應(yīng)用，無(wú)脊椎動(dòng)物過(guò)度繁殖和泄漏的問(wèn)題越來(lái)越得到研究者的重視和關(guān)注[1，2]。無(wú)脊椎動(dòng)物存在于供水系統(tǒng)中會(huì)給供水安全帶來(lái)一定的感官風(fēng)險(xiǎn)和潛在的生物安全風(fēng)險(xiǎn)[2]，因此需要采取有效措施來(lái)控制無(wú)脊椎動(dòng)物的繁殖和泄漏。在飲用水處理系統(tǒng)中針對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的控制策略主要包括優(yōu)化處理工藝、強(qiáng)化過(guò)濾截留和有效殺滅[3]。其中有效殺滅是基于自來(lái)水廠消毒環(huán)節(jié)，探究不同消毒方式對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的滅活效果，以期減少進(jìn)入供水管網(wǎng)中活體無(wú)脊椎動(dòng)物的數(shù)量。采用較多的消毒方式主要有氯、二氧化氯、臭氧和紫外線等。

紫外線是一種有效的、不會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的物理殺菌方法，在給水處理中顯示了很好的市場(chǎng)潛力[4，5]。紫外線主要是通過(guò)對(duì)微生物的DNA和RNA產(chǎn)生破壞而達(dá)到殺菌的目的[6]。紫外線的殺菌效率高。當(dāng)紫外強(qiáng)度為3×104μw/cm2時(shí)，紫外線殺滅病毒及細(xì)菌約需0.1～1秒的接觸時(shí)間、殺滅霉菌孢子需1～8秒、殺滅藻類需5～40秒[7]。有關(guān)紫外線滅活無(wú)脊椎動(dòng)物的研究還不多。Chen等[8] 和Matsumoto等[9]分別探究了紫外線對(duì)橈足類和線蟲的滅活效果。研究表明，輪蟲通常是飲用水處理系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)無(wú)脊椎動(dòng)物[10]。為了在飲用水無(wú)脊椎動(dòng)物污染控制中選擇有代表性的種類，并了解不同種類的無(wú)脊椎動(dòng)物在紫外線作用下的不同表現(xiàn)特征，本文以淡水中常見的萼花臂尾輪蟲的純培養(yǎng)樣本為研究對(duì)象，探討紫外線對(duì)輪蟲的滅活效果和滅活動(dòng)力學(xué)。

1? 材料與方法

1.1 輪蟲的培養(yǎng)

輪蟲的培養(yǎng)方式參照Lu等人[11]的研究：將輪蟲在體視顯微鏡（日本，Olympus，SZ61TR）下轉(zhuǎn)移至EPA培養(yǎng)基（96mg NaHCO3，60mg CaSO4，60mg MgSO4，4mg KCl，1L 去離子水，pH7.5）中放大培養(yǎng);每日投喂小球藻（小球藻的培養(yǎng)方式參照Yang等[12]的研究），投喂密度控制在106cells/mL，為避免小球藻培養(yǎng)基對(duì)輪蟲生長(zhǎng)繁殖的影響，投喂前將小球藻液用EPA培養(yǎng)基反復(fù)沖洗3～4次（用離心機(jī)在4000轉(zhuǎn)/min下離心5min）;培養(yǎng)是在25±1℃恒溫光照培養(yǎng)箱（中國(guó)，新苗，GZX-150BS-Ⅲ）中進(jìn)行，光照強(qiáng)度為200 lux，晝長(zhǎng)比為16h：8h。每48h需更換培養(yǎng)液1次。實(shí)驗(yàn)前，需將放大培養(yǎng)的輪蟲用純水反復(fù)沖洗幾次。

1.2 紫外滅活實(shí)驗(yàn)

以直徑為60mm的培養(yǎng)皿為實(shí)驗(yàn)容器，以10mL純水為實(shí)驗(yàn)基質(zhì)，向每個(gè)培養(yǎng)皿中加入28～32只大小相近（體長(zhǎng)、體寬分別在250μm和150μm左右）、游泳能力較強(qiáng)的輪蟲。紫外線輻照裝置（如圖1所示）由紫外線燈管、燈箱、平行光管、遮光板和升降臺(tái)構(gòu)成。設(shè)置不同高度的平行光管是為了控制紫外燈管到培養(yǎng)皿的距離，進(jìn)而改變紫外線輻照強(qiáng)度。紫外線輻照強(qiáng)度（I，W/m2）用紫外線輻照計(jì)對(duì)254nm波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)中使用的紫外線輻照強(qiáng)度為1、1.5、2.0W/m2。紫外線輻照劑量（D，J/m2）為紫外線輻照強(qiáng)度和紫外輻照時(shí)間（t，s）的乘積。實(shí)驗(yàn)前開啟裝置預(yù)熱30min，待紫外燈穩(wěn)定后使用。然后將培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)移至紫外燈下輻照。輻照一定時(shí)間后，蓋上遮光板，隨后在體視顯微鏡下觀察輪蟲的存活狀況。輪蟲死亡判斷依據(jù)為15s內(nèi)蟲體及內(nèi)臟器官保持不動(dòng)并用針尖刺激蟲體無(wú)反應(yīng)。

1.3 滅活效果評(píng)價(jià)

紫外線滅活輪蟲的效果依據(jù)滅活率（S）來(lái)判斷，計(jì)算公式如下：

S=（N0-N）/N0×100%? ? ? ? ? （1）

式中：N：滅活反應(yīng)一定時(shí)間段后的輪蟲存活數(shù)，ind;N0：初始輪蟲存活數(shù)，ind;S：輪蟲滅活率，%。

1.4 分析方法

TOC采用島津TOC測(cè)定儀測(cè)定，濁度采用哈希2100N濁度儀測(cè)定。所有數(shù)據(jù)平行測(cè)定3次，結(jié)果取平均值。

2? 結(jié)果與討論

2.1 紫外線輻照對(duì)輪蟲的滅活效果

不同紫外線輻照強(qiáng)度和劑量條件下輪蟲的滅活率顯示在圖2中。

可以看出，當(dāng)紫外線輻照強(qiáng)度相同時(shí)，隨著紫外線輻照劑量的增加，輪蟲的滅活率上升。自來(lái)水廠常規(guī)的紫外線消毒劑量多為400J/m2[13]。在本研究中，當(dāng)紫外線劑量為600J/m2時(shí)，輪蟲的滅活率小于20%，滅活效果很差。當(dāng)紫外線劑量達(dá)到3000J/m2時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)輪蟲的完全滅活。可見，自來(lái)水廠常規(guī)劑量紫外消毒對(duì)輪蟲的滅活效果不佳。朱潔等[14]對(duì)上海某采用紫外線消毒的自來(lái)水廠進(jìn)行取樣發(fā)現(xiàn)，紫外線消毒對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物（包括輪蟲、線蟲、甲殼類等）整體的滅活率僅為4.6～26.9%。

當(dāng)紫外線輻照劑量相同時(shí)，隨著紫外線輻照強(qiáng)度的增強(qiáng)（輻照時(shí)間縮短），輪蟲的滅活率上升。即在同一紫外線劑量下，高強(qiáng)度、短時(shí)間的輻照對(duì)輪蟲的滅活效果越好。以紫外線輻照劑量為1800J/m2為例，當(dāng)紫外線輻照強(qiáng)度為1、1.5和2.0W/m2時(shí)，輪蟲滅活率分別為51.6%、58.2%和71.5%。一般來(lái)說(shuō)，紫外線強(qiáng)度在1～20mW/cm2范圍內(nèi)，紫外線劑量—滅活率響應(yīng)曲線遵循輻照強(qiáng)度與輻照時(shí)間可逆法則[15]。在本研究中，使用的紫外線輻照強(qiáng)度較小，因此，在較高輻照強(qiáng)度下，紫外線滅活輪蟲是否還遵循高強(qiáng)度、短時(shí)間的輻照，滅活效果越好的規(guī)律還需進(jìn)一步驗(yàn)證和探究。

2.2 紫外線滅活輪蟲的動(dòng)力學(xué)分析

由表1可知，各紫外線輻照強(qiáng)度條件下，兩階段擬合的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，因此各紫外線輻照強(qiáng)度下的ln（N/N0）與紫外線輻照劑量具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，即在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，紫外線滅活輪蟲的反應(yīng)符合兩階段一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

本研究中k1始終小于k2，與次氯酸鈉滅活劍水蚤的動(dòng)力學(xué)結(jié)果相似[16]。分析認(rèn)為，在輪蟲體內(nèi)有抗氧化防御系統(tǒng)，在紫外線輻照劑量較低時(shí)，輪蟲未出現(xiàn)過(guò)多的死亡，說(shuō)明此時(shí)輪蟲體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)耐受還未達(dá)到上限;而當(dāng)Dt超過(guò)D時(shí)，抗氧化防御系統(tǒng)耐受力突破上限，輪蟲快速死亡。

2.3 紫外線滅活輪蟲的影響因素分析

本研究是在基質(zhì)為純水中進(jìn)行，而實(shí)際自來(lái)水中含有多種物質(zhì)，會(huì)對(duì)紫外線滅活效果產(chǎn)生影響。本研究中主要考慮濁度和有機(jī)物濃度對(duì)輪蟲滅活效果的影響。

2.3.1 濁度的影響

選用1.5W/m2的輻照強(qiáng)度、1800J/m2的輻照劑量，向純水中加入高嶺土來(lái)改變濁度，設(shè)計(jì)濁度為0.1～9.1NTU，濁度對(duì)滅活效果的影響如圖4所示。

由圖4可見，隨著濁度的增加，輪蟲滅活率逐漸降低。當(dāng)濁度為3.2NTU時(shí)，輪蟲的滅活率相較于原水降低了26%。濁度會(huì)對(duì)紫外線的滅活效果產(chǎn)生影響的原因可能有：懸浮物的吸收和散射作用使紫外線光強(qiáng)度降低;顆粒對(duì)輪蟲起到了遮蔽作用，從而保護(hù)了輪蟲。

2.3.2 有機(jī)物濃度對(duì)滅活的影響

選用1.5W/m2的輻照強(qiáng)度、1800J/m2的輻照劑量，向純水中加入腐殖酸來(lái)改變有機(jī)物濃度，利用TOC指標(biāo)來(lái)代表有機(jī)物的濃度。分別控制TOC濃度為0mg/L、1mg/L、3mg/L、5mg/L、7mg/L、9mg/L，有機(jī)物濃度對(duì)滅活效果的影響如圖5所示。

由圖5可見，隨著有機(jī)物濃度的增加，紫外線對(duì)輪蟲的滅活率同樣逐漸下降。當(dāng)TOC=1mg/L時(shí)，對(duì)輪蟲的滅活率影響較小，較TOC濃度為0的對(duì)照組下降了2%;當(dāng)TOC=9mg/L，輪蟲的滅活率下降了37%。有機(jī)物的存在對(duì)紫外線滅活輪蟲有一定的影響，分析認(rèn)為是腐殖酸會(huì)消耗部分紫外線進(jìn)行光解作用，從而影響紫外線對(duì)輪蟲的滅活效果。此外，試驗(yàn)條件下腐殖酸溶液色度均接近于0，因此不考慮試驗(yàn)中色度對(duì)紫外線滅活輪蟲的影響。

3? 結(jié)論

①自來(lái)水廠常規(guī)劑量的紫外消毒對(duì)輪蟲的滅活效果不佳。當(dāng)紫外線劑量達(dá)到3000J/m2時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪蟲的完全滅活。②在同一紫外線劑量下，高強(qiáng)度、短時(shí)間的輻照對(duì)輪蟲的滅活效果越好。③紫外線滅活輪蟲的反應(yīng)符合兩階段一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并且第1階段的反應(yīng)速率小于第2階段。④濁度和有機(jī)物濃度都會(huì)降低紫外線對(duì)輪蟲的滅活率。

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