不同污水消毒工藝對(duì)水中細(xì)菌病毒去除效果研究進(jìn)展

李家成,王佳豪,許鍇,劉康樂,林子增,王鄭

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

消毒是殺滅有害病原體、保護(hù)人體健康不可缺少的水處理工藝，是水處理過程中重要的組成部分[1-3]。2019年12月，湖北省武漢市出現(xiàn)了一種由新型冠狀病毒引發(fā)的肺炎，隨后被世界衛(wèi)生組織命名為COVID-19[4-5]。研究成果表明，在某些新型冠狀病毒感染的患者糞便中檢測(cè)出新型冠狀病毒陽性，提示糞便中很有可能存在活病毒。而城市污水處理廠(Wastewater treatment plant，WWTP)的廢水是釋放到水環(huán)境中的致病微生物和新關(guān)注污染物的主要來源[6]。對(duì)于水中存活的病原體，常規(guī)的水處理工藝并不能完全去除，因此，進(jìn)行水消毒是去除水中病原體的必要措施[7]。

1 污水的常規(guī)消毒工藝

目前，污水處理中常見的消毒工藝主要以紫外線消毒[8]、臭氧消毒[9]和氯化消毒等[10]3種消毒方法為主[11]。

1.1 紫外線消毒

紫外線(Ultraviolet，UV)消毒是一種有效的滅活水中病原體的技術(shù)，在工業(yè)上的應(yīng)用越來越受到重視。近年來一種新興的紫外線消毒技術(shù)，即紫外發(fā)光二極管(UV-LED)引起了人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的紫外汞燈相比，紫外發(fā)光二極管(UV-LED)是一種新型的紫外源。這一有前途的選擇引起了人們對(duì)紫外發(fā)光二極管在水處理中應(yīng)用的極大興趣。在過去的幾年里，紫外線引導(dǎo)水消毒的研究有所增加[12]。Li等[13]通過分析國內(nèi)外最新的研究現(xiàn)狀，討論了紫外線光源波長選擇性、紫外線劑量控制、滅活速率常數(shù)(K)(cm2/mJ)的影響、水樣工作方式、外部輔助系統(tǒng)、水中致病菌對(duì)紫外線的敏感性等滅活因素的類型。波長約260,280 nm通常具有強(qiáng)失活特性。與約260 nm波長芯片相比，約280 nm波長芯片具有更高的波長光功率，可以更快地對(duì)細(xì)菌進(jìn)行消毒，是一種較好的選擇。紫外劑量也可作為飲用水消毒的參考值，而滅活率常數(shù)(K)(cm2/mJ)隨微生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同而不同。在水處理系統(tǒng)設(shè)置中，改變工作方式或增加輔助系統(tǒng)也可以增強(qiáng)滅活效果。此外，我們還可以比較幾種病原體的滅活能力：ΦX174>大腸桿菌>T型噬菌體>枯草芽孢桿菌>MS2或Qβ>人腺病毒。深入研究和探討紫外線LED水處理系統(tǒng)中的滅活因素和作用機(jī)理，將為今后建立更有效的紫外線LED消毒方法提供指導(dǎo)方向，促進(jìn)紫外LED水處理系統(tǒng)病原體滅活機(jī)制的規(guī)范化。Shen等[14]研究首次報(bào)道了在200～280 nm 范圍內(nèi)應(yīng)用UVC發(fā)光二極管治療芽孢桿菌及其四環(huán)素抗性基因(Tetracycline resistant gene，TRG)中的兩株革蘭氏陽性四環(huán)素抗性細(xì)菌(Tetracycline resistant bacteria，TRB)。結(jié)果表明，UVC發(fā)光二極管可使TRB失活達(dá)5.7，抑制TRG的表達(dá)，尤其是在268 nm處。所需的通量與使用相同UVC-LED的參考非耐藥菌的通量接近，但遠(yuǎn)小于使用汞燈的TRB。UVC-LED照射后，光激活是修復(fù)TRB的主要機(jī)制，與非耐藥菌一樣。但與非抗性細(xì)菌相比，TRB在光照結(jié)束后24 h的再生率顯著提高，但輻照水中的再生菌數(shù)仍低于未輻照水中的再生菌數(shù)。而TRB修復(fù)后，即使在高達(dá)46.08 mJ/cm2(本研究中最大值)的劑量下施加268 nm，也能恢復(fù)電阻。本研究突出了UVC-LED在快速、節(jié)能、減阻等方面有效滅活TRB的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)TRB的再生和抗性恢復(fù)能力還有待于進(jìn)一步的研究。Zyara A等[15]研究飲用水在用MS2和4個(gè)屬于從城市廢水中分離的RNA或 DNA大腸菌群的抗紫外線和抗Cl大腸菌群的水中加入U(xiǎn)V-LED消毒后進(jìn)行消毒。結(jié)果表明在波長為270 nm的UV-LED下工作2 min, 120 mW的照射導(dǎo)致在0.93 L的反應(yīng)器中測(cè)試的大腸桿菌 Log10(N/N0)減少量從2.73提高到5.2,N為處理后的大腸桿菌密度，N0為處理前的密度。在同一體系中輻照10 min，Log10(N/N0)減少量從4.30提高到5.16。254 nm波長的傳統(tǒng)汞UV(Hg-UV)燈在10 mL水中2 min內(nèi)引起Log10(N/N0)減少量從0.67提高到4.08，10 min內(nèi)引起Log10(N/N0)減少量從4.56提高到7.21。除MS2外，所有檢測(cè)的大腸桿菌都使用UV-LED時(shí)的Log10(N/N0)減少量達(dá)到4，劑量相當(dāng)于使用Hg-UV的70 mWs/cm2。因此，UV-LED是一種有前途的消毒抗紫外線和抗氯病毒的方法。雖然紫外線消毒對(duì)抗性菌具有很好的去除效果，但需要在很高劑量的條件下才產(chǎn)生顯著作用[16]。因此，還需要研究其他消毒工藝對(duì)抗性菌的去除效果。

1.2 氯化物消毒

氯化物消毒是國內(nèi)水消毒應(yīng)用最多的消毒技術(shù)[17]，目前，污水消毒采用的氯化物主要有液氯[18]、二氧化氯[19]和次氯酸鹽等[20]3種。

Akhlaghi M等[21]實(shí)驗(yàn)研究比較二氧化氯和氯對(duì)實(shí)際乳品廢水的消毒效果。為此，首先制備了兩個(gè)220 L的聚乙烯罐作為反應(yīng)罐，由乳品廢水處理廠的廢水填充。兩個(gè)水箱都裝有機(jī)械攪拌器。然后，使用最大容量為3.9 L/h的隔膜加藥泵注射二氧化氯和0.5～3 mg/L的氯(次氯酸鈣)。采用便攜式光度法測(cè)定二氧化氯和氯的殘留量。最后，采用多管發(fā)酵、Brilliant Green Bile Broth和Eosin methylene blue Agar技術(shù)進(jìn)行微生物分析，結(jié)果分別作為最有可能數(shù)指標(biāo)(Most probable number index，MPN)。結(jié)果表明，二氧化氯在水環(huán)境中的殘留比氯的殘留更為活躍。因此，二氧化氯去除乳品廢水中糞便和總大腸菌群的效果優(yōu)于氯氣。Furukawa T等[22]研究旨在探討氯化消毒法(一種廣泛應(yīng)用于各種水處理設(shè)施的消毒方法)對(duì)耐萬古霉素腸球菌(Vancomycin-resistantenterococci，VRE)的抗生素耐藥基因的滅活效果。將VRE添加到磷酸鹽緩沖液或廢水處理廠消毒二級(jí)出水中制備VRE懸浮液。在不同的氯濃度和攪拌時(shí)間下進(jìn)行了滅活實(shí)驗(yàn)。測(cè)定腸球菌濃度和抗生素耐藥基因的存在。腸球菌濃度隨著氯濃度和攪拌次數(shù)的增加而降低，在以下條件下，腸球菌濃度下降超過7.0,0.5 mg Cl2/L攪拌40 min，1.0 mg Cl2/L攪拌20 min，以3.0 mg Cl2/L攪拌3 min。在二級(jí)出水懸浮VRE的滅活實(shí)驗(yàn)中，可培養(yǎng)腸球菌比懸浮VRE需要更高的氯濃度和更長的處理時(shí)間才能完全消毒。然而，在VRE的所有氯化懸浮液中都檢測(cè)到抗生素耐藥基因，即使在培養(yǎng)基瓊脂平板上沒有腸球菌菌落的樣品中也是如此。氯氣消毒雖能滅活和減少耐藥菌(Antibiotic-resistantbacteria，ARB)的數(shù)量，但不能破壞耐藥基因。因此，認(rèn)為氯氣消毒池后滅活細(xì)菌細(xì)胞中殘留的ARB和抗生素耐藥基因可以排入水環(huán)境。Lee等[23]在香港港區(qū)處理方案中，用濃縮的10%氯溶液(在次氯酸鈉中比重為1.2)直接用于對(duì)接收化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理(Chemically enhanced primary treatment，CEPT)的污水進(jìn)行消毒。濃氯溶液以多股濃射流的形式注入處理后的污水流中。現(xiàn)場(chǎng)觀察表明，處理系統(tǒng)中氯的消耗量變化很大。鑒于消毒系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響和運(yùn)行費(fèi)用的重要性，首次采用污水和氯氣組成的1∶2比例分段物理模型，研究了氯氣射流與CEPT出水的混合及其相關(guān)的氯氣消耗現(xiàn)場(chǎng)獲得的溶液。測(cè)量了氯氣混合室不同截面處的總余氯(Total residual chlorine，TRC)濃度分布。整個(gè)消毒效率是通過詳細(xì)測(cè)量從消毒室流出的水的質(zhì)量來評(píng)估的，消毒室只接觸幾秒鐘的氯。以10～20 mg/L 的目標(biāo)投加速率，只有大約60%～80%的污水在離開實(shí)驗(yàn)箱時(shí)暴露在氯中，大約70%～80%的氯質(zhì)量流量在距離氯投加裝置很短的距離(0.5～1 m，或幾秒鐘)內(nèi)消耗?？偟膩碚f，在氯氣混合室中有一個(gè)1對(duì)數(shù)的大腸桿菌(E.coli)殺死，當(dāng)TRC濃度高于15 mg/L時(shí)，大腸桿菌的有效殺滅。詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模模型實(shí)驗(yàn)有助于揭示工廠觀察到的TRC大幅波動(dòng)的原因，并為氯消毒操作的優(yōu)化(例如，使用較低的氯濃度)提供依據(jù)。

1.3 臭氧消毒

臭氧消毒是一種廣泛應(yīng)用于飲用水或再生水中滅活病原體的消毒技術(shù)[24]。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，被有效地用于降解和礦化有機(jī)污染物以及消毒等領(lǐng)域[25]。

由于氯消毒劑在水處理中的廣泛應(yīng)用，水中出現(xiàn)了抗氯細(xì)菌，嚴(yán)重威脅了公眾健康。對(duì)此，Ding等[26]研究了7株飲用水中耐氯細(xì)菌的生理生化特性及對(duì)環(huán)境的影響(pH、溫度、濁度)。采用臭氧消毒法研究了細(xì)菌和孢子的滅活效果。采用實(shí)時(shí)定量PCR、流式細(xì)胞儀、掃描電鏡等方法分析了典型耐氯芽孢桿菌(Bacilluscereussporters)的DNA濃度和細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)變化，探討其滅活機(jī)理。臭氧濃度為1.5 mg/L時(shí)，細(xì)菌(Aeromonasjandaei

2 組合消毒工藝

2.1 光催化-臭氧氧化消毒

近年來，光催化高級(jí)氧化法作為一種新型的環(huán)境友好、可持續(xù)的廢水處理技術(shù)，在取代現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)方面顯示出巨大的潛力[27]。對(duì)此，Mecha A等[28]研究介紹了利用太陽光和紫外線二氧化鈦光催化臭氧氧化法對(duì)合成水樣和城市二級(jí)污水中的水性致病菌(大腸桿菌、沙門氏菌、志賀氏菌和霍亂弧菌)進(jìn)行滅活。其性能指標(biāo)為細(xì)菌滅活效率、消毒后再生和臭氧氧化與光催化(光催化臭氧氧化)協(xié)同作用。光催化臭氧氧化有效地滅活了目標(biāo)菌，并觀察到正的協(xié)同作用，導(dǎo)致協(xié)同指數(shù)(Synergy indices，SI)高達(dá)1.86，表明其性能遠(yuǎn)高于單獨(dú)臭氧氧化和光催化(SI≤1，無協(xié)同作用；SI>1表明兩個(gè)過程之間的協(xié)同作用)。此外，與臭氧氧化和光催化的單個(gè)單元工藝相比，完全滅活細(xì)菌所需的接觸時(shí)間大幅度減少了50%～75%。此外，在黑暗中24 h和48 h后，未觀察到處理后的細(xì)菌再生。因此，由于細(xì)菌細(xì)胞受到不可修復(fù)的損傷，組合過程克服了單個(gè)單元過程在抑制細(xì)菌復(fù)活和再生方面的局限性。處理后的廢水滿足南非處理廢水的細(xì)菌學(xué)要求。Moreira N等[29]采用臭氧氧化法、光解法、光解臭氧氧化法、光催化法和光催化臭氧氧化法研究了兩種有機(jī)污染物(阿莫西林和雙氯芬酸)在0.1 mm水溶液中的降解。研究結(jié)果表明，在臭氧存在下，無論過程類型如何，在不到20 min內(nèi)觀察到兩種有機(jī)污染物的完全降解。相比之下，采用光催化臭氧氧化工藝時(shí)，阿莫西林和雙氯芬酸的礦化速度相對(duì)較快且完全(分別為30 min和120 min)。光催化臭氧氧化法也應(yīng)用于摻加阿莫西林和雙氯芬酸的城市污水。同樣的處理方法可以有效降解城市污水中檢測(cè)到的大量微污染物。

2.2 微波-紫外線-臭氧聯(lián)合消毒

Cheng等[30]對(duì)微波放電無極燈(Microwave discharge electrodeless lamp，MDEL)水處理技術(shù)理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了微波/無極放電紫外/臭氧(Microwave/Electrodeless Discharge Ultraviolet/Ozone，MW/UV/O3)一體化污水消毒系統(tǒng)。采用單一O3、MW/UV和MW/UV/O3等工藝條件，對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌進(jìn)行了殺菌實(shí)驗(yàn)，以尋找最佳的工藝路線。結(jié)果表明：微波殺菌效果以熱效應(yīng)為主，混濁度對(duì)微波/紫外殺菌效果有顯著影響，微波/紫外/臭氧殺菌效果優(yōu)于單一臭氧和微波/紫外。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)4種無極紫外燈穩(wěn)定時(shí)，光強(qiáng)達(dá)到3.6 mW/cm2； 當(dāng)曝氣量為50 L/min時(shí)，產(chǎn)生的O3含量為0.30 mg/L。在流量為800 L/h、水力停留時(shí)間為1.5 min的條件下，MW/UV/O3系統(tǒng)對(duì)污水的殺菌率均大于99.99%出水化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand，COD)和總有機(jī)碳(Total organic carbon，TOC)等水質(zhì)指標(biāo)也有所下降。

2.3 活性污泥-過濾-臭氧氧化工藝

對(duì)于工業(yè)廢水，由于廢水產(chǎn)生量較大，而且微生物種群和有機(jī)物含量與生活污水有很大差異，因此需要采用合適的消毒工藝。Alfonso-Muniozguren等[31]采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的活性污泥過濾-臭氧氧化組合工藝處理屠宰廢水?；钚晕勰喾ú捎?4 h水力停留時(shí)間和13 d固體停留時(shí)間，然后進(jìn)行過濾(4～7 μm)和臭氧三級(jí)處理?；瘜W(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(Biological oxygen demand，BOD)分別平均降低93%和98%，最終值分別為128 mg/L和12 mg/L。在同一體系中，總懸浮物(Total suspended solids，TSS)平均還原率達(dá)99%，最終還原值降至3 mg/L， 臭氧處理17 min后，磷(P)還原率達(dá)98%，總大腸菌群(Total coliforms，TC)完全失活。對(duì)于總活菌數(shù)(Total viable counts，TVC)，在71 mg/L臭氧劑量下，臭氧氧化30 min后觀察到顯著降低?？偟膩碚f，組合工藝足以滿足排放要求，而無需對(duì)測(cè)量參數(shù)(COD、BOD、TSS、P、TC和TVC)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3 新的消毒工藝

對(duì)于常見的消毒工藝，其在消毒過程中均有各自的缺陷，比如，氯消毒會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，而紫外線和臭氧消毒則存在成本高、能耗大等缺點(diǎn)[32]。因此，需要研究新的消毒技術(shù)，來彌補(bǔ)常規(guī)消毒工藝的缺陷。

3.1 電化學(xué)消毒

電化學(xué)技術(shù)適用于民用和生活污水的消毒和凈化。在活性電極材料和非活性電極材料方面，提出了高級(jí)氧化法和消毒法等三級(jí)處理工藝。電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù)不僅可以高效去除難降解有機(jī)污染物，還可以應(yīng)用于污水消毒領(lǐng)域[33]。近年來，電化學(xué)消毒已成為一種有效的病毒和細(xì)菌滅活技術(shù)[34]。

Li等[35]采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電化學(xué)(Electrochemical，EC)消毒實(shí)驗(yàn)，研究了對(duì)8類抗生素的23個(gè)耐藥基因的去除效果及其對(duì)存活細(xì)菌耐藥性的影響。在不同電流密度(D處理)和不同反應(yīng)時(shí)間(T處理)下進(jìn)行EC處理。延長電解時(shí)間比增大電流密度有更高的失活率，但前者對(duì)ARGs的去除效率較低。例如，T20和D80處理的滅活率均大于99%，而D80處理的ARGs相對(duì)豐度下降(從0.54下降到4.1)大于T20處理(從5.4下降到5.2)。經(jīng)EC治療后，耐藥菌的檢出率下降了9%～100%。這主要?dú)w因于細(xì)菌組成的變化。高耐藥率的細(xì)菌(如大腸桿菌)比例下降，低耐藥率的細(xì)菌(如不動(dòng)桿菌、假單胞菌)比例上升。此外，EC消毒后存活的多重耐藥菌較少，這也導(dǎo)致EC處理后廢水樣本的多重耐藥率和多重耐藥指數(shù)(從0.47下降到0.35)顯著下降(P<0.05)?？傊珽C消毒不僅降低了ARGs的相對(duì)豐度，而且降低了存活細(xì)菌的耐藥性。因此，這可能是一種很有前途的控制抗生素耐藥性傳播的消毒方法。Lei等[36]研究了一種同時(shí)進(jìn)行固液分離(同時(shí)保護(hù)電極免受污染)和污水消毒的電化學(xué)動(dòng)態(tài)膜過濾(Electrochemical dynamic membrane filtration，EDMF)系統(tǒng)。結(jié)果表明，在2.5 V 的低壓下，EDMF達(dá)到了高效的消毒效果，原木去除率約為100%(出水中未檢出細(xì)菌)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在膜通量為100 L/(m2·h)的條件下運(yùn)行的EDMF系統(tǒng)，在連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，能保持廢水(原木去除率約為100%)的長期細(xì)菌消毒效果。在80 d(一個(gè)操作周期)內(nèi)，膜壓(Transmembrane pressure，TMP)由0.8 kPa升高到22 kPa，清洗EDMF可以有效地恢復(fù)TMP和后續(xù)過濾周期的生物殺滅行為。相反，在7 d內(nèi)，沒有動(dòng)態(tài)膜的情況下，消毒效率從最初的100%原木去除率(沒有可檢測(cè)到的活菌)下降到44.4%原木去除率。活性氧(Reactive oxygen species，ROS)介導(dǎo)的氧化作用對(duì)EDMF內(nèi)的細(xì)菌消毒起主導(dǎo)作用，該系統(tǒng)產(chǎn)生的HO·和H2O2在EDMF中起主導(dǎo)作用，造成細(xì)胞膜損傷和細(xì)胞液中的K+滲漏。此外，過氧化氫酶和超氧化物歧化酶對(duì)細(xì)胞內(nèi)ROS的抑制作用減弱，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激增加，從而高效消毒。這些結(jié)果突出了EDMF系統(tǒng)用于廢水處理和消毒的潛力。

3.2 光催化消毒

近年來，光催化消毒技術(shù)引起了人們的極大關(guān)注，考慮到可見光占太陽光譜的很大一部分，發(fā)展可見光活性(Visible light-active，VLA)光催化劑來處理水污染勢(shì)在必行，一些新型光催化材料和系統(tǒng)已成為水消毒的理想選擇[37]。

Wang等[38]制備了高效、可回收、可磁選的Ag/AgCl/Fe3O4納米顆粒，并對(duì)其進(jìn)行了綜合表征，研究了其作為大腸桿菌K-12(E.colik-12)的光催化消毒劑。研究結(jié)果表明，Ag/AgCl/Fe3O4納米復(fù)合材料在可見光照射下對(duì)大腸桿菌K-12具有良好的殺菌性能，在0.2 g/L的條件下，60 min的最大滅活率為9.1-Log。連續(xù)5次穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了消毒性能的一致性，并重復(fù)使用5次，光催化消毒效果沒有顯著下降。Ag/AgCl和Fe3O4的協(xié)同作用也有助于提高光穩(wěn)定性和細(xì)菌滅活的可重復(fù)利用性。通過熒光分析、細(xì)胞形態(tài)、TOC水平和K+滲漏等研究了該體系潛在的消毒機(jī)理，結(jié)果表明，在現(xiàn)有的光催化體系中，細(xì)菌細(xì)胞的滅活始于細(xì)胞壁的破壞和細(xì)胞組分的滲漏。進(jìn)一步的光化學(xué)研究表明，H+、·OH和H2O2是重要的活性物種。結(jié)果表明，所制備的Ag/AgCl/Fe3O4納米復(fù)合材料在廢水消毒中具有良好的應(yīng)用前景。

水體中病原微生物的存在對(duì)人體健康構(gòu)成了極大的威脅，光催化消毒具有廣闊的應(yīng)用前景。Zheng等[39]以噬菌體f2及其宿主E.coil 285為模型微生物，研究了制備的Cu-TiO2納米纖維在可見光下的消毒性能。結(jié)果表明，所制備的Cu-TiO2納米纖維在可見光下對(duì)噬菌體f2和E.coil 285具有很好的去除能力。系列實(shí)驗(yàn)表明，初始pH值對(duì)光催化殺菌性能沒有顯著影響。在一定范圍內(nèi)，噬菌體f2的去除率隨催化劑用量、光照強(qiáng)度和溫度的增加而增加，隨初始病毒濃度的增加而降低。在病毒和細(xì)菌混合體系中，噬菌體f2比E.coil 285具有更強(qiáng)的抗光催化氧化能力，與E.coil 285混合后對(duì)噬菌體f2的去除有明顯的影響，而E.coil 285與噬菌體f2混合后幾乎保持不變。進(jìn)一步的研究表明，混合體系中的競(jìng)爭(zhēng)吸附對(duì)大腸桿菌285的滅活有一定的作用，而體相中的自由活性氧對(duì)噬菌體f2的滅活有重要作用。

Li等[40]研究合成了摻雜不同量還原氧化石墨烯(Pb-BiFeO3/rGO)的Pb-BiFeO3光催化劑。在可見光照射下(λ≥400 nm)，對(duì)革蘭氏陰性大腸桿菌(E.coli)和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(S.aureus)進(jìn)行了光催化消毒效果評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，添加0.5%rGO(Pb-BiFeO3/0.5%rGO)的Pb-BiFeO3消毒效果最好。大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別在30 min和90 min內(nèi)完全滅活。分析結(jié)果表明，Pb-BiFeO3/0.5%rGO能解除大腸桿菌細(xì)胞膜損傷和氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因的調(diào)控。通過核酸或蛋白質(zhì)的細(xì)胞滲漏，細(xì)菌的透射電鏡圖像，以及引入羥基自由基清除劑(HO·)導(dǎo)致的消毒效率下降，證實(shí)了這一點(diǎn)。光催化劑釋放的金屬離子(Pb2+、Bi2+、Fe3+)對(duì)消毒過程沒有貢獻(xiàn)。我們的結(jié)果首次闡明了Pb-BiFeO3/rGO對(duì)大腸桿菌的光催化消毒機(jī)理主要與HO·產(chǎn)生的氧化應(yīng)激和直接接觸光催化劑導(dǎo)致的膜完整性喪失有關(guān)。經(jīng)過4個(gè)連續(xù)循環(huán)后，Pb-BiFeO3/0.5%rGO光催化劑具有很強(qiáng)的抗菌性能。Pb-BiFeO3/0.5%rGO具有良好的消毒效果和穩(wěn)定性，說明該光催化劑在飲用水消毒方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

污水處理廠出水是最有可能攜帶有機(jī)物的散裝水體之一，具有很好的捕能效果，但也含有復(fù)雜的低濃度不可降解有機(jī)物。Zhang等[41]創(chuàng)新性地將高效摻鉺鋁氧化鋅光陽極光催化燃料電池(Photocatalytic fuel cell，PFC)應(yīng)用于污水處理廠出水處理，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物的同步高級(jí)去除、細(xì)菌消毒和可觀的發(fā)電量。在所構(gòu)建的可見光驅(qū)動(dòng)PFC系統(tǒng)中，化學(xué)需氧量和溶解有機(jī)碳的去除率分別達(dá)到69.7%和53.0%?？扇苄晕⑸锂a(chǎn)物明顯減少。細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌(E.coli)計(jì)數(shù)均顯示出99%的消毒效率。同時(shí)觀察到先進(jìn)的發(fā)電能力，其中開路電壓、短路電流密度和最大功率密度分別為0.55 V、9.13 μA/cm2和1.83 μW/cm2，填充系數(shù)高達(dá)0.36。綜上所述，提出的PFC為污水處理廠污水回用和清潔能源發(fā)電提供了更多的機(jī)會(huì)。

4 結(jié)束語

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，消毒技術(shù)已經(jīng)變得較為成熟，常規(guī)消毒依然是目前污水消毒應(yīng)用最多的技術(shù)，但是常規(guī)消毒工藝有一定的弊端，如在水處理過程中會(huì)產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境和人體造成危害等。隨著水污染的加劇，新消毒工藝的出現(xiàn)是必要的。在未來，新型消毒技術(shù)將會(huì)是消毒領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，特別是在光催化消毒技術(shù)，可以研究性能好的催化材料，來提升消毒能力和效率。研究表明，光催化技術(shù)在水消毒領(lǐng)域具有很大的潛能，還有研究者利用光催化技術(shù)將污水廠和發(fā)電廠結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了廢物再利用，為未來的污水回用和能源節(jié)約提供機(jī)會(huì)，同時(shí)也為解決水資源污染問題提供方法。