紫外联合消毒工艺去除供水管网中枯草芽孢杆菌的应用研究

作     者：王锐敏 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙韶华;贾瑞宝

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：枯草芽孢杆菌 耐氯菌 单一消毒工艺 联合消毒工艺 响应面分析 

摘      要：饮用水生物安全性问题备受人们的关注,耐氯菌的出现给水处理行业带来了极大的挑战。本研究以管网水中分离得到的耐氯性枯草芽孢杆菌为受试微生物,开展了氯、紫外线、二氧化氯、过硫酸氢钾四种单一消毒方式对受试生物的灭菌效果及消毒动力学特征研究。在此基础上,选取基于紫外线的联合消毒工艺,考察了联合消毒对受试生物的灭活效果,探讨了不同消毒剂与紫外线消毒的组合顺序对耐氯菌灭活效率的影响,筛选出灭活供水系统耐氯性枯草芽孢杆菌的最优工艺,并通过响应面分析对最优工艺组合条件下的参数进行了优选,主要研究结果如下:单一消毒方式对耐氯性枯草芽孢杆菌灭活研究结果表明,氯、紫外线、二氧化氯、过硫酸氢钾四种消毒剂灭活枯草芽孢杆菌效率较低,室温条件下,浓度为1 mg·L的氯消毒剂对枯草芽孢杆菌灭活240 min时灭活率仅为0.34 lg,同等有效氯条件下二氧化氯(0.38 mg·L)消毒120 min,灭活率为0.35 lg。二氧化氯浓度2.4 mg·L,消毒120min枯草哑巴杆菌的灭活率达到3.4 lg。同等有效氯条件下氯消毒(6 mg·L)灭活率为4.26 lg。即有效氯相同时,消毒剂浓度增大,氯消毒的灭活效果要大于二氧化氯消毒。氯浓度为3.0mg·L、6.0 mg·L对枯草芽孢杆菌灭活率达到99.9%时CT值分别为157mg·min L和120 mg·min L。二氧化氯消毒灭活率达到99.9%时CT值为100 mg·min L。饮用水常用紫外线剂量标准为40 mJ·cm。本研究中,当紫外线辐射强度40 mJ·cm时灭活率分别为0.98 lg。紫外线辐射强度为160 mJ·cm时,枯草芽孢杆菌的灭活率为4.1 lg。不同浓度过硫酸氢钾对枯草芽孢杆菌的灭活率较低,本研究中所选择过硫酸氢钾浓度为25 mg·L,50 mg·L,75 mg·L,枯草芽孢杆菌灭活率在0.23 lg左右,灭活效率不明显。通过Chick模型、Chick-Watson模型、Hom模型、一阶动力学模型对紫外线、氯、二氧化氯三种单一消毒工艺进行消毒动力学分析。其中氯消毒的最优动力学模型为Hom模型,根据数据分析获得最佳消毒拟合模型:=0.036CT,说明氯在消毒过程中,枯草芽孢杆菌的存活曲线不是直线型而是曲线型,消毒剂浓度(C;mg·L)、灭活时间Time;min)均对灭活率的产生影响。二氧化氯消毒的最优动力学模型为Chick模型,消毒拟合模型:=0.03CT,表明可以用一级反应来表达二氧化氯对枯草芽孢杆菌的灭活速率。紫外线灭活枯草芽孢杆菌不符合简单的一阶动力学方程,拟合方程为:N=Nexp(-0.51It)。灭活系数k=0.51这一结果略大于美国EPA设计手册中推荐的k=0.067～0.38 cm?(W·s)数值范围,枯草芽孢杆菌对紫外线消毒具有极强的抗性。过硫酸氢钾在所选消毒剂浓度条件下灭活率均较低且变化不明显,故不能用动力学模型对其进行表述。本研究选取氯、二氧化氯、过硫酸氢钾三种消毒剂与紫外线联合消毒,对枯草芽孢杆菌的灭活率进行探讨,结果表明消毒剂联合顺序对灭活效果影响较大,先进行消毒剂预处理后进行紫外线消毒,耐氯菌的灭活效率得到增强。氯浓度4 mg·L,紫外线强度80 mJ·cm,时间60 min先进行氯消毒预处理后进行紫外线消毒(氯-紫外线)联合消毒工艺灭活率为4.56 lg,比同等条件单一消毒灭活效率之和高出1.4 lg,协同效应显著;先进行紫外线消毒预处理后进行氯消毒(紫外线-氯)联合消毒工艺对枯草芽孢杆菌的灭活率为3.3 lg,无明显协同效应。同等有效氯条件下二氧化氯-紫外线联合消毒工艺二氧化氯浓度1.6 mg·L,紫外线强度80 mJ·cm,时间60 min灭活率为3.8 lg,二氧化氯-紫外线联合工艺具有一定的协同效应,但灭活率低于氯-紫外线联合消毒工艺;二氧化氯而先进行紫外线消毒预处理后二氧化氯进行消毒(紫外线-二氧化氯)联合消毒工艺对枯草芽孢杆菌的灭活率为2.15 lg,无明显协同效应。紫外线-过硫酸氢钾联合消毒工艺在消毒剂最大浓度实验条件下(过硫酸氢钾浓度75 mg·L,紫外线强度80 mJ·cm,时间60 min),过硫酸氢钾-紫外联合消毒工艺对枯草芽孢杆菌的灭活率为2.32 lg,同等条件下紫外线-过硫酸氢钾联合消毒工艺灭活率仅为1.4 lg,不具有协同作用。综上结果可知先进行消毒剂预处理后进行紫外线消毒,枯草芽孢杆菌的灭活率要远大于先进行紫外线预处理后进行消毒剂消毒,且先进行氯消毒预处理后进行紫外线联合消毒工艺协同效果最为明显。本研究以管网水中分离的耐氯性枯草芽孢杆菌为例,对饮用水中细菌消毒剂抗性及消毒剂联用工艺的灭活效果,挑选出氯-紫外线为耐氯性枯草芽孢杆菌的最优消毒工艺,研究结果为耐氯性细菌的控制及饮用水生物稳定性的提高提供了技术参考。