城市污水处理厂的尾水是一种非常稳定的城市水资源,将其再生利用可有效地缓解城市水资源短缺,尤其对工业用水的短缺具有非常重要的作用.无论出水直接排放还是深度处理后作为水资源回用工业，处理技术的最后环节均要求进行消毒，消毒是保障出水安全性的重要措施,紫外线消毒具有效率高、 消毒副产物少、 操作简单等特点,是污水处理厂最常用的消毒工艺,但紫外线不具有持久消毒能力,因而尾水中的细菌存在二次复活的能力^[1~3].因此，提高出水中紫外光消毒效果，抑制出水中微生物的光复活是当前紫外光消毒研究的热点之一.

TiO₂多相光催化氧化能力强，能无选择地将水中难降解的污染物氧化为水、 CO₂和N₂等无机小分子物质^{[4, 5]}，对水中细菌也具有强烈的广谱消毒能力，其消毒能力主要是通过破坏细菌的代谢、 破坏细菌体内的遗传物质或破坏细胞壁(膜)结构等作用^{[6, 7]},将其与紫外光消毒结合已经成为消毒技术研究的热点之一^{[8, 9]}.

本文拟采用TiO₂光催化与紫外光消毒技术相结合,进行水中细菌的灭活性能研究，并对单纯UV消毒和UV-TiO₂两种不同方法消毒后水中大肠杆菌和粪肠球菌的光复活性能进行研究，分析UV-TiO₂光催化联合消毒对再生水中大肠杆菌和粪肠球菌光复活能力的影响. 1 材料与方法 1.1 材料

菌种:大肠杆菌(Escherichia coli，1.1563)菌种购于中国普通微生物菌种保藏管理中心，将菌种接种到乳糖蛋白胨培养液中,恒温培养24 h，配制成试验用大肠杆菌悬液.粪肠球菌(Enterococcus faecalis，1.2003) 菌种购于中国普通微生物菌种保藏管理中心，将菌种接种到EC肉汤管内,置44.5℃±0.2℃水浴箱内,培养24 h±2 h后, 配制成试验用粪肠球菌悬液.

水样:取污水处理厂二次沉淀池出水(水质见表1)，将-80℃冰箱中的冰冻菌种融化后大肠杆菌和粪肠球菌菌悬液各接种100 mL于1000 mL营养肉汤培养基中,置于37℃的振荡培养箱中培养24 h,而后于10000 r ·min^-1离心10 min,弃去上清液,用灭菌生理盐水冲洗2次,重复离心分离10 min两次，最后将沉淀物溶于二次沉淀池出水中得到初始浓度约为10⁵ CFU ·L^-1的菌悬液试验水样，用以模拟污水处理厂二沉池出水的中的致病菌,该水样的保藏时间不超过24 h.

表1(Table 1)

表1 污水处理厂出水水质 Table 1 Water quality of the secondary effluent COD/mg·L-1 DOC/mg·L-1 UV254/cm-1 浊度/NTU pH 61~73 1.4~3.2 0.10~0.13 0.7~1.4 7.1~7.3

表1 污水处理厂出水水质 Table 1 Water quality of the secondary effluent

试验装置如图1 所示，采用自制光催化反应器，反应器中心区为紫外灯区，由低压汞灯提供紫外光，最外部为冷却水套管，中部为反应区，在反应区装填有玻璃纤维负载TiO₂/Fe³⁺光催化填料(填料装填量为1.533 kg, TiO₂负载量为78.17 g, 文中将其简称为TiO₂光催化填料), 为了对比TiO₂光催化消毒的效果，单纯UV消毒时在反应区装填有未负载TiO₂的玻璃纤维. 采用不同功率的灯管以实现不同紫外光强度，以反应区外径处所测得有效紫外光强度为参考，每次试验前首先进行2 h的灯管预热以稳定紫外灯管的工况.

图1

Fig. 1

图1 消毒反应流程 Fig.1 Experimental process

在如图1所示光催化反应器内，测试水样在254 nm波长下的吸光度, 采用UV-A型紫外辐照计测得反应器外壁处紫外线强度为0.24 mW ·cm^-2，在此强度下计算不同紫外剂量下的消毒时间^[10],相应的5 mJ ·cm^-2和20 mJ ·cm^-2紫外光剂量下的消毒时间分别为21 s和83.3 s. 1.4 消毒后细菌的光复活试验

经消毒后的水样立即进行光复活试验.试验在一个矩形水槽内进行，以40 W日光灯模拟太阳光，调整光源与水面的距离，研究在365 nm处9、 21和41μW ·cm^-2光源强度下水中细菌的光复活情况，以细菌浓度为考察目标，试验中未考虑空气中微生物对试验结果的影响. 1.5 细菌的计数方法

细菌计数采用平板菌落计数法，将一定量稀释后的水样和融化的营养琼脂培养基混合摇匀后置于37℃培养箱中培养24 h,计算平板上的菌落数，从而确定水中的细菌浓度^[11]，同一个水样做3个平行样. 2 结果与讨论 2.1 不同消毒方式对污水处理厂出水中大肠杆菌消毒效果的影响

水样分别在5 mJ ·cm^-2和20 mJ ·cm^-2紫外光剂量条件下，经单纯UV消毒和UV-TiO₂光催化联合消毒，对大肠杆菌的消毒效果如图2 所示.

图2

Fig. 2

图2 不同消毒条件对大肠杆菌的消毒效果 Fig.2 Effects of disinfection method on E.coli disinfection

根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)，出水中粪大肠菌群数的一级A排放标准为1000 个 ·L^-1, 而根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)中对紫外线消毒的规定，二级处理出水的紫外线剂量为15～22 mJ ·cm^-2. 由图2可见，当紫外线剂量为5 mJ ·cm^-2 时，消毒后水中大肠杆菌数量为7600个 ·L^-1，灭活率为96%，由此可见低剂量时单纯UV消毒是不能满足排放标准的. 而当采用UV-TiO₂光催化联合消毒时，即使在5 mJ ·cm^-2 低剂量条件下，消毒后水中的大肠杆菌也仅有734个 ·L^-1，细菌的灭活率为99.7%，已经满足排放标准. 由图2中还可以看出，在UV-TiO₂消毒条件下，5 mJ ·cm^-2和20mJ ·cm^-2 紫外剂量下水中大肠杆菌的数量分别为734个 ·L^-1和176个 ·L^-1，灭活率分别为99.7%和99.9%，均可满足排放标准. 而在同为20mJ ·cm^-2 的消毒剂量下，单纯UV消毒后大肠杆菌的数量为620个 ·L^-1，虽然也达到了排放标准，但是其灭活率低于UV-TiO₂联合消毒. 而对于粪肠球菌的消毒结论与大肠杆菌相类似，均存在UV-TiO₂联合消毒效果高于单纯UV消毒效果. 因此采用UV-TiO₂可以节省消毒时的能量消耗，且可以达到更高的致病菌灭活效果. 分析其原因，主要在于两种方法的消毒原理不同. 单纯UV消毒过程中，紫外光能够穿透细胞机体并破坏微生物细胞内DNA或RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡或破坏细胞的再生性能，或利用紫外光的能量引起微生物体内蛋白质的变性，使细胞内酶系失去作用而引起细胞死亡，达到灭菌的效果^{[12, 13]}. 而UV-TiO₂消毒过程中，对细菌的灭活主要是UV消毒和高级氧化消毒的联合作用. 首先是紫外光对水中微生物的灭活作用，同时，在紫外光的激发作用下，TiO₂表面生成具有强氧化作用的羟基自由基( ·OH)，羟基自由基( ·OH)氧化微生物细胞内的辅酶A，阻止微生物的呼吸作用，引起微生物的死亡. 羟基自由基( ·OH)的分子结构很小，很容易渗透进入微生物细胞内部，破坏细菌细胞壁的渗透作用，引起微生物体内电解质的失衡而死亡. 羟基自由基( ·OH)的强氧化性还可以使细胞内蛋白质变性，从而使微生物细胞内的酶系失去作用. 最后,具有强氧化作用的羟基自由基( ·OH)还可以直接氧化微生物细胞物质为CO₂、 H₂ O等无机物，从而引起微生物的死亡^{[14,15,16,17]}. 因此，UV-TiO₂联合作用消毒效率要远高于单纯紫外光消毒. 2.2 复活光强对大肠杆菌光复活的影响

含有大肠杆菌的水样分别经过20mJ ·cm^-2单纯UV和20mJ ·cm^-2 UV-TiO₂光催化消毒后，出水置于不同复活光强度下进行照射，从而得到细菌的光复活情况，试验结果如图3所示.

图3

Fig. 3

图3不同消毒条件下复活光强对大肠杆菌光复活的影响 Fig.3 Effects of disinfection method and light intensity on photoreactivation of E. coli

从图3 可以看出，水样分别经单纯UV消毒和UV-TiO₂光催化消毒后，大肠杆菌的光复活能力表现不同. 经UV-TiO₂消毒后大肠杆菌光复活能力明显下降.复活光强度不同,其复活能力也不同.在单纯UV消毒条件下,出水在9、 21和41 μW ·cm^-2复活光强下均发生明显的光复活，且复活光强越高，复活速度越快.主要原因是在较强复活光强度下，细菌恢复受损细胞结构所接受的能量越高，从而光复活速度也越快^[18，19]. 此现象表明，对于较小的细胞结构损伤,大肠杆菌可以利用较弱的光能完成复活过程,此结论与相关的研究类似^[20，21].而在UV-TiO₂光催化消毒时，不同复活光强时大肠杆菌的光复活率则明显不同.从图3(b)中可见，在0和9 μW ·cm^-2等较低的复活光强照射后，经20mJ ·cm^-2UV-TiO₂消毒后水样中细菌总量变化不大，在经历最初12 h照射后,水中细菌总数仍处于平衡状态，可能的原因是UV-TiO₂光催化消毒对细菌细胞结构损伤较大，低复活光强照射下受损细胞很难恢复，而部分受损较小的大肠杆菌在低照射条件下也需要经历较长的恢复期，经72 h照射后，大肠杆菌总数仍能满足一级A标排放标准. 只有在41mJ ·cm^-2的强复活光照射下，受损细胞在高能量补充下快速恢复，大肠杆菌才会出现较强的光复活情况，说明UV-TiO₂光催化消毒对大肠杆菌灭活效果高于单纯的UV消毒.

不同消毒方法对大肠杆菌的光复活速度影响也不同.从图3可见，单纯UV消毒时，在接触复活光的前12 h内，细菌在9、 21和41 μW ·cm^-2复活光强下的复活速率相差无几.而经20 mJ ·cm^-2 UV-TiO₂光催化消毒后的水样，在0和9 μW ·cm^-2等较低复合光照射下，在复活光照射的前12 h内，大肠杆菌的光复活速率较低，只有在21 μW ·cm^-2及其以上等较高的复活光强下大肠杆菌才出现较强的光复活速率. 2.3 复活光强对粪肠球菌光复活的影响

将含有粪肠球菌的水样分别放置于20 mJ ·cm^-2单纯UV和UV-TiO₂联合条件下进行消毒，消毒后水样的光复活试验结果如图4所示.

图4

Fig. 4

图4 不同消毒条件下复活光强对粪肠球菌光复活的影响 Fig.4 Effects of disinfection method and light intensity on photoreactivation of E. faecalis

从图4可以看出，水样中粪肠球菌的光复活状况与大肠杆菌的光复活情况类似，在复活光照射下均有不同程度的复活现象. 所不同的是，粪肠球菌对紫外光的消毒耐受力比大肠杆菌要高.在单纯UV消毒时，粪肠球菌在较低的甚至强度为0 的复活光条件下，12 h后其也产生了较明显的光复活现象. 在0、 9、 21和41 μW ·cm^-2的照射强度下，粪肠球菌2 h照射后平均光复活速率分别为21、 41、 58和98 CFU ·(L ·h)^-1，说明粪肠球菌的复活速率随着复活光强度的增加而增大.

而在UV-TiO₂消毒条件下粪肠球菌的光复活速率则明显不同.在羟基自由基( ·OH)与紫外线的共同作用下，粪肠球菌的光复活速率远小于单纯紫外光消毒的光复活速率. 如图4(b)所示，在0、 9和21 μW ·cm^-2等低剂量的复活光照射下，粪肠球菌几乎没有发生光复活，只有当光照强度增加到41 μW ·cm^-2以后，粪肠球菌才产生较低程度的复活. 在复活光照射过程中，粪肠球菌浓度最高点发生在8~24 h之间，最高浓度为580 CFU ·L^-1，最大复活速率为65 CFU ·(L ·h)^-1，复活速率远低于单纯UV消毒时的速率，这也说明UV-TiO₂光催化消毒的效率远高于单纯的UV消毒. 2.4 两种不同细菌在UV-TiO₂联合作用下消毒效果的比较

从以上试验结果可以看出，大肠杆菌和粪肠球菌这两种细菌对UV-TiO₂光催化消毒的敏感性有较大差别，大肠杆菌对UV-TiO₂光催化消毒的抵抗性较强，其光复活不存在阈值，在较低的复活光强度下即可产生一定的光复活现象，复活光强度越高，大肠杆菌的光复活率越高，显示出大肠杆菌有较强的光复活能力^{[16，22，23]}.但UV-TiO₂消毒对大肠杆菌的灭活能力显著，经该法消毒后即使在41 μW ·cm^-2的强复活光照射72 h后，水中大肠杆菌总数仍低于国家标准的限值，表明UV-TiO₂光催化联合消毒的强大消毒能力^[24，25].

而粪肠球菌对UV-TiO₂消毒的耐受力较弱，经UV-TiO₂消毒后粪肠球菌的复活存在一个明显的阈值^[20，26]，只有在复活光强度达到41 μW ·cm^-2时才会产生较明显的光复活，且复活率较低，而低于此阈值的复活光对粪肠球菌不会产生明显的光复活现象.

从以上试验结果可以看出，UV-TiO₂光催化消毒对不同菌种的损伤程度不同，其灭菌机制及消毒后细菌的光复活机制仍有待进一步深入研究，但是其强大的消毒效率以及对细菌光复活能力的抑制效果是不容忽视的，UV-TiO₂光催化联合消毒技术值得大力推广应用.

3 结论

(1) 相比单纯紫外光消毒，UV-TiO₂联合的消毒效率要远高于单纯的UV消毒. 采用UV-TiO₂光催化消毒，即使在5 mJ ·cm^-2 的低紫外光照射剂量下，也可使排放水中的大肠杆菌灭活达到排放标准的要求.

(2)不同消毒方法对再生水中大肠杆菌的光复活影响不同. 经单纯UV消毒后大肠杆菌对复活光的敏感性较弱，在较低复活光的照射下大肠杆菌也会出现较强的光复活情况. 而经UV-TiO₂联合消毒后，大肠杆菌只有在较强的复活光照射下才会产生一定的光复活现象，且总的复活率较低，出水在41 μW ·cm^-2强度下经72 h照射后大肠杆菌总数仍低于国家标准的限值.

(3) UV-TiO₂消毒对粪肠球菌的光复活抑制现象明显，在低复活光的照射下粪肠球菌几乎不发生复活现象，只有在较强的复活光照射下才会产生一定的光复活，说明UV-TiO₂对粪肠球菌的消毒效率强大.