饮用水生物膜中二氧化氯和绿泥石的消毒效率

水利研究39 （2005 ）1809至1817年饮用水生物膜中二氧化氯和绿泥石的消毒效率G.A.Gagnon*a，J.L.Rand a，K.C.O Leary b，A.C. Rygel a，C. Chauret c R.C. Andrews da土木工程系，达尔豪斯大学，巴林顿街1360，哈利法克斯，NS ，加拿大B3J2X4b温斯顿塞勒姆，NC27101 ，美国c生物和物理科学，印第安纳大学，IN46904 - 9003 ，美国d土木工程系，多伦多大学，多伦多，加拿大MIS 1A44收到2004年10月1日；收到2005年2月4日的修订表格；2005年3月16日在网上提供摘要饮用水厂现在正详细研究持续消毒的消毒系统。

本研究主要是亚氯酸盐离子和二氧化氯（ClO2）对生物膜控制的效率的比较。

绿泥石被选择用来监测，他们在分配系统中通常作为副产品，因此二氧化氯分为初级和中级消毒。

前研究曾报告，在分配系统中亚氯酸盐离子可以有效地缓解硝化。

环形反应堆中包含聚碳酸酯和铸铁，被用来模拟水质状况。

通过四周驯化，个别环形反应堆可以并行运作，绿泥石的高浓度（0.25 mg / L）和低浓度（0.1 mg / L）以及二氧化氯的高浓度（0.5 mg/ L ）和低浓度（0.25 mg / L）作为环形反应堆衡量标准，另一套载有铸铁和聚碳酸酯的环形反应堆作为控制，并没有任何消毒作用。

数据显示当绿泥石的百分含量很低的时候不能有效的使异养菌对数减少。

附着异养菌的绿泥石介于0.20和0.34 。

二氧化氯在对数减少情况下，异养菌从0.52增至1.36。

无论是对铸铁还是聚碳酸酯，高剂量的二氧化氯会使悬浮异养菌有最大的对数减少。

这些数据表明，在分配系统中要控制微生物再生，保持二氧化氯残留浓度是有必要的。

关键词：消毒系统、二氧化氯、绿泥石、生物膜、消毒、异养菌作者电话： 19024943268 ；传真： 19024943108 。

电子邮件地址： graham.gagnon @dal.Ca 。

1.绪论初级消毒并在消毒系统中维持残留的消毒剂，被广泛采用来控制微生物污染物和细菌再生长。

二氧化氯是一个很强大的消毒剂和氧化剂，二氧化氯与游离氯的应用相比较低，这是由于他们对氧化反应机制贡献不同。

Lafrance等指出，当二氧化氯在两个水处理厂实施，在大多数样品中三卤甲烷小于检出限2ug / L。

其他好处就是作为消毒剂二氧化氯的消毒效率与绿泥石相比有更广的pH值的范围，并有能力灭活氯气的抗性。

此外，二氧化氯不与氨或一次氨，二次氨反应，因此增加了二氧化氯对氯气的需求。

关注二氧化氯在饮用水处理中的应用可以提高毒理学研究的成果，但是试图用二氧化氯处理饮用水的研究报告都没有定论或还未能证明。

亚氯酸盐离子是一个已知的二氧化氯的副产物。

当应用于饮水时，部分的二氧化氯将形成亚氯酸盐离子与天然有机物反应。

二氧化氯可以形成不同浓度的亚氯酸盐离子，同比例介于30 ％和70 ％之间。

在处理铁盐，软化和连接接触颗粒活性炭期间，绿泥石可以被移除的。

Eisnor和Gagnon发现在铸铁管回路中亚氯酸盐离子处于低腐蚀速率。

具体来说，据报道在管道回路中，与二氧化氯，游离氯，氯胺，和没有添加消毒剂的控制系统相比，用亚氯酸盐离子进行消毒的腐蚀速率是最低的。

此外，McGuire 等人认为，在分配系统中硝化的原因是二氧化氯作为消毒剂灭活氧化胺很有潜力，尤其McGuire报告说，全尺寸的系统中发生硝化可以从氯胺转化到绿泥石。

在这项研究中，发现亚氯酸盐离子有一个可灭活氧化胺的强大潜力，但没有提供任何关于对异样微生物有影响的资料。

因为亚氯酸盐离子是二氧化氯的一个副产品，作为二次消毒那种化学物质提供长远利益在文献上并没有清楚地数据显示。

这个项目的目标是为了确定受控条件下的实验室里，相对于二氧化氯，亚氯酸盐离子对异养生物膜的控制程度。

2.材料与方法2.1分配系统的模型描述环形反应堆（ARS）用来代表分配系统。

每个环形反应是由外层玻璃圆筒的内转鼓组成的。

变速电机位于反应堆控制轮换鼓上，反过来又控制着外筒壁上的剪应力。

进水水流通过环形路线，在转鼓中混合，其中尾水管用来确保有足够的垂直和水平横向分布。

水力停留时间被容积流率控制为2小时。

总工作体积约为950毫升。

每个环形反应维持的温度为20 度左右，固定转速50rpm ，外壁剪应力大约0.25N/m。

相当于在100毫米直径管道中以0.30米/秒的速度流动，并且与其他试点和替补规模的剪切条件是相似的。

所有非透明的暴露表面被覆盖用来使营养物质生长对数减少。

来自Halifax 和NovaScotia的自来水被用来作为环形反应堆的主要工艺水，使用前该塔水是经过活性炭过滤的，用来消除存在于自来水中的游离氯。

活性炭过滤器在自来水中被用来除去BOM ，使含有机碳的无菌水也同时泵入每个环形反应堆。

乙基醇，丙醛，草酸，丙酮酸，醋酸等难降解有机化合物被选中，是因为他们在饮用水中使对消毒剂没有反应。

在摩尔浓度和氧气需求一定的条件下，每个化合物添加到可生物降解的有机物质中。

浓度为100微克C/L有机碳为了确保限制碳机制应用于所有实验结论，环形反应堆也注入单独的氮肥和磷肥。

该解决方案就是被注入到环形反应堆的C ：N：P比例为100:20:5。

在整个实验中混合进水保持恒定组成，并补充衬底监测以比较生物膜增长的使用率。

2.2试验设计其中的一个有聚碳酸酯环形反应堆与铸铁环形反应堆没有注入任何消毒剂，并作为对照组。

绿泥石和二氧化氯被用来作为二级消毒剂。

亚氯酸盐离子是从氯酸钠溶液中提取的，并使用接触颗粒活性炭过滤，随水流入环形反应堆。

亚氯酸盐离子残留浓度达到0.1 和0.25毫克/升。

其余环形反应堆也使用接触颗粒活性炭过滤并被注入二氧化氯。

二氧化氯是根据类似的方法作为测试水和废水标准的方法。

该方法包括加入强酸性亚氯酸钠并用一个加满Milli-Q（超纯水）的天然气洗瓶，放置在冰浴中冷却来收集二氧化氯。

这个方法产生原液浓度范围从2.0变到5.0g/l，并且影响了除二氧化氯以外的所有其他含氯物质。

二氧化氯被注入到环形反应堆，使污水残余浓度达到0.25 和0.5毫克/升。

在所有反应堆中对生物膜进行为期 4 星期的驯化以达到稳定状态，其中所有环形反应堆应用的消毒剂的驯化期为12周。

2.3分析方法采样和检验作为水和废水标准的试验方法。

微生物指标每星期进行监测，并且消毒剂浓度、流量、温度和pH值每周测量2-3次。

二氧化氯和绿泥石残渣用检测限为0.05毫克/升的丽丝胶分光光度测定法测定。

异养菌R2A琼脂采用扩频板技术，在R2A琼脂上，在20摄氏度条件下持续7天可以完成。

吖啶橙直接计数（aodc ）用于所有微生物细胞。

一毫升的样品和1毫升的0.1 ％吖啶橙混合5分钟。

将该混合物用黑色硝酸纤维素过滤器过滤，再用显微镜观察过滤器，并利用图像分析系统进行计算。

聚碳酸酯被移除并以无菌的试验样材代之，这被认为是每周一次的在环形反应堆的采样。

他们转入含有25毫升蒸压磷酸盐缓冲液（ PBS ）和0.1 ％硫代硫酸钠的150毫升试管中。

附细胞被及时使用清除方法排除了，相较之下，发现异氧菌有3倍的增加。

该混合生理盐水溶液，存入无菌袋以确保有足够的移动空间，运转速度为2分钟230转。

该散装液体转移到无菌的15毫升塑胶管中并镀上琼脂加以分析HPCs。

铁试验样材用来消除生物材料，因为此容器不能用来处理金属。

CTC的还原用来衡量活细胞。

从每个样品中准备一系列稀释样品，每一个适当稀释样本中的1毫升样本在磷酸缓冲液中与1毫升的CTC中混合并老化。

CTC 的终浓度为5mM。

在20摄氏度培养2 h，样品用黑纤维素硝酸过滤器过滤，并且用PBS洗涤一次。

然后用显微镜观察该过滤器，在25个不同的随机选择的领域中对荧光红色细菌细胞计数。

它们自动的利用图像分析机和CCD数码相机进行计数。

2.4 数据分析方差分析测试，用来比较各种组合中消毒剂剂量的影响程度和比较使生物膜增长的消毒剂类型。

水质参数的测量中，平均进水与出水值之间存在着不同。

3.结果3.1驯化/前消毒期数据该环形反应堆运作四星期，消毒工作需要稳定状态生物膜条件。

预消毒条件，确定了环形反应最终将没有任何消毒剂、二氧化氯和亚氯酸盐离子。

在驯化期间散装水整体异细菌细胞55⨯±⨯CFU/ml。

铸铁表面上HPC与聚碳酸8.810 3.7810酯的计数相比较低，数量分别为441.0410 4.5910⨯±⨯。

对⨯±⨯和547.5710 3.6510于AODC，铸铁和PC仍有显著差异。

前期消毒，生物膜的密度的均值和标准差分别为668.5910 2.4610⨯±⨯和65⨯±⨯。

对于生物膜异养细菌，铸铁的统计数目较高于聚碳酸酯。

1.1410 5.010驯化过程中，把异养细菌和生物膜异养细菌移入25毫升样本容器中，它们存在明显的区别。

除了异养细菌和总的细胞数，死细胞和活细胞计数也是研究中的分析试样。

表一中所提供的数据为散装水中的活细胞和生物膜细菌，根据总数和非活细胞计数的区别分别计算。

对于生物膜非活细胞数量为66⨯±⨯和3.1710 1.3710665.6310 2.6310⨯±⨯和2.1310 1.5410⨯±⨯。

相应的活细胞数为5566cm。

⨯±⨯CFU/22.2910 1.3410总细胞中异氧细胞的比率测定以确定可培养细菌在散装水和生物膜中的比例. 平均比率为0.120.05±，这表明很多可培养±，生物膜的平均值为0.290.12细菌附着在试验样材上。

水中聚碳酸酯的比例是0.100.03±，铸铁试验样材为±。

0.140.06表一在驯化和消毒期间可行和总细胞的数量环形反应推驯化消毒水中活细胞(个∕毫升)水中总细胞(个∕毫升)生物膜活细胞(个∕cm2)生物膜总细胞(个∕cm2)水中活细胞(个∕毫升)水中总细胞(个∕毫升)生物膜活细胞(个∕cm2)生物膜总细胞(个∕cm2)聚碳酸酯试验样材9.27×105 1.25×106 1.44×106 3.73×106 2.17×105 3.70×105 1.74×106 3.17×106铸铁 4.28×105 6.91×105 2.73×105 3.74×105聚碳酸酯试验样材二氧化氯（低浓度）5.53×1058.49×105 1.95×106 3.81×106 1.11×105 2.59×105 5.38×105 1.41×106铸铁二氧化氯（低浓度）5.47×1057.25×1059.40×105 2.29×105聚碳酸酯试验样材二氧化氯（高浓度）2.79×105 5.42×105 4.31×105 6.44×106 4.80×105 1.83×1058.50×105 2.00×106铸铁二氧化氯（高浓度）4.17×1058.71×1055.25×105 2.27×105聚碳酸酯试验样材绿泥石（低浓度）6.97×105 1.04×106 1.11×106 5.11×106 1.99×105 4.63×105 3.25×106 5.39×106铸铁绿泥石（低浓度）2.77×105 5.08×105 2.46×105 5.57×105聚碳酸酯试验样材绿泥石（高浓度）9.58×105 1.59×105 2.54×106 4.52×106 2.55×105 4.08×105 3.16×106 5.09×106铸铁绿泥石（高浓度）4.28×105 6.98×105 1.65×105 4.24×105表二在驯化和消毒期间AODCs 中异氧菌的比率环形反应堆驯化期间总细胞中可培养的比例后期消毒总细胞中可培养的比例水中细胞数生物膜细胞数水中细胞数生物膜细胞数聚碳酸酯试验样材 1.02×10-1 3.27-1 1.17×10-1 3.01×10-1铸铁9.97×10-28.50×10-2聚碳酸酯试验样材8.89×10-2 1.85-1 4.21×10-4 6.67×10-2二氧化氯（低浓度）铸铁1.18-1 6.59×10-3二氧化氯（低浓度）聚碳酸酯试验样材1.49-1 1.29-18.20×10-5 3.50×10-3二氧化氯（高浓度）铸铁4.25×10-2 1.80×10-4二氧化氯（高浓度）聚碳酸酯试验样材1.36-1 1.19-1 1.90×10-27.14×10-2绿泥石（低浓度）铸铁2.07-1 1.01×10-1绿泥石（低浓度）聚碳酸酯试验样材8.99×10-2 3.81-1 3.60×10-2 2.08×10-1绿泥石（高浓度）铸铁1.73-17.88×10-2绿泥石（高浓度）3.2 后期消毒异氧菌的数据三个环形反应堆中一个没有消毒，另外两个分别用二氧化氯和亚氯酸盐离子消毒。