CN103609591A - 一种城市尾水消毒药剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市尾水复合消毒药剂及其应用，以重量百分含量计，由如下组分制成：复合群体感应抑制剂20～40%；次氯酸钠20～40%；表面活性剂20～30%；无机高分子混凝剂10～20%；复合增溶剂0～20%。本发明以群体感应抑制剂为主，与具有消毒、杀菌、混凝等功能的次氯酸钠、表面活性剂和混凝剂经复配制成，本发明的复合消毒剂用于城市尾水的深度处理，能提高消毒杀菌效力，且更加安全、环保和高效。
Description
技术领域
本发明涉及水处理应用领域，具体涉及一种城市尾水消毒药剂及其应用。
背景技术
随着我国城镇化建设和水平不断提高，城市人口急剧增长，居民对生活品质的要求也在不断提升，城市污水处理厂出水对水体造成的影响也引起人们对健康和安全问题的广泛关注。一般城市污水经过二级处理后，水质已经得到改善，细菌含量也大幅度减少，但细菌的绝对数量仍然很高，并存在有病原菌的可能性，必须去除这些微生物以及一些难去除的微量无机或有机污染物后，废水才可以安全地排入水体或循环使用。我国在2002年底颁布的《GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定污水处理厂出水必须进行消毒处理，并要求执行二级标准和一级B标准的污水处理厂大肠菌群数的最高允许排放浓度不得超过104个/L。
消毒灭菌是水质净化的最后一道工序，目前常用的水处理消毒的方式主要有卤素消毒（如氯气、二氧化氯）、辐射消毒（如紫外线）、氧化剂消毒（如臭氧、过氧乙酸）等。其中氯消毒由于药剂易得，价格便宜，技术成熟，工艺简单，投加量准确，且不需要庞大的处理设备等优点是目前城市污水处理厂应用最普遍的消毒技术，但是还存在二次污染和产生消毒副产物的缺点；二氧化氯消毒的杀菌效果好，不产生有害消毒副产物，投放简单方便且不受pH影响，但由于其具有爆炸性且成本相对较高；臭氧消毒主要用于中段水处理，优点是接触时间短，具有较强的消毒和脱色效果，无毒且能使水中溶解氧增加，缺点是投资大且水中O3不稳定；紫外消毒安全简单但是受光强和水质的影响大，且投入成本及设备维护费用较高。
在现有技术中，如果使用单一组分的消毒剂会产生投加量大、杀菌品种单一、消毒效果差、容易产生耐药性的缺点。而具有协同作用的配方相比单一组分有增效作用，且可以克服单一组分的杀菌剂弱点，还能降低成本。
细菌群体感应（Quorum sensing，QS）现象在自然界普遍存在，QS作为细菌在长期的进化选择压力下形成的广泛使用的“语言交流”调控调节机制之一，在细菌适应不断变化的环境过程中发挥着十分重要的作用。研究表明，一些物质对细菌QS有抑制或干扰作用，可阻断细菌间的“细菌交流”，达到抑菌的效果。AHLs，AI-2，AIP是群体感应信号分子中最主要的三个种类，包括了革兰氏阴性细菌和阳性细菌的种内和种间的信号传递与交流，而呋喃酮类物质、吲哚、AIP类化合物等针对这三种信号分子能分别表现出抑制群体感应现象发生的效果，这些物质可以通过抑制烯酰基-ACP活性来阻断信号分子的合成或阻断信号分子与受体蛋白结合等方式来达到抑制群体感应现象发生的目的；而群体感应现象的消失有利于破坏微生物的生物膜形成及其稳定，从而减弱其抗性，在其他消毒药剂成分基础上起到增效的作用，减少药剂使用量而增强杀菌消毒效果。
申请号为201010250401.4的中国发明专利申请公开了一种枯草芽孢杆菌降解细菌群体感应信号及作为抗菌剂的用途，通过枯草芽孢杆菌的筛选、分离和纯化等的过程可以抑制铜绿假单胞菌生物膜的形成，进一步将其作为抗菌剂，应用于抑制假单胞菌属、土壤杆菌属、肠杆菌科或弧菌科的细菌，可作为外用药膏、外用液体药剂、口服药片、口服液、消毒剂、清洁剂或水质改良剂。但是由于其制备过程较为复杂，成本较高且对大肠杆菌、肠球菌属影响不大（王城，等.中国农学报，2010,26（3）：23-26），一定程度上制约了枯草芽孢杆菌的抑菌应用也较难大规模的使用。申请号为200810030166.2的中国发明专利公布了一种新型复方季铵盐消毒剂及制备方法，虽然具备杀菌光谱、效果稳定、无毒、无刺激等优点但是由于其长时间的使用历史而容易带来抗菌过程中的耐药性问题。
发明内容
本发明提供了一种城市尾水消毒药剂及其应用，以群体感应抑制剂为主，与具有消毒、杀菌、混凝等功能的次氯酸钠、表面活性剂和混凝剂经复配制成，能提高消毒杀菌效力，且更加安全、环保和高效。
一种城市尾水消毒药剂，以重量百分含量计，由如下组分制成：
上述各组分的质量百分比之和是100%。
优选地，以重量百分含量计，由如下组分制成：
上述各组分的质量百分比之和是100%。
本发明将不同种类群体感应抑制剂、次氯酸盐和表面活性剂及无机高分子化合物等作为杀菌消毒剂不仅可以提高杀菌效率减少药剂使用量还能扩大杀菌消毒的范围，同时此种新型复合消毒剂还能避免引起杀菌过程中的耐药性问题，是一种较为安全和环保的消毒剂。
作为优选，所述次氯酸盐为次氯酸镁、次氯酸钙、次氯酸钠和次氯酸钾中的至少一种。
次氯酸盐可以是次氯酸镁、次氯酸钙、次氯酸钠、次氯酸钾其中的一种，也可以采用其中的几种物质混合制成。
所述群体感应抑制剂可以单一抑制剂，例如，可以是4-硝基吡啶-N-氧化物、吲哚、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮、AIP类化合物、6-氨基青霉烷酸和香豆素中的其中一种，也可以采用上述组分混合成的复合群体感应抑制剂。
作为优选，本发明采用复合群体感应抑制剂，即：所述群体感应抑制剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
上述各组分的质量百分比之和是100%。
所述复合群体感应抑制剂的制备方法为将所有组分混合均匀。
采用复合群体感应抑制剂比单一组分的复合群体感应抑制剂效果更好，能更好的与其他组分协同作用，增强消毒效果，缩短消毒时间。
进一步优选，所述群体感应抑制剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
各组分的质量百分比之和是100%。
在该优选比例下混合得到的复合群体感应抑制剂可以进一步提高其与其他组分协同作用，增强消毒效果，缩短消毒时间。
其中，所述AIP类化合物的结构式如下图所示任一一种：
该化合物参考文献Scott R J,Lian L Y,Muharram S H,et al.Side-chain-to-tail thiolactone peptide inhibitors of the staphylococcalquorum-sensing system[J].Bioorganic & medicinal chemistry letters,2003,13(15):2449-2453中公开的方法合成。
作为优选，所述表面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵或/和双烷基二甲基氯化铵。
所述无机高分子混凝剂为聚合氯化铝铁或/和聚合硅酸铝铁。
所述增溶剂可以采用单一组分的增溶剂，例如可以是聚氧乙烯醚或无水碳酸氢钠，也可以采用复合增溶剂，本发明中作为优选，采用复合增溶剂，即：所述增溶剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
聚氧乙烯醚 50%～70%
无水碳酸氢钠 30%～50%。
采用上述混合比例的复合增溶剂的效果比单一组分的增溶剂效果更好。
本发明的消毒剂由如下方法制备：
首先将上述的群体感应抑制剂和次氯酸盐、表面活性剂、高分子混凝剂及增溶剂所需所有成分分别进行烘干，然后按各组分质量百分比称量，投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验合格后即得成品。
本发明消毒剂添加了次氯酸盐、表面活性剂和增溶剂后不仅可以促进群体感应抑制剂的溶解度增大，使其变成水溶性的物质提高其作为增效剂的使用效果；尤其是将消毒药剂压成片状之后，使用更加方便，计量更准确，更便于运输与贮藏。
本发明中选择的表面活性剂不仅具备对群体感应抑制剂增溶的效果，同时能和次氯酸盐结合群体感应抑制剂起到协同增效杀菌的作用，也能作为无机高分子混凝剂的增效剂。
经采用上述方案，本发明具有良好的经济和环境效益，其优点是与现有单一的氯消毒或表面活性剂或紫外消毒相比，应用了群体感应抑制剂破坏微生物生物膜的形成和结构的稳定，增强了次氯酸盐及表面活性剂季铵盐的协同杀菌作用，杀灭病毒和细菌的范围更广，提高了药效也降低了使用成本，使群体感应抑制剂作为消毒的增效剂，达到了既环保又避免细菌耐药性增加的要求。同时本发明的产品中添加了高分子絮凝剂聚合氯化铝铁或聚合硅酸铝铁的絮凝作用有助于去除一些难降解的无机有机污染物，防止和含氯物质形成“三致”污染物，并能在净化水质的基础上杀灭水中的微生物。
本发明还提供了一种如所述城市尾水消毒药剂在城市尾水深度处理中的应用。所述城市尾水消毒药剂在城市尾水中的投加量为1～20mg/L。
本发明的消毒剂不仅能降解无机和有机污染物，同时能够杀死水中的微生物，达到净化水质和消毒的双重作用。
本发明为高效、广谱消毒剂，对细菌、真菌、芽孢等有良好的消毒作用。可应用于城市污水处理厂尾水的消毒和杀菌灭藻。生产过程成本费用低，设备工艺操作简单，无“三废”排出，可实现工业规模化生产，具有显著的环境和经济效益。
附图说明
图1是本发明消毒药剂配方及制备过程流程图
图2是本发明消毒药剂水处理工艺流程图
具体实施方式
参照图1所示：首先将群体感应抑制剂和次氯酸盐、表面活性剂、混凝剂、及增溶剂所需所有成分分别进行烘干，然后按各组分质量百分比称量，投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验合格后即得成品。
成品复合消毒药剂用于处理城市尾水的流程如图2所示，将成品消毒剂投加到未处理水体中，混合搅拌、絮凝沉淀、杀灭细菌和降解污染物，最后处理完水体出水排放或循环利用。
以下结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，但并不限制本发明的范围。
以下实施例中，AIP类化合物参考文献Scott R J,Lian L Y,Muharram SH,et al.Side-chain-to-tail thiolactone peptide inhibitors of the staphylococcalquorum-sensing system[J].Bioorganic & medicinal chemistry letters,2003,13(15):2449-2453中公开的方法和结构式可以通过滨海瀚鸿生化有限公司进行人工合成，其他组分均为市售商品。
实施例1
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚20kg和无水碳酸氢钠18kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。然后称取吲哚30kg、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮30kg、AIP类化合物（结构式如式（1）所示，其中R1和如R2取第1种）20kg、6-氨基青霉烷酸20kg、香豆素20kg投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合增溶剂10kg、复合群体感应抑制剂30kg、次氯酸钠25kg、聚合氯化铝铁10kg、十二烷基二甲基苄基氯化铵25kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验满足中华人民共和国卫生部2002年颁布的《消毒技术规范》相应要求后即制得本发明的一种复合消毒药剂。
实施例2
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚30kg和无水碳酸氢钠20kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。然后称取吲哚25kg、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮25kg、AIP类化合物（结构式如式（1）所示，其中R1和如R2取第2种）18kg、6-氨基青霉烷酸18kg、香豆素18kg投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合增溶剂13kg、复合群体感应抑制剂35kg、次氯酸镁30kg、聚合硅酸铝铁12kg、十二烷基二甲基苄基氯化铵25kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验满足中华人民共和国卫生部2002年颁布的《消毒技术规范》相应要求后即制得本发明的一种复合消毒药剂。
实施例3
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚32kg和无水碳酸氢钠25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。然后称取吲哚23kg、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮23kg、AIP类化合物（结构式如式（2）所示，其中R1和如R2取第3种）16kg、6-氨基青霉烷酸16kg、香豆素16kg投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合增溶剂15kg、复合群体感应抑制剂40kg、次氯酸钙20kg、聚合氯化铝铁10kg、十二烷基二甲基苄基氯化铵20kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验满足中华人民共和国卫生部2002年颁布的《消毒技术规范》相应要求后即制得本发明的一种复合消毒药剂。
实施例4
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚35kg和无水碳酸氢钠25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。然后称取吲哚25kg、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮25kg、AIP类化合物（结构式如式（2）所示，其中R1和如R2取第4种）15kg、6-氨基青霉烷酸15kg、香豆素20kg投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合增溶剂15kg、复合群体感应抑制剂38kg、次氯酸钾23kg、聚合硅酸铝铁12kg、双烷基二甲基氯化铵22kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验满足中华人民共和国卫生部2002年颁布的《消毒技术规范》相应要求后即制得本发明的一种复合消毒药剂。
实施例5
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚30kg和无水碳酸氢钠25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。然后称取吲哚30kg、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮30kg、AIP类化合物（结构式如式（1）所示，其中R1和如R2取第1种）18kg、6-氨基青霉烷酸18kg、香豆素18kg投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合增溶剂12kg、复合群体感应抑制剂32kg、次氯酸钠12kg、次氯酸钙13kg、聚合氯化铝铁13kg、双烷基二甲基氯化铵22kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验满足中华人民共和国卫生部2002年颁布的《消毒技术规范》相应要求后即制得本发明的一种复合消毒药剂。
实施例6
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚35kg和无水碳酸氢钠25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。然后称取吲哚40kg、3,4-二溴-2(5H)-呋喃酮40kg、AIP类化合物（结构式如式（2）所示，其中R1和如R2取第3种）20kg、6-氨基青霉烷酸20kg、香豆素20kg投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。再称取十二烷基二甲基苄基氯化铵15kg和双烷基二甲基氯化铵25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合表面活性剂。然后取上述复合增溶剂15kg、复合群体感应抑制剂40kg、次氯酸镁20kg、次氯酸钾10kg、聚合氯化铝铁5kg、聚合硅酸铝铁10kg、复合表面活性剂30kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验满足中华人民共和国卫生部2002年颁布的《消毒技术规范》相应要求后即制得本发明的一种复合消毒药剂。
实施例7
本发明的复合消毒药剂可以作为城市污水处理厂尾水的消毒剂，其使用方法是以上述实施例任意一种复合消毒剂配制成浓度为1～20ppm的溶液分别对某城市污水处理厂的尾水进行处理。首先取少量尾水，经过测量细菌总数浓度为107～108CFU/mL。在1L排出尾水中投加复合消毒药剂1～20mg，经过两个小时的处理，底部产生微量沉淀，水质变得透明，取上清液进行进一步测试。使用细菌培养法培养处理后的尾水，经过12h培养后，水中的细菌总数浓度下降到100～103CFU/mL，杀菌率接近100%。
实验表明，以上6种制备的复合消毒药剂对大肠杆菌的杀菌率均接近100%，之后又对消毒出水进行细菌芽胞定量杀灭试验，经过消毒处理后的尾水中这些菌都几乎为零，而且水质也得到了改善，实验结果如表1所示。
表1 上述6个实施例制备的6种消毒剂的消毒效果现场试验效果
实施例8
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚20kg和无水碳酸氢钠18kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。取上述复合增溶剂10kg、次氯酸钠40kg、聚合氯化铝铁10kg、十二烷基二甲基苄基氯化铵40kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验合格后即制得和本发明对比的一种不含群体感应抑制剂的复合消毒药剂。
抑制剂将实施例1的新型复合消毒药剂和上述不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂在相同条件下应用于消毒测验：两者均配制成浓度相同的在5ppm范围的溶液分别对某城市污水处理厂的尾水进行处理。首先取少量尾水，经过测量细菌总数浓度为107～108CFU/mL。
分别在两个盛有1L排出尾水烧杯中投加新型复合消毒药剂和不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂5mg对比，经过两个小时的处理，应用本发明的实验装置底部产生微量沉淀，水质变得透明，取上清液进行进一步测试。使用细菌培养法培养处理后的尾水，经过12h培养后，水中的细菌总数浓度下降到100～103CFU/mL，杀菌率接近100%。
而应用不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂装置中虽然水质也变得清澈，但是细菌总数测定发现杀菌率不足30%，需要加大用药量才能达到相同效果。
实施例9
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚32kg和无水碳酸氢钠25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。取上述复合增溶剂15kg、次氯酸钙40kg、聚合氯化铝铁10kg、十二烷基二甲基苄基氯化铵40kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验合格后即制得和本发明对比的一种不含群体感应抑制剂的复合消毒药剂。
将实施例3的新型复合消毒药剂和上述不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂在相同条件下应用于消毒测验：两者均配制成浓度相同的在10ppm范围的溶液分别对某城市污水处理厂的尾水进行处理。首先取少量尾水，经过测量细菌总数浓度为107～108CFU/mL。
分别在两个盛有1L排出尾水烧杯中投加新型复合消毒药剂和不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂10mg对比，经过两个小时的处理，应用本发明的实验装置底部产生微量沉淀，水质变得透明，取上清液进行进一步测试。使用细菌培养法培养处理后的尾水，经过12h培养后，水中的细菌总数浓度下降到100～103CFU/mL，杀菌率接近100%。
而应用不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂装置中虽然水质也变得清澈，但是细菌总数测试发现杀菌率不足50%，需要加大用药量才能达到相同效果。
实施例10
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取聚氧乙烯醚35kg和无水碳酸氢钠25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合增溶剂。再称取十二烷基二甲基苄基氯化铵15kg和双烷基二甲基氯化铵25kg，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合表面活性剂。然后取上述复合增溶剂15kg、次氯酸镁30kg、次氯酸钾20kg、聚合氯化铝铁5kg、聚合硅酸铝铁10kg、复合表面活性剂50kg投入搅拌机中混合搅拌均匀，搅拌30分钟以上后用200目以上的筛子过筛，滤去较大的颗粒，将其压成片状消毒剂，经检验合格后即制得和本发明对比的一种不含群体感应抑制剂的复合消毒药剂。
将实施例6的新型复合消毒药剂和上述不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂在相同条件下应用于消毒测验：两者均配制成浓度相同的在20ppm范围的溶液分别对某城市污水处理厂的尾水进行处理。首先取少量尾水，经过测量细菌总数浓度为107～108CFU/mL。
分别在两个盛有1L排出尾水烧杯中投加新型复合消毒药剂和不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂20mg对比，经过两个小时的处理，应用本发明的实验装置底部产生微量沉淀，水质变得透明，取上清液进行进一步测试。使用细菌培养法培养处理后的尾水，经过12h培养后，水中的细菌总数浓度下降到100～103CFU/mL，杀菌率接近100%。
而应用不含复合群体感应抑制剂的消毒药剂装置中虽然水质也变得清澈，但是细菌总数测试发现杀菌率不足70%，需要加大用药量才能达到相同效果。
Claims (9)
1.一种城市尾水消毒药剂，其特征在于，以重量百分含量计，由如下组分制成：
2.根据权利要求1所述城市尾水消毒药剂，其特征在于，所述群体感应抑制剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
3.根据权利要求1所述城市尾水消毒药剂，其特征在于，所述AIP类化合物的结构式如下图所示任一一种：
4.根据权利要求1所述城市尾水消毒药剂，其特征在于，所述次氯酸盐为次氯酸镁、次氯酸钙、次氯酸钠和次氯酸钾中的至少一种。
5.根据权利要求1所述城市尾水消毒药剂，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵或/和双烷基二甲基氯化铵。
6.根据权利要求1所述城市尾水消毒药剂，其特征在于，所述无机高分子混凝剂为聚合氯化铝铁或/和聚合硅酸铝铁。
7.根据权利要求1所述城市尾水消毒药剂，其特征在于，所述增溶剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
聚氧乙烯醚 50%～70%
无水碳酸氢钠 30%～50%。
8.一种如权利要求1～7任一权利要求所述城市尾水消毒药剂在城市尾水深度处理中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述城市尾水消毒药剂在城市尾水中的投加量为1～20mg/L。
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