CN110092433A - 一种基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法 - Google Patents

一种基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于调控活性炭介质以减少饮用水处理中致病菌泄漏的方法，本发明以粪球肠菌为例，通过设计室内柱实验发现，当使用粒状活性炭，并将活性炭粒径控制在0.8mm以下时，能增加致病菌的沉积量，有效减少致病菌的泄漏，这对防止致病菌从活性炭滤池中泄漏出去并随微小颗粒躲过消毒工艺进入自来水管网而给水质安全带来威胁有着非常重要的意义。

Description

一种基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法
技术领域
本发明属于饮用水水质安全领域，提出了一种基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法。
背景技术
根据有关报道在全球范围内，2012年饮用不合格水源或受粪便污染水源的人口大概有10亿。饮用水水质安全与人们的生活质量、身体健康息息相关，而饮用水中的微生物则是影响人们身体健康的关键。近年来，随着对肉类产品需求的不断增加，我国畜牧业发展十分迅速，因此产生了大量的畜禽粪便。有研究表明，中国每年畜禽粪便总量高达25亿吨。由于养殖场数量的庞大且不断扩增，很多省份的禽畜粪便使用量均超过了当地的环境容量，无法得到合理利用，因此被随意排放到环境中。由于动物的粪便中存在多种的微生物，有些微生物对人类与动物均具有致病性，如果这些粪便未经合理处理排放就到环境中，会对水源造成了明显的粪便污染，也会给人类带来疾病。另外生活污水、医院污水以及垃圾等污染物的随意排放，使得细菌、病毒等病原微生物进入到水体环境中，人类接触、饮用以及食用被此类水污染的食物后有可能带来疾病。
近年来许多学者为了探讨细菌在地下水中的迁移规律，以石英砂、土壤颗粒、玻璃柱等介质模拟地下含水层介质，通过设计室内柱实验进行了研究。这些研究表明，病原微生物在含水介质中的迁移受到很多物理、化学以及生物因素的影响。Kim等人在研究大肠杆菌于石英砂柱中沉积速率常数kd时发现，随着离子强度的增加，kd值也增加；相对于KCl电解质，含有CaCl2电解质时kd值增大了4倍。赵文强等人发现当pH减小或离子强度增加时，病原菌与红壤介质间的排斥势垒减小，提高了细菌胶体的吸附量。朱莉等人研究发现当表面活性剂质量分数为0.005％～0.1％时，氧化亚铁硫杆菌在黄铜矿表面的吸附量最大。Vasiliki等人利用玻璃柱作为填充介质，发现随着含水饱和度的降低，病毒的迁移能力增强。Wim等人用砾石以及沙质土壤作为介质，发现两种土壤对几种细菌的去除效果不同。
在饮用水处理中，活性炭由于独特的吸附性能常被作为深度处理的滤料，与地下水中含水层介质(如石英砂、土壤)有着明显的区别。目前，关于以调控活性炭介质来减少饮用水深度处理中致病菌泄漏的方法还未见报道。
发明内容
本发明通过室内柱实验，研究如何对活性炭介质进行调控，使饮用水处理中致病菌泄漏减少，步骤如下：
步骤1、研究最适宜的活性炭介质形状
使用饮用水中致病菌的菌悬液，并用分样筛筛出粒径为1-2mm(中值粒径为1.5mm)的活性炭，然后用重力法分别测定两种活性炭的孔隙度，柱状活性炭的孔隙度为45.09％，颗粒活性炭的孔隙度为33.16％，流速为1m/h，并在离子强度为10mmol/L的NaCl溶液中进行研究。在实验进行前向填充柱内通入10PV (pore volume孔隙体积)的离子强度为10mmol/LNaCl的背景溶液以稳定柱实验的环境，然后向柱中注入 6PV同离子强度的菌液，于相应PV间隔下取样并用紫外分光光度计在600nm波长下测定流出液的菌液吸光度，最后通入6PV不含菌液的背景盐溶液，并绘制粪肠球菌的穿透曲线
步骤2、研究最适宜的活性炭介质粒径
配制准备好浓度为4×107CFU/mL的菌液，使用分样筛筛出0.6-1.0mm(中值粒径为0.8mm)、1-2mm (中值粒径为1.5mm)和2-4mm(中值粒径为3mm)的活性炭作为多孔介质。填充的高度为30cm，通过重力法测得三种不同颗粒活性炭的孔隙率分别为58.36％、33.16％、38.73％，滤速为1m/h，背景盐溶液的离子强度为10mmol/L的NaCl作为实验的条件。首先向柱中通入10PV的背景盐溶液以稳定实验条件，去除活性炭内的微小杂质；然后以同样的水流流速通入6PV的相同离子强度的菌液，于相应的时间间隔下取样，并在600nm的紫外分光光度计下实时测定流出液的菌液吸光度，换算为菌液浓度，其次通入6PV不含菌液的背景溶液，从而得到不同粒径下饮用水中致病菌的穿透曲线。
本发明的优点：通过改变活性炭介质的形状和粒径即可减少饮用水处理中致病菌的泄漏。
附图说明
图1是本发明中粪肠球菌在不同活性炭形状下的穿透曲线
图2是本发明中粪肠球菌在不同活性炭介质形状下的沉积速率常数
图3是本发明中粪肠球菌在不同粒径下的穿透曲线
具体实施方式
本发明以粪球肠菌为研究对象进行室内柱实验，步骤如下：
步骤1、研究最适宜的活性炭介质形状
使用浓度为4×107CFU/mL的粪肠球菌悬液，并用分样筛筛出粒径为1-2mm(中值粒径为1.5mm)的活性炭，然后用重力法分别测定两种活性炭的孔隙度，柱状活性炭的孔隙度为45.09％，颗粒活性炭的孔隙度为33.16％，流速为1m/h，并在离子强度为10mmol/L的NaCl溶液中进行研究。在实验进行前向填充柱内通入10PV的离子强度为10mmol/LNaCl的背景溶液以稳定柱实验的实验环境，然后向柱中注入6PV同离子强度的粪肠球菌悬液，于相应PV间隔下取样并用紫外分光光度计在600nm波长下测定流出液的菌液吸光度，最后通入6PV不含菌液的背景盐溶液，并绘制粪肠球菌的穿透曲线，实验内容如表1所示。
表1不同形状活性炭的柱实验列表
实验结果如图1所示，当使用柱状活性炭作为柱实验的填充介质时，大约通入粪肠球菌悬液0.5PV时在出流液中就检测到了细菌胶体，穿透曲线平台的最高值为52％；而用颗粒活性炭作为多孔介质时，当注入1PV粪肠球菌悬液时才在出流液中测得细菌胶体，穿透峰值为34％，这表明粪肠球菌在柱状活性炭内的迁移能力要比在颗粒活性炭内的迁移能力强。
根据图1可知，当分别采用中值粒径均为1.5mm的柱状活性炭与颗粒活性炭作为填充介质时，粪肠球菌在柱状活性炭柱中的迁移能力更强。出现这一现象的主要原因是因为虽然柱状活性炭和颗粒活性炭的粒径大小相同，但本实验中所用柱状活性炭的比表面积为800m2/g，颗粒活性炭的比表面积为1000m2/g，故颗粒活性炭的比表面积要比柱状活性炭的比表面积大，从而颗粒活性炭表面能够提供的吸附点位数量更多，使得更多的粪肠球菌被吸附在颗粒活性炭表面，从而在多孔介质表面沉积较多的细菌胶体。
由图2可知，粪肠球菌在柱状活性炭内的沉积速率为1.34×10-3，而在颗粒活性炭内的沉积速率为 3.01×10-3；当采用颗粒活性炭时，细菌胶体的沉积速率增幅有127％。另外，由表2可知细菌胶体在颗粒活性炭内的流失率为30.46％，在柱状活性炭内的流失率为53.24％，由此可知细菌胶体在颗粒活性炭内的沉积量更多。
表2不同活性炭形状下粪肠球菌的流失率
注：MR/％(流失率)＝粪肠球菌穿透曲线面积/基准面积，基准面积为示踪剂Br-穿透曲线面积，为5.761。
由此可见，选用粒状活性炭作为滤池的填充介质，可增加致病菌的沉积量，减弱其迁移能力，能有效减少饮用水中致病菌的泄漏。
步骤2、研究最适宜的活性炭介质粒径
配制准备好浓度为4×107CFU/mL的粪肠球菌，使用分样筛筛出0.6-1.0mm(中值粒径为0.8mm)、 1-2mm(中值粒径为1.5mm)和2-4mm(中值粒径为3mm)的活性炭作为多孔介质。填充的高度为30cm，通过重力法测得三种不同颗粒活性炭的孔隙率分别为58.36％、33.16％、38.73％，滤速为1m/h，背景盐溶液的离子强度为10mmol/L的NaCl作为实验的条件。首先向柱中通入10PV的背景盐溶液以稳定实验条件，去除活性炭内的微小杂质；然后以同样的水流流速通入6PV的相同离子强度的粪肠球菌悬液，于相应的时间间隔下取样，并在600nm的紫外分光光度计下实时测定流出液的菌液吸光度，换算为菌液浓度，其次通入6PV不含粪肠球菌悬液的背景溶液，从而得到不同粒径下粪肠球菌的穿透曲线。实验内容如表3所示：
表3不同活性炭粒径的柱实验列表
实验结果显示如图3所示，在所有粒径条件下，我们可以看到随着活性炭粒径的增加，粪肠球菌穿透曲线的峰值逐渐增加。当介质中值粒径从0.8mm增加到3.0mm时，粪肠球菌的出流比即C/C0从0.29增加到0.42，没有出现明显的拖尾现象，说明粪肠球菌的迁移能力相对增强，粒径增加对其在多孔介质中的迁移有着明显的增强作用，导致沉积在活性炭表面的粪肠球菌量减少。但是当介质粒径为0.8mm时，我们发现粪肠球菌的穿透曲线平台值是不断上升的，说明这个时候粪肠球菌在颗粒活性炭表面出现了表面封阻 (blocking)现象。表面封阻表示有一部分有效的吸附点位被先沉积的粪肠球菌所占据，导致后面的粪肠球菌无法沉降的现象。在较小粒径的多孔介质中，通入相同浓度的粪肠球菌悬液会让粪肠球菌较其他两种粒径的多孔介质更快的占据有效吸附点位，使得后续粪肠球菌无法沉降，因而会出现粪肠球菌穿透曲线的平台值不断升高的现象。
通过计算粪肠球菌在三种不同粒径的颗粒活性炭中的流失率，结果如表4可知，在三种不同粒径的活性炭中，粪肠球菌的流失率随着粒径的增加而增加，介质中值粒径为0.8mm、1.5mm以及3.0mm时流失率分别为21.85％、30.46％、36.78％，即介质粒径的增加能够增大粪肠球菌的流失率。其原因是因为随着活性炭粒径的减少，活性炭的比表面积相对增大，从而能够给粪肠球菌提供更多的吸附空间，进而提高活性炭对粪肠球菌的去除效率，使得穿透峰值减小.
表4不同粒径下粪肠球菌的流失率
因此，将活性炭的粒径控制在0.8mm以下，这能够增加比表面积，提供更多的吸附点位，从而可有效减少饮用水处理中致病菌的泄漏。

Claims (3)

1.一种基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法，其特征在于通过改变介质形状与炭粒径以实现。
2.如权利1所述的基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法，其中通过改变介质形状以减少饮用水中致病菌的泄漏，具体是选用粒状活性炭作为活性炭滤池的填充介质，从而增加致病菌的沉积量，减弱其迁移能力。
3.如权利1中所述的基于调控活性炭介质以减少饮用水中致病菌泄漏的方法，其中减小活性炭粒径可减少饮用水中致病菌的方法，是指将活性炭的粒径控制在0.8mm以下，这能够增加比表面积，提供更多的吸附点位，从而可有效减少饮用水处理中致病菌的泄漏。
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