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常用水处理药剂在不同pH值下的微生物灭活性能解析
第32卷第9期
2006年9月北京工业大学学报JOURNAL0FBEIJINGUNIVERSITY0FTECHNOLOGYV01.32No.9Sept.2006常用水处理药剂在不同pH值下的微生物灭活性能
杨艳玲1,李星1,吕嫱1,李圭白2
(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100022;
2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090)
摘要:
针对受污染水pH值的改变会影响许多预氧化药剂微生物灭活效能的问题,考察了不同pH值下
KMn04、C12、NH2cl及KMn04与C12或NH2Cl联用灭活微生物的效能,探讨作用较强的预氧化药剂.结果表明,
pH值的变化对几种药剂的灭活效能均有不同程度的影响,与投药总量相同的单独c12或NH2cl相比,随着pH
值的升高,KMn04与C12或NH2cl联用的优势更加明显,pH=7时,灭活的效果分别提高O.25和0.14个对数
级;在pH=9时,分别提高0.95和O.55个对数级.由于一般天然水的pH值通常处于中性或微碱性范围内,因
此KMn0。
与c12或NH2cl联用工艺可作为受污染水处理的一种新的安全预氧化技术.
关键词:
pH值;KMn04;c12;NH2C1;联用;灭活效能;预处理
中图分类号:
Tu991.2文献标识码:
A文章编号:
0254
随着水源污染的日益加剧,水中致病微生物的种类和数量都在不断增加,这些致病微生物一旦进入给水管网就可引起传染病的爆发及流行,对人们的健康造成危害.为了保障饮用水的卫生安全,仅靠消毒一个环节来降低致病微生物的数量是远远不够的,加强预处理工艺对致病微生物的屏障作用十分必要.
预氧化是国内外大多数水厂采用的处理受污染水的方法,除了可以氧化有机物提高混凝效果外uJ,还可利用其强氧化性来杀菌、除藻,防止细菌和藻类在水处理构筑物中繁殖,也对灭活致病微生物起到多级屏障作用.常用的氧化剂有KMn04、C12、NH2C1等,这些氧化剂一般是通过氧化微生物体内有效的生理功能单元而灭活微生物,其灭活效果受到许多环境水质条件的影响,pH值是其中十分重要的水质参数,许多化学反应过程及反应作用程度都受到pH值的影响.pH值的改变会影响许多药剂的灭活效能.实验考察了不同pH条件下,KMn04、C12、NH2Cl单独使用及KMn04与C12或NH2Cl联用灭活致病微生物的效能,探讨一种对受污染水质适应性强的预氧化药剂,以期对实际应用起到指导作用.
1试验材料与方法
1.1试验水样
在蒸馏水中加入1mmoL/L的NaHC()3和0。
5mmoL/I。
的CaCl2,以模拟天然水体具有的矿物质,同时又不受其他杂质的干扰.然后加入一定量实验室培养的菌种,混合均匀后用中速滤纸过滤,除去细菌碎片.
1.2试验方法
考虑到饮用水水源pH值的特点,在pH为6~9进行研究.试验采用对酸碱不太敏感的大肠菌群作为观察对象,试验水温为17℃,lD(CODM。
)<0.01mg/L,原水中总大肠菌群密度为2.56×105个/L.在pH值为6,7和9进行实验,采用滤膜法检测反应前后水样中存活的大肠菌群菌落数.每个pH值下试验收稿日期:
2005—02—23.
基金项目:
国家“八六三”计划资助项目(2004AA601020);北京市优秀人才培养专项经费资助项目(20042D0501519);北京
工业大学博士科研启动基金资助项目(KZ0403200399).作者简介:
杨艳玲(1964一),女,辽宁法库人,副研究员.
第9期杨艳玲等:
常用水处理药剂在不同pH值下的微生物灭活性能833重复4次,取大肠菌群存活率的平均值计入结果
1.3消毒效果评价
消毒效果依据消毒不同时间水样中微生物存活率进行判断,计算公式为
P=一lg(N。
/No)
(1)式中,P为存活率的负对数值;N。
为消毒剂作用£时间后水样中存活的微生物个数;No为消毒实验前等
量水样中微生物个数.2试验结果与讨论
图1比较了不同pH值时,KMn04、C12和
NH2Cl各1.0mg/I。
单独使用及KMn04与C12和
NH2Cl各0.5mg/L联合使用对大肠菌群的灭活效果.由图1看出,pH值的改变不同程度影响了几种
药剂的灭活效果.
2.1pH值对c12和NH2cI灭活效果的影响
在pH值为6~9时,随着pH值的升高,C12和NH2C1的灭活效果均变差.pH值对含氯药剂灭活效果的影响主要是影响
C12水解生成的HOCl的浓度.C12加入纯H20中,765
址4
32lpH值图1
pH值对几种预氧化剂灭活效能的影响比较Fig.1EffectofpHvalueoninactivationperfo姗ance
ofseveraIpre—oxidants
迅速水解为HCl和HOCl,然后一部分HOCl离解为H+和OCl一.3种形式的自由性氯,即Cl,、HOCl以及OCl一处于平衡状态同时存在于水中,它们的相对比例取决于pH值,pH<2时,主要成分是C12;在pH值为2~7时,HOCl为主要成分;pH=7.4时,HOCl和OCl一所占比例大致相等;pH>7.4时,OCl一所占比例增高;pH>8.5时,几乎全部的自由性氯都以OCl一的形式存在.
根据C12的灭活机理,起灭活作用的主要是中性的H0c1.pH值越低,HOcl所占比例越高,因而灭活效果越好;而随着pH值上升,越来越多的HOcl分解成灭活能力弱的OCl一,灭活效果也逐渐变差.Fair和Morries【2J通过实验发现,Ocl一的灭活能力仅为HOcl的1/80.所以酸性条件对C12灭活有利,本实验的结果验证了这一规律.前人的一些实验也证明在pH=7.0,9.8时,灭活大肠菌群所需的C12剂量相差24倍(2~5℃)和7.5倍(20~25℃)【31.Engelbrecht等试验C12在pH=6,10时,灭活6种肠道病毒时也发现,99%灭活各种肠道病毒,pH=10时所需时间为pH=6时的5~192倍【41.
当受污染的水中存在NH,一N时,投加的C12与NH3一N发生一系列反应生成化合性氯NH2C1、NHCl2和NCl3.
一般来说,当pH>9时,NH2Cl占优势;当pH=7时,NH2Cl和NHCl2同时存在,近似等量;当pH<6.5时,主要是NHCl2;而pH<4.5时,仅存在NCl3.
由于NHCl,灭活能力比NH,Cl强,因此,随着
pH的降低灭活效果也增强,本实验的结果也符合这
一规律.过去的一些试验也证明了低pH值时,化合性氯灭活的效果好,当温度为20℃,pH=6.5时灭活大肠菌群的化合性氯剂量与pH=9.5时化合性氯剂
量相差2倍【4|.
图2为不同pH值条件下C12或NH2Cl灭活效果
的比较,由图2可以发现,2者灭活效果的差距随着
pH值增加而减小,pH=6时,灭活率相差0.99—19;在6.O5.04.0q3.O
2.0
1.0
0图2pH值对c12和NH2c1灭活效能的影响比较Fig.2EffectcomparisonofpHvalueonchlorine
andchloraminesinactivation
834北京工业大学学报2006年pH=7时,相差0.8一lg;当pH=9时,2者相差仅为0.2—19,这主要是因为随pH值增加,OCl一在溶液中所占的比例逐渐加大,当pH=9时,c12主要以Ocl一这种灭活能力很差的形式存在.因此,对pH值偏碱性的原水进行预处理时,采用NH2Cl替代C12,灭活效果相当,而生成氯化副产物的量却能大大减少.
2.2pH值对KMn04灭活效果的影响
从图1中可以看出,pH值对KMn04灭活效果影响不大.pH=6时灭活效果略好,其次是pH=9时,中性条件下略差.
作为氧化剂,KMnO。
的灭活效果与其氧化还原电位有直接关系,而其在水溶液中的氧化还原电位又随水溶液的酸碱性不同而有差异.在通常的水处理条件下,KMn04的反应产物是Mn02,其氧化能力在酸性溶液中比在碱性溶液中大,因而其在低pH值时的灭活能力应该比高pH值时强,因而本实验中pH=6时,KMn04的灭活效果略好于pH=7,9时;而在pH=9时,KMn04的灭活效果略好于pH=7时,可以解释为KMnO。
在弱碱性溶液中比在中性介质中反应更快【5J.
2.3pH值对KMn04与c12或NH2cl联用灭活效果的影响
KMn04与C12或NH2CI联用灭活的效果也受到pH值的影响,其规律同单独C12或NH2Cl灭活受pH值影响的规律,即随着pH值增大灭活效果变差.但KMn04与c12或NH2cl联用灭活效果受pH值的影响程度相比单独Cl,或NH,Cl要小得多,如图3所示.
6.O
5.0
4.0
吣3.O
2.0
1.0
O7.OpH值
(a)
7.0pH值(b)图3
pH值对预氧化药相灭活效能的影响Fig.3EffectofpHvalueonpre—oxidantsinaitivation
m∥L)l
由图中可见,当pH值从6上升到9,单独C12灭活的效果下降了2.15—19,但C12与KMn04联用灭活时仅下降1.1一Ig;单独NH2Cl灭活效果下降1.36一lg,而NH2c1与KMn04联用灭活时仅下降O.93—19.这一方面是因为KMn04的灭活效果受pH值的影响具有与C12或NH2Cl不同的规律,其在弱碱性条件下的灭活效果略好于中性条件;另一方面,是KMn04与C12或NH2Cl协同灭活作用[6_7|,使其对pH值变化的适应能力增大.与投药总量相同的单独C12或NH2Cl相比,随pH值的增加,KMn04与C12或NH2cl联用灭活优势越大,pH=6时,灭活效果相当;但pH=7时,KMn04与C12或NH2C1联用灭活的效果分别提高0.25一lg和0.14一lg;而到pH=9时,分别提高0.95一lg和0.55一lg.由此可见,在中性或弱碱性条件下,KM—n04与c12协同灭活的优势更明显,能极大弥补pH值增加对c12灭活作用的不利影响,由于一般天然水的pH值通常处于中性或微碱性范围内,因此KMn04与C12或NH2CI联用预处理工艺更具实用价值.
3结论
随着pH值的升高,C12和NH2Cl灭活效果均变差,而且pH值对C12灭活效果的影响更大,使得随着pH值升高,2者灭活效果越来越接近.根据这一点,对微碱性天然水体采用预氯胺化处理更具有实际意义,不但效果与Cl,相当,而且能大大减少有毒、有害副产物的数量.
pH值对KMn04灭活作用影响程度不及对C12或NH2Cl大.pH=6时灭活效果略好,其次是pH=9时,中性条件下略差.
随着pH值升高,KMn()4与C12或NH2Cl联用的灭活优势更加明显,尤其在中性或弱碱性条件下c12OO0OOO5432l吣、,
与KMn04的联用能极大弥补pH值升高对单独在通常的水处理的条件下,采用KMn04与级屏障作用是十分有效的方法.
C12灭活造成的不利影响.
C12或NH2C1联用对加强预处理工艺对致病微生物的多参考文献:
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EffectofpHValueonMicrobialInactiVationPerformance
ofCommonlyUsedWaterTreatment
ReagentsYANGYan—lin91,LIXin91,L0Jianl,LIGui.bai2
(1.Key
LaboratoryofBe巧ingforWaterQualityScienceandWaterEnVironmentRecovery
Engineering,Be玎ingUniverSityofTechnology,Be对ing100022,China;2.Sch00lofMunicipalandEnvironmentEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)
Abstract:
Microbial
inactivationefficacyofmanypre—oxidantscanbeinfluencedbypHValueofpollutedwa—ter.Microbialinactivationeffectsarecomparedwithindividualapplicationprocessofchlorine,chloraminesor
potassiumpermanganate,andwithcombinedapplicationprocessofpotassiumpermanganatewithchlonne
orchloramines,toinvestigatemoreeffectivepre.oxidants.TheresultsshowthattheinactiVationeffectsofseVer’alDre—oxidantsareinterferedtodifferentdegreesbypHvalue.TheadVantageofcombinedapplicationprocess
ofpotassiumpermanganatewithchlorineorchloraminesbecomemoreobviouswithincreasingofpHValue,
comparedwithindividualapplicationprocessofchlorineandchloraminesundersamet。
taldosage.
Theinacti~vationeffectsareincreased0.14and0.25logarithmicgradeswithpH=7,respectively;and0.95and0.55logarithmicgradeswithpH=9,
respectively.BecausepHValueofnaturalwaterisnormallywithinrangeofneutralorweakalkaline,anewlysafepre—oxidationtechniqueofthecombinedapplicationprocessofpotassi~
umpennanganatewithchlorineorchloraminesoftheispresentedforpoUutedwatertreatment.
Keywords:
pHvalue;
potassiumpermanganate;effect;pretreatment
chlorine;chloramines;combinedapplication;inactiVation勾纠钔列
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