液中放电等离子体(EHD)技术水体灭菌机制研究

饮用水和水环境安全是关系民生的重大科技问题。以液氯为代表的传统化学消毒在水处理领域广泛应用，其消毒副产物问题已经引起重点关注。液中放电等离子体（EHD）是近年来发展迅猛的环境友好技术，集多种物化效应于一体，具有高效、低耗、无选择性、无二次污染、操作简便等优点，在水体灭菌领域具有良好的应用前景。鉴于现有研究中EHD产生过程的物化效应机制和对微生物灭活的生物效应机制尚不明确，本研究基于前期基础，利用现代分子生物学技术，通过深入探讨EHD产生过程中物化效应对受试细菌的超微结构、相关酶活性和核酸的影响，分析等离子体物化效应中活性物质、紫外线、液相臭氧和双氧水等对微生物的生物效应影响，探索EHD技术对水体细菌的灭活机制。同时以微观机理研究结论为指导，结合装置实际运行情况，改进EHD技术水体灭菌装置，对工艺进行优化设计。本研究旨为EHD水体灭菌技术提供科学依据，促进EHD技术在水处理领域工业应用。

本研究基于对低温等离子体技术以及水中细菌内毒素污染特性的充分分析，采用介质阻挡放电等离子体对水中典型受试细菌（如大肠杆菌、金黄葡萄球菌、枯草芽孢杆菌）和北京某水厂的实际水样（沉后水和原水）进行实验，从细菌灭活（大肠杆菌、金黄葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、总大肠菌群、细菌总数、HPC细菌）方面评估低温等离子体灭菌效果，从超微结构变化、细菌内毒素释放、DNA断裂、水质的pH变化探讨等离子体灭菌机制，采用三维荧光光谱分析等离子体对水厂原水和沉后水中有机物控制效果，以发光细菌法评价处理后水质的急性毒性。.结果表明，低温等离子体对水中大肠杆菌、金黄葡萄球菌和枯草芽孢杆菌具有明显灭活效果；TEM结果表明大肠杆菌、金黄葡萄球菌和枯草芽孢杆菌灭活后的超微结构差异较大，结合等离子体物理效应，探讨大肠杆菌、金黄葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的不同灭活机制。采用等离子体活化后的超纯水进行瞬时和长期灭菌实验，结果表明活化水有瞬时灭菌效果，静置1h后灭菌效果明显下降。以动态浊度法鲎试验检测等离子体灭活大肠杆菌后释放的内毒素活性，结果表明内毒素活性在等离子体效应中得到控制；采用内毒素标准品溶液进行等离子体处理，验证低温等离子体对内毒素具有良好的降解作用；采用傅里叶红外光谱分析了内毒素在低温等离子体效应中的降解机理。采用动态浊度法检测内毒素活性，发现水中常见影响因素对内毒素活性检测有干扰，开展了内毒素光谱研究和水体环境的常见鲎试验影响因素的分析，提出了排除方法。采用凝胶电泳分析低温等离子体对大肠杆菌DNA的影响，从核酸变化的角度分析了等离子体灭菌机制。本研究发现低温等离子体灭活超纯水和菌悬液过程中水的pH值逐渐下降，表明低温等离子体处理后的水体呈强酸性，这也是低温等离子体灭菌的一个原因。采用发光细菌法检测等离子体处理的超纯水和菌悬液的急性毒性，表明超纯水和菌悬液经过处理后都具有明显的急性毒性，并且随着样品静置时间延长，急性毒性仍没有下降。采用低温等离子体处理北京某水厂沉后水和原水，表明对总大肠菌群、菌落总数和HPC细菌具有明显灭活作用，采用三维荧光光谱分析了等离子体对水中有机物的降解作用。此外，低温等离子体处理后的沉后水和原水，都出现了急性毒性。与沉后水的加氯消毒相比，低温等离子体处理的沉后水具有相同程度的急性毒性。这说明低温等离子体具有明显的灭菌效果，但是处理后的水样仍具有潜在的风险。