灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的方法及设备

摘要

本发明涉及一种灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的方法和设备，该灭活方法包括：第一步提供待处理水体；第二步制备光催化剂；以及第三步向第一步所得水体中加入催化剂量的由第二步制得的光催化剂，并在光照条件下对水体进行光催化消毒。所用设备包括：紫外光源照射装置，用于容纳光催化剂与待处理水体溶液的反应器，以及安装在反应器内的搅拌器；紫外光源照射装置设置在反应器上。该方法和设备灭活效率高，成本低，操作简单，易于推广应用；且无毒、副产物，不会造成二次污染。

说明书

技术领域

本发明涉及水体杀菌消毒，尤其是指灭活水体中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的方法及设备。

背景技术

近年来，隐孢子虫(Cryptosporidium parvum)和贾第虫(Giardia)对生活用水和饮用水的污染而导致相关疾病在英美等发达国家的爆发流行，且已对公民的健康构成了严重的威胁，隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊(以下简称“两虫”)业已成为备受关注的介水传播生物危险因素之一。在我国新颁布的《生活饮用水卫生标准》中，已经将隐孢子虫和贾第虫作为水质非常规指标而规定了其限制，但是根据目前我国的饮用水处理工艺及水源水质和供水水质现状来看，存在“两虫”爆发的潜在风险，因此从保障饮用水安全角度考虑，研究出高效、低廉的“两虫”灭活方法具有重要和迫切的现实意义。

贾第虫包囊对外界环境有较强的抵抗力，常用的消毒剂(氯气、二氧化氯、氯胺等)在标准浓度下对包囊并无有效的杀灭作用。比如：氯虽对包囊有轻微的杀伤作用，但自来水中的氯气浓度根本达不到完全杀灭包囊的作用。

1972年日本科学家Fujishima和Honda[Fujishima A，Honda K，Nature[J]，1972，238：37]发现在受辐照的TiO₂可持续发生氧化还原反应将水分解为H₂和O₂，1976年加拿大科学家Carey[Carey J H，Lawrence J，Tosine H M.Bull Environ contam Toxicol[J]，1976，16：697]等将TiO₂光催化技术成功应用于剧毒多氯联苯的降解研究，自此基于TiO₂的多相光催化反应引起了各国环境研究者的关注。1983年Pruden[Pruden A L，Ollis D F.J Catal[J]，1983，82：404]等在TiO₂体系中发现了卤代有机物如三氯乙烯，二氯甲烷等的光致矿化，发展至现在，大量的研究表明，TiO₂光催化不仅能够降解水和空气中烷烃，稀烃，脂肪醇，酚类，羧酸，各种简单芳香族化合物及相应得卤化物，染料，表面活性剂，除草剂，杀虫剂等有机物，而且可以将水中的无机金属离子(如Pt(VI)、Au(III)、Rh(III)、Cr(III)等)沉积出来，还可以将氰化物、亚硝酸盐等转化为无毒形式。由于光催化的操作简单、反应条件温和、成本低廉、可降解几乎所有的有机物等突出优点，TiO₂光催化技术受到了世界各国环境研究者的广泛关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的方法，该方法简便有效，解决两虫灭活率低，成本高，效率低，造成二次污染等问题。

本发明进一步所要解决的技术问题是：提供一种灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的设备，该设备简便易于操作，解决现有设备复杂，成本高，效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的方法，包括以下步骤：

(1)提供待处理水体；

(2)制备光催化剂；

(3)向步骤(1)所得水体中加入催化剂量的由步骤(2)制得的光催化剂，并在光照条件下对水体进行光催化消毒。

步骤(2)的光催化剂为掺杂铁离子的TiO₂。

步骤(2)制备光催化剂是由TiO₂与FeC₂O₄溶液经混合吸附、干燥，最后煅烧制得。

步骤(2)制备光催化剂包括以下步骤：首先选用金红石型TiO₂和0.05mol/L的FeC₂O₄溶液，TiO₂与FeC₂O₄溶液的配比1∶1～20∶1，其中TiO₂用量单位为g，FeC₂O₄溶液用量单位为mL，将溶液进行混合搅拌吸附5-72小时；然后在至少100℃将水蒸干；最后于373-1373K的温度下煅烧0.5-3小时，以获得Fe掺杂TiO₂的光催化剂。

步骤(2)中TiO₂与FeC₂O₄溶液的配比为10∶1，混合搅拌吸附的时间为48小时，煅烧温度为573、673、773、873、973、1073或1173K，煅炼烧时间为1小时。

步骤(3)是使用紫外光源照射加有光催化剂的水体溶液。

步骤(3)中使用的紫外光是波长不大于400nm的可见光，光强为0-40W.m^-2。

步骤(1)中，先采集待处理的水体，再依次进行如下预处理：利用60-150目筛网过滤，硫酸锌溶液漂浮，蔗糖梯度离心，磷酸缓冲溶液漂洗，以及重铬酸钾溶液悬浮，最后低温保存。

该灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的方法，进一步包括步骤(4)：荧光活性染色法鉴定隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的灭活率。

为解决上述技术问题，本发明采用又一技术方案：一种灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的设备，包括紫外光源照射装置，用于容纳光催化剂与待处理水体溶液的反应器，以及安装在反应器内的搅拌器；其中，紫外光源照射装置设置在反应器上。

本发明的有益效果如下：本发明用光催化法灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊，通过荧光活性染色体法鉴定灭活率，结果证明：该方法能在极短时间内对所述两虫达到99.9％以上的灭活率。而且，该方法成本低，操作简单，易于推广应用；且无毒、副产物，不会造成二次污染。

本发明灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的设备结构简单，易于操作控制。

附图说明

图1是本发明的灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊的设备示意图。

图2是不同照射强度照射、加与不加光催化剂对隐孢子虫灭活率的对比曲线图。

图3是不同照射时间、加与不加光催化剂对贾第虫灭活率的对比曲线图。

具体实施方式

本发明光催化法灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊主要包括以下步骤；

(1)提供待处理水体；

(2)制备光催化剂；

(3)向步骤(1)所得水体中加入催化剂量的由步骤(2)制得的光催化剂，并在光照条件下对水体进行光催化消毒；

(4)灭活结果鉴定。

其中第(1)步骤可以包括对待处理水体进行预处理的过程，包括采用现有的任何处理技术，如沉淀、萃取分离、过滤，氧化还原等，但不限于这些方法，以去除水体样品中的杂质等，以利于两虫后续的灭活处理效果更佳。

前述预处理优选包括对水体中的两虫进行纯化的预处理过程，具体为：待处理的水体采集后，分别利用60-150目筛网过滤，硫酸锌溶液漂浮，1∶1和1∶2蔗糖梯度离心(转速12000r/min)但不限于此浓度梯度及转速而选择现有技术的其它浓度梯度及转速，磷酸缓冲溶液漂洗三次但不限于三次，得到浓度为1.5×10⁶个/mL两虫样品。以2.5％(也可以为现有技术的其它浓度)的重铬酸钾悬浮保存于4℃冰箱(但不限于4℃)，从而获得待处理的水体样品。

步骤(2)中所指光催化试剂主要组成为掺杂铁离子的TiO₂，即Fe-TiO₂。因为掺杂铁离子可以有效提高TiO₂的光催化活性。制备该掺杂铁离子的TiO₂，可以选用现有技术的任何方法。在本实施例中，采用TiO₂与FeC₂O₄溶液经充分混合、干燥，最后煅烧制得。具体为：选用0.05mol/L的FeC₂O₄(分析纯)溶液和金红石型TiO₂，TiO₂与FeC₂O₄溶液的配比可选用1∶1～20∶1的范围或其它配比，其中TiO₂用量单位为克(g)，FeC₂O₄溶液用量单位为毫升(mL)。但优选配比为10∶1。

本实施例中将金红石型TiO₂和FeC₂O₄溶液按10∶1配比进行混合搅拌吸附一定时间，如5-72小时，也可为24小时，优选48小时；然后在至少100℃将水蒸干；用坩埚在马弗炉内于适宜的温度下煅烧一定时间，如0.5-3小时，可以为1h，煅烧温度可选373-1373K，本实施例选用为573、673、773、873、973、1073和1173K下煅烧，得到光催化试剂。因为煅烧温度达到773K后的Fe/TiO₂是以锐钛矿和金红石两种晶型存在，其中以锐钛矿晶型为主，其催化性能较强，但随着温度的升高，催化能力逐渐减弱。所以优选的煅烧反应温度可以取773K。

上述步骤(3)所采用的光源为紫外光源，但其它光源也可适用。紫外光源下TiO₂灭活饮用水中两虫所采用的设备，请参照图1，其包括光源设备1，反应器4，以及搅拌器6。本实施例中光源设备1采用但不限于金卤灯光纤照射装置。该金卤灯光纤照射装置1包括光源10，照射罩11，光纤12连接光源10与照射罩11之间，用于将光源10产生的紫外光传输至照射罩11，紫外光从光纤12进入照射罩11之前先经滤光片13进行过滤。该滤光片13采用400nm波长的滤光片，用以将光源中波长大于400nm的光线滤去，从而保证光源在可见光范围内。本实施例使用的光强为0-40W.m^-2。照射罩11设置在反应器4上方(但不限于上方)，紫外光由光纤12从光源10导出，经由滤光片13过滤后从照射罩11对反应器4中的溶液进行光照射处理。搅拌器6设置在反应器4内，可选用但不限于设置在反应器4底部的磁力搅拌器，其它类型搅拌器及安装方式同样可以适用。反应器4向外延伸一曝气管5，用于将反应产生的气体导出。

使用时，取一定量步骤(1)的水体样本放入反应器4内，同时加入步骤(2)制备好的光催化剂(用量为催化剂量)，启动金卤灯光纤照射装置1对反应器4内的溶液进行光照射处理，同时进行搅拌，防止催化剂沉降，光照处理一定时间后停止光照及搅拌，取出处理后的溶液进入第四步灭活结果鉴定，检验两虫灭活率。检验方法是采用荧光活性染色鉴定方法。

例一

本实施例中，应用上述方法及设备进行光催化法灭活水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊，具体步骤如下：

(1)提供待处理水，并进行两虫纯化收集：待处理的水体样品采集后，分别利用60-150目筛网过滤，饱和硫酸锌漂浮，1∶1和1∶2蔗糖梯度离心(转速12000r/min)，磷酸缓冲溶液漂洗三次，得到浓度为1.5×10⁶个/mL两虫样品，以2.5％重铬酸钾悬浮，最后保存于4℃冰箱；

(2)光催化试剂制备：将金红石型TiO₂和FeC₂O₄溶液按前述10∶1配比混合搅拌吸附48h，然后在100℃将水蒸干，用坩埚在马弗炉内煅烧1h，煅烧温度分别为573、673、773、873、973、1073和1173K，得到光催化试剂；

(3)紫外光源下TiO₂灭活饮用水中两虫：取步骤(1)的水体样品50mL放入反应器4中，并同时加入步骤(2)制得的光催化剂，其用量达到催化剂剂量即可；启动金卤灯光纤照射装置1产生紫外光，用400nm波长的滤光片将光源中波长大于400nm的光线滤去，以保证光源在紫外光范围内，对反应器4内的溶液进行光照催化处理，光照处理过程中同时对反应液进行搅拌，防止催化剂沉降。实验光强为0-40W.m^-2，每次反应处理溶液的容量为50mL；

(4)采用荧光活性染色鉴定灭活结果：具本按如下步骤进行：

(a)取0.5mLPBS(磷酸缓冲溶液)保存前述步骤处理后的样品，加入1mL HBSS(Hanks)平衡盐溶液漂洗2次；

(b)沉淀于160μL HBSS平衡盐溶液中，加入20μL DAPI(4’，6’-diamidino-2phenylindole dihydrochloride)，20μL PI(Propidium Iodide)储备液，37℃温浴1h；

(c)温浴后加入1mL HBSS清洗三次，洗去未染上颜色的DAPI和PI；

(d)涂片，荧光显微镜下镜检，各样品分别取200个孢囊镜检。

例二

按例一所述的方法，以纯水作为水样进行对比试验，在相同照射时间下，取10分钟，设置不同光强Lightoutput(mw/cm²)，照射实验样品，并按例一的方法鉴定贾第虫的灭活率。每次反应处理溶液的容量为50mL，实验过程中同时对反应液进行搅拌，防止催化剂沉降。其他步骤和参数与例一相同。照射光强分别为：2，3.5，4.5，8，10，13，25mw/cm²。实验结果参照图2中标记为UV/TiO₂的曲线，此曲线表示在同一照射时间下，采用加有光催化试剂进行紫外光照射水体进行灭活处理，其照射光强Lightoutput(mw/cm²)对贾第虫灭活率inactivation race(％)的影响。

例三

按例一的方法，以纯水作为水样进行对比试验，在同一光强下，照射强度为5mw/cm²，分别设置不同照射时长，照射水体样品，并按例一的方法鉴定隐孢子虫的灭活率。每次反应处理溶液的容量为50mL，实验过程中同时对反应液进行搅拌，防止催化剂沉降。其他步骤和参数与例一相同。照射时间分别是：0，5，10，15，20，25，30，60分钟，实验结果参照图3中标记为UV/TiO₂的曲线，此曲线表示在同一照射光强下，采用加有光催化试剂进行紫外光照射水体样品进行灭活处理，其照射时间t(min)对隐孢子虫灭活率inactivation race(％)的影响。

例四

按例二相同的实验方法，以纯水作为水样进行对比试验，在相同照射时间(10分钟)下，设置不同光强照射实验样品。与例二不同之处在于，进行一组对比实验，分别设置不同强度的UV和UV/TiO₂，照射隐孢子虫样品。每次反应处理溶液的容量为50mL，实验过程中同时对反应液进行搅拌，防止催化剂沉降，之后利用荧光活性染色方法鉴定灭活效果，统计结果见图2。对比实验是指，在相同的紫外光照射条件下，对比加有光催化试剂的水体样品，与不加入光催化试剂的水体样品的灭活效果，分别得到一条UV/TiO₂表示的曲线段和UV曲线，从而表现加入光催化试剂对灭活效果的影响。从图2中可以看：UV/TiO₂灭活隐孢子虫的能力明显高于UV直接照射。UV/TiO₂系统中UV的光强为13mw/cm²就可以使水中隐孢子虫的灭活率达到3log(99.9％)，而单一的UV照射需要25mw/cm²的光强。

例五

按例三相同的实验方法，以纯水作为水样进行对比试验，在相同照射强度(5mw/cm²)下，设置不同照射时长照射实验样品。与例三不同之处在于，进行第二组对比实验，分别设置相同强度的UV和UV/TiO₂，在多个照射时长条件下照射贾第虫样品进行对比实验。每次反应处理溶液的容量为50mL，实验的过程中同时对反应液进行搅拌，防止催化剂沉降，之后利用荧光活性染色方法鉴定不同时间段的灭活效果，统计结果见图3。从图3中可知：相同的UV光强下，UV/TiO₂系统经过25-30min就可以使水中贾第虫的灭活率达到4log(99.99％)，而UV系统需要大于60min。这说明：UV/TiO₂系统灭活水中隐孢子虫和贾第虫十分有效。

例六

采用例一的方法和设备对饮用水中隐孢子虫卵囊和贾第虫孢囊进行杀菌消毒，实验结果与传统杀毒方法进行比较，其效率的优点见下表：

 UV/TiO₂  氯胺  二氧化氯 氯气  CT(mg min/L) 60  ＞9600  ＞78 8400  副产物 无毒的无机小分 子物质如CO₂、 H₂O及各种相应的 无机离子  如CPK、CNCl及H  Ks  ClO2-、ClO3-和  BrO- THMs、HAAs、 HANs、H Ks、CPK 、CH  毒害 无  明显低于氯消毒  在高剂量或高浓  度时具有潜在的  毒性 致癌风险性高  成本 低  低  低 低  工艺 较简单  简单  易爆炸，难控制 简单

从上表的比较可以得出，本发明的方法和设备简便有效，无毒、副产物，是一种高效高安全、低成本的方法及设备，有利于推广应用。