张烁

摘要：采用消毒方式灭活无脊椎动物是控制活体无脊椎动物进入供水管网的有效手段。本研究主要探究紫外线对饮用水中的优势无脊椎动物——轮虫的灭活效果。研究结果显示：紫外线强度和剂量对轮虫的灭活效果均有影响。强度相同时，剂量越大灭活效果越好，当紫外线剂量达到3000J/m2时可实现对轮虫的完全灭活。剂量相同时，高强度、短时间的辐照对轮虫的灭活效果越好。紫外线灭活轮虫的反应符合两阶段一级反应动力学模型，并且k1始终小于k2。浊度和有机物浓度都会降低紫外线对轮虫的灭活率。

Abstract： Inactivating invertebrates by disinfection is an effective method to control living invertebrates entering the water supply network. This study mainly explored the inactivation effect of ultraviolet （UV） on rotifers， the dominant invertebrate in drinking water. The results show that：both the intensity and dose of UV have an impact on the inactivation of rotifers. When the intensity is the same， the larger the dose， the better the inactivation effect. When the UV dose reaches 3000 J/m2， the rotifers can be completely inactivated. When the dose is the same， high-intensity and short-radiation time are better for the inactivation of rotifers. The inactivation reaction conforms to the two-stage first-order reaction kinetic model， and k1 is always smaller than k2. Both turbidity and organic matter concentration reduce the inactivation rate of rotifers by UV.

关键词：饮用水;紫外线;轮虫;灭活;灭活动力学

Key words： drinking water;UV;rotifer;inactivation;inactivation kinetics

中图分类号：X703                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0197-03

0  引言

随着臭氧-生物活性炭深度处理工艺在饮用水处理中的应用，无脊椎动物过度繁殖和泄漏的问题越来越得到研究者的重视和关注[1，2]。无脊椎动物存在于供水系统中会给供水安全带来一定的感官风险和潜在的生物安全风险[2]，因此需要采取有效措施来控制无脊椎动物的繁殖和泄漏。在饮用水处理系统中针对无脊椎动物的控制策略主要包括优化处理工艺、强化过滤截留和有效杀灭[3]。其中有效杀灭是基于自来水厂消毒环节，探究不同消毒方式对无脊椎动物的灭活效果，以期减少进入供水管网中活体无脊椎动物的数量。采用较多的消毒方式主要有氯、二氧化氯、臭氧和紫外线等。

紫外线是一种有效的、不会产生消毒副产物的物理杀菌方法，在给水处理中显示了很好的市场潜力[4，5]。紫外线主要是通过对微生物的DNA和RNA产生破坏而达到杀菌的目的[6]。紫外线的杀菌效率高。当紫外强度为3×104μw/cm2时，紫外线杀灭病毒及细菌约需0.1～1秒的接触时间、杀灭霉菌孢子需1～8秒、杀灭藻类需5～40秒[7]。有关紫外线灭活无脊椎动物的研究还不多。Chen等[8] 和Matsumoto等[9]分别探究了紫外线对桡足类和線虫的灭活效果。研究表明，轮虫通常是饮用水处理系统中的优势无脊椎动物[10]。为了在饮用水无脊椎动物污染控制中选择有代表性的种类，并了解不同种类的无脊椎动物在紫外线作用下的不同表现特征，本文以淡水中常见的萼花臂尾轮虫的纯培养样本为研究对象，探讨紫外线对轮虫的灭活效果和灭活动力学。

1  材料与方法

1.1 轮虫的培养

轮虫的培养方式参照Lu等人[11]的研究：将轮虫在体视显微镜（日本，Olympus，SZ61TR）下转移至EPA培养基（96mg NaHCO3，60mg CaSO4，60mg MgSO4，4mg KCl，1L 去离子水，pH7.5）中放大培养;每日投喂小球藻（小球藻的培养方式参照Yang等[12]的研究），投喂密度控制在106cells/mL，为避免小球藻培养基对轮虫生长繁殖的影响，投喂前将小球藻液用EPA培养基反复冲洗3～4次（用离心机在4000转/min下离心5min）;培养是在25±1℃恒温光照培养箱（中国，新苗，GZX-150BS-Ⅲ）中进行，光照强度为200 lux，昼长比为16h：8h。每48h需更换培养液1次。实验前，需将放大培养的轮虫用纯水反复冲洗几次。

1.2 紫外灭活实验

以直径为60mm的培养皿为实验容器，以10mL纯水为实验基质，向每个培养皿中加入28～32只大小相近（体长、体宽分别在250μm和150μm左右）、游泳能力较强的轮虫。紫外线辐照装置（如图1所示）由紫外线灯管、灯箱、平行光管、遮光板和升降台构成。设置不同高度的平行光管是为了控制紫外灯管到培养皿的距离，进而改变紫外线辐照强度。紫外线辐照强度（I，W/m2）用紫外线辐照计对254nm波长进行测定。本实验中使用的紫外线辐照强度为1、1.5、2.0W/m2。紫外线辐照剂量（D，J/m2）为紫外线辐照强度和紫外辐照时间（t，s）的乘积。实验前开启装置预热30min，待紫外灯稳定后使用。然后将培养皿转移至紫外灯下辐照。辐照一定时间后，盖上遮光板，随后在体视显微镜下观察轮虫的存活状况。轮虫死亡判断依据为15s内虫体及内脏器官保持不动并用针尖刺激虫体无反应。

1.3 灭活效果评价

紫外线灭活轮虫的效果依据灭活率（S）来判断，计算公式如下：

S=（N0-N）/N0×100%          （1）

式中：N：灭活反应一定时间段后的轮虫存活数，ind;N0：初始轮虫存活数，ind;S：轮虫灭活率，%。

1.4 分析方法

TOC采用岛津TOC测定仪测定，浊度采用哈希2100N浊度仪测定。所有数据平行测定3次，结果取平均值。

2  结果与讨论

2.1 紫外线辐照对轮虫的灭活效果

不同紫外线辐照强度和剂量条件下轮虫的灭活率显示在图2中。

可以看出，当紫外线辐照强度相同时，随着紫外线辐照剂量的增加，轮虫的灭活率上升。自来水厂常规的紫外线消毒剂量多为400J/m2[13]。在本研究中，当紫外线剂量为600J/m2时，轮虫的灭活率小于20%，灭活效果很差。当紫外线剂量达到3000J/m2时，才能实现对轮虫的完全灭活。可见，自来水厂常规剂量紫外消毒对轮虫的灭活效果不佳。朱洁等[14]对上海某采用紫外线消毒的自来水厂进行取样发现，紫外线消毒对无脊椎动物（包括轮虫、线虫、甲壳类等）整体的灭活率仅为4.6～26.9%。

当紫外线辐照剂量相同时，随着紫外线辐照强度的增强（辐照时间缩短），轮虫的灭活率上升。即在同一紫外线剂量下，高强度、短时间的辐照对轮虫的灭活效果越好。以紫外线辐照剂量为1800J/m2为例，当紫外线辐照强度为1、1.5和2.0W/m2时，轮虫灭活率分别为51.6%、58.2%和71.5%。一般来说，紫外线强度在1～20mW/cm2范围内，紫外线剂量—灭活率响应曲线遵循辐照强度与辐照时间可逆法则[15]。在本研究中，使用的紫外线辐照强度较小，因此，在较高辐照强度下，紫外线灭活轮虫是否还遵循高强度、短时间的辐照，灭活效果越好的规律还需进一步验证和探究。

2.2 紫外线灭活轮虫的动力学分析

由表1可知，各紫外线辐照强度条件下，两阶段拟合的相关系数均大于0.9，因此各紫外线辐照强度下的ln（N/N0）与紫外线辐照剂量具有较强的线性关系，即在实验条件范围内，紫外线灭活轮虫的反应符合两阶段一级反应动力学模型。

本研究中k1始终小于k2，与次氯酸钠灭活剑水蚤的动力学结果相似[16]。分析认为，在轮虫体内有抗氧化防御系统，在紫外线辐照剂量较低时，轮虫未出现过多的死亡，说明此时轮虫体内的抗氧化防御系统耐受还未达到上限;而当Dt超过D时，抗氧化防御系统耐受力突破上限，轮虫快速死亡。

2.3 紫外线灭活轮虫的影响因素分析

本研究是在基质为纯水中进行，而实际自来水中含有多种物质，会对紫外线灭活效果产生影响。本研究中主要考虑浊度和有机物浓度对轮虫灭活效果的影响。

2.3.1 浊度的影响

选用1.5W/m2的辐照强度、1800J/m2的辐照剂量，向纯水中加入高岭土来改变浊度，设计浊度为0.1～9.1NTU，浊度对灭活效果的影响如图4所示。

由图4可见，随着浊度的增加，轮虫灭活率逐渐降低。当浊度为3.2NTU时，轮虫的灭活率相较于原水降低了26%。浊度会对紫外线的灭活效果产生影响的原因可能有：悬浮物的吸收和散射作用使紫外线光强度降低;颗粒对轮虫起到了遮蔽作用，从而保护了轮虫。

2.3.2 有机物浓度对灭活的影响

选用1.5W/m2的辐照强度、1800J/m2的辐照剂量，向纯水中加入腐殖酸来改变有机物浓度，利用TOC指标来代表有机物的浓度。分别控制TOC浓度为0mg/L、1mg/L、3mg/L、5mg/L、7mg/L、9mg/L，有机物浓度对灭活效果的影响如图5所示。

由图5可见，随着有机物浓度的增加，紫外线对轮虫的灭活率同样逐渐下降。当TOC=1mg/L时，对轮虫的灭活率影响较小，较TOC浓度为0的对照组下降了2%;当TOC=9mg/L，轮虫的灭活率下降了37%。有机物的存在对紫外线灭活轮虫有一定的影响，分析认为是腐殖酸会消耗部分紫外线进行光解作用，从而影響紫外线对轮虫的灭活效果。此外，试验条件下腐殖酸溶液色度均接近于0，因此不考虑试验中色度对紫外线灭活轮虫的影响。

3  结论

①自来水厂常规剂量的紫外消毒对轮虫的灭活效果不佳。当紫外线剂量达到3000J/m2时，可实现对轮虫的完全灭活。②在同一紫外线剂量下，高强度、短时间的辐照对轮虫的灭活效果越好。③紫外线灭活轮虫的反应符合两阶段一级反应动力学模型，并且第1阶段的反应速率小于第2阶段。④浊度和有机物浓度都会降低紫外线对轮虫的灭活率。

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