TiO2光催化滅活兩種病原菌的試驗研究

丁寧，高麗麗，龐國瑞，賈萍萍，王洪波

（山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101）

TiO2光催化滅活兩種病原菌的試驗研究

丁寧，高麗麗，龐國瑞，賈萍萍，王洪波*

（山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101）

TiO2光催化消毒是一種安全有效的消毒方式，對改善目前水污染狀況和飲用水水質具有重要意義。文章以污水廠二級出水中金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群兩種病原菌為試驗對象，采用光催化滅活實驗，研究了TiO2的種類及濃度、紫外光的光照強度及時間和pH值對TiO2光催化滅活金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群滅活效果的影響，并與紫外光（UV）滅活效果進行了對比研究。結果表明：TiO2的種類及濃度、光照強度及時間和pH值均對TiO2光催化滅活效果有顯著影響；在TiO2為P25、濃度為0.5 g／L、光照強度為40 W、光照時間為20 min的條件下，TiO2光催化能夠取得最好的滅活效果；而酸性和堿性條件下，其滅活效果比中性條件下要好；TiO2對金黃色葡萄球菌光催化滅活效果優于UV。

TiO2光催化；金黃色葡萄球菌；糞大腸菌群；UV；剩余菌數

0 引言

污水再生利用是緩解我國水資源短缺的有效手段之一，但其中含有的病原菌也是限制它進一步使用的阻礙條件［1］。如果再生水中的病原菌進入人體，人就會感染患病，這要比其中的微量有機污染物對人體的危害更大。所以，迫切需要一種安全有效的技術處理再生水。隨著對再生水消毒技術的研究，其消毒技術主要有氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒、UV消毒、TiO2光催化消毒［2-3］。氯消毒已有百年歷史，價格低廉，但是會產生有致癌作用的氯仿、四氯化碳和氯乙酸等消毒副產物。臭氧消毒也會產生醛酮類消毒副產物，而且運行費用高。二氧化氯消毒成本高，過量投加會在水中形成大量亞氯酸鹽［4］。UV消毒具有光復活現象。而TiO2光催化消毒是TiO2在UV照射下發生光催化反應，產生羥基（·OH）和超氧負離子等強氧化性物質。這些物質能夠將水中的金黃色葡萄球菌、糞大腸菌群、酵母菌和葡萄球菌等病原菌殺死，并將其它有機物礦化。其催化劑損耗很低，無消毒副產物，無二次污染，而且其穩定性很高，有廣闊的發展前景［5-7］。

催化劑晶型和TiO2的含量會影響光催化滅活病原菌的效果。常用的TiO2有P25、子西萊、TBD-A500三種。其中P25的平均粒徑為21 nm，TiO2含量大于99.5%，且其由80%的銳鈦礦和20%的金紅石混合組成。子西萊的平均粒徑為10 nm，TiO2含量大于92%，是混晶型。TBD-A500的平均粒徑為500 nm，TiO2含量大于98.5%，是銳鈦礦型。

20世紀90年代以來，由于飲用水水質問題的嚴重性，人類更加全面、深入地認識水中的病原菌，并且不斷有新的發現［8］。金黃色葡萄球菌是革蘭氏陽性菌［9］，其細胞壁較厚，有15～50層肽聚糖和大量磷壁酸，細胞壁較堅韌。部分金黃色葡萄球菌會分泌腸毒素［10］，一旦進入人體就會引起人體中毒。糞大腸菌群是革蘭氏陰性菌［11］，其細胞壁較疏松，僅2～3層肽聚糖。作為再生水病原菌指示微生物，糞大腸菌群更能反映水中病原菌存在狀況［12］，是水質污染的重要指標之一。兩類細菌對抗外界的能力不同，有必要選取兩類病原菌進行試驗。所以，文章利用TiO2光催化消毒技術處理污水廠二級出水，以金黃色葡萄球菌、糞大腸菌群為代表，得出滅活兩類病原菌的最佳參數，優化TiO2光催化滅活病原菌試驗。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

生化培養箱（SPX-100B-Z）由右一儀器有限公司（上海）制造；手提式電熱壓力蒸汽消毒器（YXOG02）由安得醫療科技有限公司（山東淄博）制造；電子天平（CP114）由奧豪斯儀器有限公司（上海）制造；高速離心機（TG16-WS）由湘儀離心機儀器有限公司（長沙）制造；循環水式多用真空泵（SHK-III）由科泰實驗設備有限公司（鄭州）制造；電磁空氣壓縮機（ACO-388D）由海利集團有限公司（廣東潮州）制造；光學顯微鏡（XSP-4C）由儀圓光學儀器有限公司（上海）制造；分光光度計（UV-3200）由美譜達儀器有限公司（上海）制造。

試驗中所用試劑孔雀石綠、磷酸氫二鈉、檸檬酸、品紅、亞硫酸鈉、乙醇、TiO2（P25；子西萊；TBD-A500三種）、濾膜（孔徑為0.45μm、直徑為50 mm）等均由國藥集團化學試劑有限公司（上海）提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 光催化滅活實驗

如圖1所示，將8 L加入一定量TiO2的原水倒入光催化滅活實驗裝置反應器夾層中，同時把紫外燈從容器上蓋中心圓孔處放入，依次打開空壓機管路閥門空壓機曝氣，攪拌，最后將紫外燈打開，光催化反應開始計時。實驗光照過程中，定時從管壁最下方取水口取水，利用分析方法（1.2.2）檢測水中金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群兩種病原菌的剩余菌數。

圖1 光催化實驗裝置圖

試驗原水（各指標見表1）采用的是經山東建筑大學中水站砂濾池后出的水。TBD-A500的價格相對便宜，粒徑大利于膜的回收，所以非注明情況下，TiO2選用TBD-A500，TiO2的濃度選取0.5 g／L，紫外光的光照強度選用 40 W，曝氣量選取

0.18 L／h。

表1 原水水質

1.2.2 分析方法

·OH的計數采用孔雀石綠法［13-14］，金黃色葡萄球菌的計數采用國標Baird-Parker平板計數法［15］，糞大腸菌群的計數采用濾膜法［16］。

2 試驗結果與分析

2.1 TiO2對·OH生成量的影響

由圖2可知，當TiO2的濃度分別為0.01、0.05 g／L時，·OH的生成量相對較多；而當TiO2濃度為2 g／L時，·OH生成量相對較少。其原因是在低濃度TiO2反應體系中，紫外光源被充分利用，產生的·OH濃度較高；而高濃度TiO2反應體系會影響紫外光源的穿透力，降低總體有效光照效果，導致TiO2表面因受激發而產生電子（e-）和空穴（h+）的量減少，所以生成的·OH濃度較低［17］。在實際水處理中，反應體系不會采用蒸餾水，生成的·OH會與所處理水樣中的微生物或其它污染物反應，消耗大量·OH，而且TiO2光催化氧化反應是在TiO2表面發生。在實際水處理中，低濃度的TiO2反應體系中TiO2比表面積小，無法提供足夠的·OH，因而需要結合此項試驗結果進一步探索實際水處理的最佳TiO2投加濃度。

圖2 ·OH的生成量隨TiO2濃度的變化圖

由圖3可知，當TiO2濃度為0.05 g／L時，反應5 min后，·OH生成量上下浮動差值為3.7×10-6mg／L；當TiO2濃度為0.5 g／L時，反應5 min后，·OH上下浮動差值為2.7×10-6mg／L。·OH生成量隨時間變化有波動，但波動幅度控制在一定范圍，這說明在沒有微生物和污染物等因素影響下，·OH生成量波動情況不隨反應時間變化。

圖3 ·OH的生成量隨時間的變化圖

2.2 TiO2的種類對TiO2光催化滅活效果的影響

由圖4可知，三種催化劑對糞大腸菌群的滅菌率均達到97%以上，P25光催化劑滅活糞大腸菌群的效果最好，TBD-A500滅活糞大腸菌群的效果最差。雖然催化劑粒徑越小催化活性越高，但TiO2三種晶型不同的外部電子結構和空穴排列影響催化速率［18］。P25的TiO2含量高于子西萊。P25晶型比子西萊的晶型固定。TBD-A500的催化劑純度、晶型比例和粒徑大小均弱于前兩者。但TBD-A500價格相對便宜，粒徑大利于膜的回收，催化劑滅活效率相對來說僅低0.8%。綜合考慮，試驗選取TBDA500光催化劑。

圖4 催化劑的種類對糞大腸菌群滅活效果影響圖

2.3 TiO2的濃度對其光催化滅活效果的影響

圖5為40W紫外燈照射5 min，TiO2濃度對兩種病原菌滅活效果的影響。當TiO2濃度小于0.5 g／L時，光能量不能被有效利用，金黃色葡萄球菌剩余菌數較多；當TiO2濃度為0.5 g／L時，其剩余菌數達到11個／mL；當TiO2濃度大于0.5 g／L，進入懸浮液中可被吸收的光子已全被催化劑吸收，使催化劑表面產生的活性基團數目基本保持不變，TiO2濃度繼續增大會造成光散射，溶液渾濁度增加，催化劑不能得到充分利用［19］，最終使剩余菌數增大。當TiO2濃度小于0.5 g／L時，糞大腸菌群的滅菌率隨TiO2濃度的升高先減小后增大，這是因為UV照射對糞大腸菌群有很高的滅活率，但隨TiO2濃度的升高，滅菌機制成為主要殺菌原因；當TiO2濃度大于0.5 g／L時，其滅活率隨TiO2濃度的升高而減小，這是因為催化劑對光的散射能力增大阻礙了光線的投射深度，使光催化效率降低［20］。綜上所述，TiO2試驗濃度選取應為0.5 g／L。

圖5 TiO2的濃度對兩種病原菌滅活效果的影響圖

2.4 紫外光的光照強度對TiO2光催化滅活效果的影響

分別采用光照強度為4、15、40和90 W的四種紫外燈照射原水，用以比較紫外光的光照強度對金黃色葡萄球菌滅活效果影響。由圖6可知，在四種光強下，光照強度對滅活效果的影響隨著光照時間的增加而減弱，剩余菌數均逐漸減少；反應40 min后，剩余菌數趨于0。在15和40W的紫外光強下，剩余菌數的下降趨勢和對金黃色葡萄球菌滅活速度均較快。TiO2光催化反應速率只是在一定的光強范圍內受其影響，隨著光強的不斷增大，光催化反應速率不一定會不斷增大［19］。40 W紫外光強滅菌速度比15 W的要快，其主要原因為一般光強越強，照射到催化劑表面的光量子數越多，產生的高能電子—空穴對越多，有利于提高光催化效率［21］。短時間條件下，水中金黃色葡萄球菌含量高，40 W的光強可以提供足夠的光源使體系產生足夠的·OH參與滅菌反應；而15 W紫外燈初時提供的光源相對不足，但隨著時間的增加，剩余菌數的減少，需要的光源也相應減少，在長時間照射后兩種光源的滅活效果趨于一致。所以，光源強度的選擇不能過高或過低，病原菌含量低時可以選取低強度光源，而含量高時則要選取高強度光源，這樣可以避免光源強度的浪費，因此應該依據原水中病原菌含量選取合適光源強度。

圖6 光照強度對金黃色葡萄球菌滅活效果影響圖

2.5 紫外光的光照時間對TiO2光催化滅活效果的影響

由圖7可知，反應0.5 min時金黃色葡萄球菌的滅活率為83%，反應1 min時可達到94%，反應8 min時可達到99%，而反應20 min時達到了99.91%，此時其剩余菌數僅為3個／mL；隨著照射時間的進一步增加，其滅活率可達到100%。因此，反應20 min幾乎可以滅活全部金黃色葡萄球菌。反應1 min時糞大腸菌群滅活率為95%，反應5 min時可達到99.2%，反應10 min時已經達到99.9%，此時剩余菌數小于2個／mL。因此，反應10 min幾乎可以全部滅活糞大腸菌群。所以對金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群的滅活時間選取20 min即可。2.6 pH值對TiO2光催化滅活效果的影響

圖7 光照時間對兩種病原菌滅活效果的影響圖

溶液pH值對TiO2光催化效果的影響有（1）影響催化劑的表面特性和污染物在其表面的吸附行為；（2）影響反應體系中活性物質的生成速率，從而對光催化反應產生作用［22］。催化劑TiO2是兩性氧化物，其等電點約為6.6，當pH＞6.6時，催化劑表面電荷為負電荷，其主要形態為；pH＜6.6時，催化劑表面電荷為正電荷，主要形態為［23］。

圖8為40 W紫外燈照射5 min，不同pH值對兩種病原菌滅活效果的影響。隨pH值增大，兩種病原菌的滅活率先減小后增大。由于二者細胞構造的不同，使其對·OH的吸附效果有所差別，造成不同的滅活效果。一般來講，金黃色葡萄球菌在堿性條件下滅活效果較好，糞大腸菌群在酸性條件下滅活效果較好。

圖8 pH對兩種病原菌滅活效果的影響圖

3 TiO2光催化和UV對兩種病原菌滅活效果的對比

由圖9和10可以看出，TiO2光催化滅活金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群的效果優于UV。Dunford等研究表明，光照TiO2產生的·OH對DNA雙鏈有直接破壞作用，細菌細胞越大，細胞個數越多，細胞壁越厚，則對UV照射抵抗力就越強［24］。金黃色葡萄球菌細胞壁較厚，UV照射不能快速穿透細胞壁，TiO2光催化產生的·OH對金黃色葡萄球菌具有更好的滅活效果。糞大腸菌群屬于革蘭氏陰性菌，細胞壁較薄，UV容易穿透其細胞，破壞遺傳物質。同時可以看出，TiO2光催化和UV滅活革蘭氏陰性菌相對滅活革蘭氏陽性菌用時均短。

圖9 TiO2光催化和UV對金黃色葡萄球菌滅活效果對比圖

圖10 TiO2光催化和UV對糞大腸菌群滅活效果對比圖

4 結論

由研究可知：

（1）TiO2光催化滅活金黃色葡萄球菌和糞大腸菌群的效果受TiO2的種類及濃度、紫外光的光照強度及時間和pH值的影響。結果表明：在TiO2為P25、濃度為0.5 g／L、光照強度為40W、光照時間為20 min的條件下，TiO2光催化滅活效果最好。對于這兩種病原菌，在酸性和堿性條件下，其滅活效果比中性條件下要好。

（2）在文中試驗參數條件下，若達到與TiO2光催化滅活相同的滅活效果，UV滅活金黃色葡萄球菌這種抵抗力強的革蘭氏陽性菌需要較長的照射時間。達到相同滅活效果時，TiO2光催化和UV滅活革蘭氏陰性菌的用時比滅活革蘭氏陽性菌用時短。

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（學科責編：李雪蕾）

Experimental study of TiO2photocatalytically inactivating two pathogenic bacteria

Ding Ning，Gao Lili，Pang Guorui，et al.

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

TiO2photocatalytic disinfection which is important for improving the current situation and the pollution of drinking water is a safe and effective method.As the experimental object，two pathogenic bacteria such as staphylococcus aureus and faecal coliforms from secondary sewage plant effluent in the photocatalytic inactivation experiments were tested to investigate the impact of TiO2species，TiO2concentration，light intensity，light time and pH on the photocatalysis，and compared with the UV.The results indicate that TiO2species，TiO2concentration，light intensity，light time and pH all have significanteffects on the inactivation.The best resultof photocatalytic inactivation appears with P25，TiO2concentration of 0.5 g／L，the light intensity of 40 W，and the light time of 20 min.The effect of acidic and alkaline conditions is better than that of neutral conditions.And TiO2photocatalytic inactivation to the staphylococcus aureus is better than that of the UV.

TiO2photocatalysis；staphylococcus aureus；streptococcus faecalis；UV；remaining bacteria number

X7

A

1673-7644（2015）02-0141-06

2014-11-21

山東省科學技術發展計劃項目（2011GSF11703）

丁寧（1991-），女（回族），在讀碩士，主要從事水處理理論與技術等研究.E-mail：1223478347＠qq.com

*：王洪波（1966-），男，教授，博士，主要從事水污染控制理論與技術和非常規水資源化理論與技術研究.E-mail：wanghongbo＠sdjzu.edu.cn