電化學氧化法對海水工廠化養殖尾水消毒作用的研究

殷小亞， 喬延龍， 賈 磊， 周明華， 馬 超， 王 婷

(1.天津市水產研究所，天津 300221； 2.天津市海洋咨詢評估中心，天津 300457；3.南開大學環境科學與工程學院/環境污染過程與基準教育部重點實驗室，天津 300350)

由于養殖密度高、餌料負載量大，餌料顆粒、養殖動物代謝廢物等存在于養殖水體中，導致養殖水體中無機鹽、有機物等含量增加，為水體中細菌的生長繁殖提供了有利條件。養殖水體暴發的有害菌主要包括大菱鲆弧菌、溶藻弧菌、愛德華氏菌、鏈球菌、熒光假單胞菌、希瓦氏菌、副溶血弧菌、鰻弧菌、哈維氏弧菌、氣單胞菌等[1-3]。在適宜環境條件下，細菌快速繁殖，在水體中快速蔓延，如不及時殺滅，極易暴發傳染病。傳統水產養殖水體消毒主要包括投加抗生素、氯制劑、溴制劑、碘制劑、醛類等，以及使用臭氧、紫外燈等。傳統消毒方法具有較好的消毒效果，同時也有一些局限性。相對于傳統的水產養殖水體消毒，電化學消毒一般不需要投加試劑，節省成本，同時消毒副產物較少，是比較清潔的消毒技術。

本研究主要探討電化學技術對海水養殖水體的殺菌作用。電化學技術是近年來新興的一種水處理方法，通過外加電場的物理作用和電解產物的化學作用殺滅細菌。根據電化學技術殺滅細菌方式不同，可分為直接殺菌和間接殺菌。直接殺菌是在外加電場的作用下擊穿細胞膜，導致細胞質外流，進而使細菌失活，間接殺菌則通過電解產生的羥基自由基(·OH)和HClO等強氧化性物質進行殺菌[4-5]。電化學技術可以激發產生極高氧化電位的羥基自由基(·OH)，對細菌細胞破壞性極強，殺菌效果非常顯著[6]。在氯離子存在的水中，通過電化學反應，可以產生HClO，HClO易于穿過細胞壁，損害細胞膜，破壞蛋白質、核酸等物質，從而使細菌死亡[7-8]。所以電化學技術可以對養殖水體進行消毒。由于海水中含有較多的鹽離子，同時含有較高的氯離子，為電化學處理提供了天然的電解質，使電解過程中無需添加任何藥劑。在海水養殖過程中弧菌是引起弧菌病的一類細菌，在全球范圍內廣泛發生，不僅會引起海水養殖生物疾病的暴發，還會引起野生海水魚類、貝類等生物疾病的暴發[9-10]。鰻弧菌、創傷弧菌、哈氏弧菌、溶藻弧菌等都是海水養殖中常見的致病菌[3，11]，對海水養殖生物造成嚴重影響。故本研究在探討電化學技術對總細菌的殺菌作用之外，還單獨對細菌中的弧菌進行了滅菌效果的試驗，以期為解決海水高密度養殖過程中弧菌病暴發的問題提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器設備

直流穩壓電源(APS3005Dm)，購自深圳市安泰信科技有限公司；磁力攪拌器(RCT basic)，購自愛卡(IKA)儀器設備有限公司；高壓蒸汽滅菌器(MLS-3781L-PC)，購自松下(Panasonic)電器有限公司；超凈工作臺(HS1300)、生化培養箱(SPX-250BⅢ)，購自天津市泰斯特儀器有限公司；電極片(Ti/RuO2-IrO2、Ti)，購自寶雞隆盛有色金屬有限公司；海水細菌固體培養基(2216E)、弧菌固體培養基(TCBS)，購自青島海博生物技術有限公司。

1.2 試驗裝置

本試驗采用間歇流的試驗裝置，組成主要包括電解反應池、直流穩壓電源、磁力攪拌器、鈦鍍釕銥板(Ti/RuO2-IrO2)陽極、純鈦(Ti)片陰極、電極夾、導電線等，電解反應池為圓柱形，由耐熱玻璃制成，半徑4 cm，高度10 cm，有效容積500 mL。電極片尺寸為70 mm×50 mm×2 mm，直流穩壓電源可調電壓及電流范圍分別為0～30 V、0～5 A。

1.3 試驗水樣及測定方法

本試驗開展時間為2018年4月，試驗以實際海水養殖尾水為研究對象，現場采集水樣，立即送回實驗室進行試驗。水樣采自天津市濱海新區漢沽地區楊家泊鎮某海水工廠化養殖車間。采樣按照GB 17378.7—2007《海洋監測規范 第7部分：近海污染生態調查和生物監測》中關于細菌的水樣采集方法進行。初始水體中細菌總數為1.92×107CFU/L，弧菌總數為6.0×106CFU/L。

水體中總細菌及弧菌分別采用2216E海生微生物培養基及TCBS瓊脂培養基培養。取原始水樣分別稀釋至10-1、10-2、10-33個梯度，每個梯度取100 μL涂布于平板培養基上，并作3個平行。經恒溫培養箱28 ℃、72 h恒溫培養，以菌落總數在30～300以內的梯度平板為有效計數平板。

1.4 數據處理與分析

試驗數據處理采用Origin 8.5、Excel 2007，過程中涉及的滅菌率及能耗的計算方法如下：

(1)滅菌率的計算方法[12]如下：

式中：C0為起始細菌濃度，CFU/mL；Ct為處理t時間后的細菌濃度，CFU/mL。

(2)滅菌能耗(kW·h/m3)的計算方法[13]如下：

式中：U為電壓，V；I為電流，A；t為電化學處理時間，min；V為電化學處理的水量，m3。

1.5 試驗變量設計

試驗過程中主要設計了電壓、電極板間距、電化學處理時間3個變量，根據本領域研究基礎[14]，每個變量設計了3個水平，電壓分別為3、5、7 V，電極板間距分別為2、3、4 cm，電化學處理時間分別為3、5、7 min。每次固定1個電壓及電極板間距，經電化學處理3、5、7 min時，分別從電解池內取出適當的水量，進行細菌、弧菌培養并計數。

2 結果與分析

2.1 細菌滅菌率

每次試驗時設定1個固定電極板間距，電化學處理時間從3 min增加到7 min，分別測定電壓3、4、5 V時的滅菌率變化。從圖1可以看出，在設定的3個電極板間距情況下，整體表現出電壓3 V時的滅菌率低于電壓4、5 V時，在試驗設定的每個電極板間距下，電壓4、5 V時的滅菌率均在90%以上，且多組條件下滅菌率為100%，表明電壓越大，滅菌效果越優。通過SPSS多因素回歸分析得出，電壓是影響滅菌率最為顯著的變量，滅菌率與電壓之間存在線性關系。從滅菌率與處理時間的關系上來看，同一電壓條件上，基本表現出滅菌時間越長滅菌率越高的特點。同時，在電壓較低的3 V條件下，電極板間距2 cm時的滅菌效果優于電極板間距3、4 cm時，表明電壓稍低時，極板間距對滅菌率有較大影響。電壓4、5 V時，不同電極板間距下，滅菌率均很高，表明較高電壓條件下，極板間距對滅菌率的影響不顯著，影響滅菌率的主要因素是電壓。

2.2 細菌滅菌能耗

從圖2中可以看出，在相同電極板間距、相同電化學處理時間條件下，能耗隨著電壓的增大而增大。電極板間距2 cm時(圖2-a)，電壓3 V，電化學處理時間3 min滅菌能耗最低，為0.019 kW·h/m3，此時滅菌率為80.2%；當電化學處理時間延長到5 min時，滅菌率已經達到95.3%，此時能耗為 0.029 kW·h/m3；電化學處理時間延長到7 min時，滅菌率已達97.4%，而此時的能耗為0.030 kW·h/m3；能耗表現出隨處理時間的延長而增加，增加幅度并不大，且滅菌率有顯著提高。從能耗數據中可以看出，電壓5 V，當電化學處理時間3 min時，滅菌能耗最高，為0.487 kW·h/m3。電極板間距為3 cm時(圖2-b)，電壓3 V條件下，3個處理時間點上能耗接近，均很低，分別為0.020、0.024、0.020 kW·h/m3，3個處理時間點上的滅菌率最高時為58.5%；電壓4 V條件下，所有處理時間點上，滅菌率均為100%，能耗最低點為電化學處理3 min時，為 0.207 kW·h/m3；電化學處理5 min，電壓 5 V 時能耗最高，最高時為0.614 kW·h/m3，此時滅菌率為100%。電極板間距4 cm時(圖2-c)，電壓3 V條件下，在3個處理時間點上能耗均很低，分別為0.012、0.015、0.012 kW·h/m3；電壓4 V時，處理 3 min 時滅菌率達96.9%，此時能耗僅為 0.076 kW·h/m3，處理5 min時滅菌率達100%，此時能耗僅為0.097 kW·h/m3；電壓5 V，電化學處理時間5 min時能耗最高，為0.225 kW·h/m3，此時滅菌率為100%。

2.3 弧菌滅菌率

在該試驗所設置的試驗變量中，對電化學處理前后不同梯度的水體進行弧菌培養，培養條件28 ℃恒溫、72 h。經過培養處理之后發現，原水中弧菌菌落濃度平均值分別為6.0×106CFU/L，而經過電化學處理后，3、4、5 V電壓的條件下，2、3、4 cm電極板間距條件下，3、5、7 min的處理時間條件下，弧菌的滅菌率如圖3所示，任一變量組合條件下的電化學處理后結果均顯示為弧菌培養基上均無任何弧菌菌落的生長，培養弧菌的滅菌率均為100%，說明電化學技術對弧菌的滅菌效果尤為突出。

2.4 弧菌滅菌能耗

弧菌滅菌試驗與細菌滅菌試驗同步進行，每次取水樣與細菌同步，由于能耗的表示方法為 kW·h/m3，表示為處理1 m3水體消耗的能量，故弧菌的滅菌能耗與細菌相同。

由于試驗開展過程中，每組試驗條件下，弧菌的滅菌率均為100%，故若單獨選定最佳弧菌滅菌條件，可選擇能耗最低的一組，為電壓3 V、電極板間距4 cm、電化學處理時間3 min，此時能耗僅為 0.012 kW·h/m3。

3 討論與結論

本試驗設定的電壓、電極板間距、電化學處理時間對海水養殖尾水中總細菌的滅菌作用非常顯著，在本試驗設定的多組變量條件下，均能實現滅菌率100%。整體上表現出在相同電極板間距、相同電化學處理時間的條件下，滅菌效率隨著電壓的增加而提高。電壓是影響滅菌率的主要因素。同時，電化學處理技術對弧菌的滅菌效果極佳，在本試驗所有變量組中，經過電化學技術處理后，弧菌的滅菌率均為100%。

在滅菌試驗開展過程中，電壓與滅菌率呈線性關系，電極板間距及電極處理時間也是影響滅菌率的因素。因海水中含量較多的氯離子，電解過程中產生的Cl2及HClO是影響滅菌效果的主要因素。

本試驗以實際海水養殖尾水為研究對象，雖然海水成分復雜，卻表現出很高的滅菌率和很低的能耗，為實現電化學氧化技術在海水養殖尾水消毒中的應用提供了有力的數據支撐，有廣泛的推廣應用前景。