家用及類似用途飲用水處理裝置對飲用水中病毒凈化性能的評價

孫勝敏 索依拉 王祎珂 王肖 官杰

摘 要：通過選用對人體無害的大腸桿菌噬菌體作為飲用水中病毒的模擬物，建立家用及類似用途飲用水處理裝置對飲用水中病毒凈化性能的評價方法，并對比不同家用及類似用途飲用水處理裝置關鍵部件對飲用水中病毒的凈化性能，研究發現，前置處理裝置PP棉濾芯與后置調節口感活性炭濾芯由于孔徑較大，對飲用水中病毒顆粒無凈化效果，具有較大比表面積的燒結活性炭濾芯基于活性炭的吸附作用，可以去除飲用水中99%以上的病毒顆粒，但隨著累積凈水量的增加，活性的吸附位點被占據，導致凈化性能降低；膜過濾裝置中，超濾濾芯可去除水體中99%的病毒顆粒，納濾及反滲透濾芯課完全去除飲用水中的病毒顆粒。可見，納濾及反滲透濾芯可滿足飲用水中病毒顆粒的凈化需求。

關鍵詞：飲用水處理，病毒，噬菌體，濾芯，凈化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.11.030

0 引 言

本文選用對人體無害的大腸桿菌噬菌體作為飲用水中病毒的模擬物，大腸桿菌噬菌體，是指寄生在大腸桿菌內的一種噬菌體，屬于細胞病毒的一種[1-2]。大腸桿菌噬菌體Phi-X174在大小和形狀上與丙型肝炎病毒（HCV）相似，其大小在80 nm左右，并且也可代表乙型肝炎病毒（HBV）和人類免疫缺陷性病毒（HIV）。大腸桿菌噬菌體MS2是二十面體的單鏈正義RNA病毒[3]，通過電子顯微鏡確定，MS2病毒體（病毒顆粒）的直徑約為27 nm。MS2由于其與諾如病毒的結構相似性，其相似的最佳增殖條件以及對人類的非致病性，已被用于疾病傳播研究中諾如病毒的替代品[4]。本實驗以大腸桿菌噬菌體Phi-X174和MS2作為飲用水中病毒模擬物[5]，實現家用及類似用途飲用水處理裝置對飲用水中病毒凈化性能的研究。

1 飲用水處理裝去除飲用水中噬菌體測試方法

1.1 檢測方法

試驗采取無菌操作技術，實驗室環境、試驗操作及其他涉及生物安全的部分應符合GB 19489的要求。

1）試驗用噬菌體及宿主

噬菌體在平板上形成的噬菌斑如圖1所示。

噬菌體：P h i - X 1 7 4（A T C C 1 3 7 0 6 - B 1，NBRC103405）

宿主細胞：大腸埃希氏菌（A T C C 1 3 7 0 6，NBRC13898）

噬菌體：MS2（NBRC102619）

宿主細胞：大腸埃希氏菌（NBRC3012）

2）使用滅菌去離子水對噬菌體原液進行稀釋，將噬菌液濃度調節至106 PFU/mL～107 PFU/mL，作為加標液，供試驗使用。

在進水壓力為（0.24±0.02）MPa的條件下，向不同過濾精度的飲用水凈化裝置中通入噬菌體加標液進行測試，分別在流入樣本取樣點和流出樣本取樣點進行取樣。

通過對比試驗組和對照組的噬菌體滴度，計算飲用水處理裝置對水體中噬菌體的去除率，噬菌體去除率按照下列公式計算：

式中：RV為噬菌體去除率，%；Va為對照組回收的噬菌體滴度，PFU/mL；Vb為試驗組回收的噬菌體滴度，PFU/mL。

2 各類凈水部件對飲用水中噬菌體的凈化性能研究

2.1 不同飲用水處理裝置對飲用水中病毒凈化性能研究

根據家用及類似用途飲用水處理裝置凈水部件凈化性能的不同，分別研究了PP棉濾芯、活性炭濾芯、超濾濾芯、納濾濾芯、反滲透濾芯對飲用水中Phi-X174和MS2噬菌體的凈化效果，測試效果見表1和表2，圖2和圖3。

以Phi-X174和MS2噬菌體為目標物，對比家用及類似用途凈水裝置的不同濾芯對大腸桿菌噬菌體Phi-X174和MS2的凈化性能。

由表1和表2及圖2和圖3可以看出，PP棉濾芯過濾精度在0.1μm～10μm之間，能夠有效去除水質中的泥沙、鐵銹、細菌、化學污染物等粒徑較大的物質，由于噬菌體的大小遠小于細菌的粒徑，PP棉濾芯對飲用水中噬菌體的過濾效果較差，過濾效率不足10%，無法去除飲用水中病毒。

基于活性炭濾芯較強的吸附作用及大比表面積，活性炭濾芯對飲用水中噬菌體的凈化性能有了大幅度提高，其凈化效率高于90%，實驗中，我們對比了顆?；钚蕴繛V芯、燒結活性炭濾芯及調節口感活性炭濾芯對飲用水中病毒的過濾性能，由于燒結活性炭濾芯顆粒間空隙較小，表面積更大，過濾效率高于顆粒活性炭和調節口感活性濾芯的凈化性能，。

超濾濾芯的過濾精度在0.01 μm～0.1 μm，可以徹底地過濾水中的大顆粒雜質及微生物，但是由于病毒粒徑大小遠小于微生物，Phi-X174和MS2噬菌體的粒徑分別是80 nm及20 nm左右，由以上圖表可見超濾濾芯對飲用水中Phi-X174和MS2噬菌體具有較高的過濾效率。

納濾濾芯可以去除飲用水中粒徑介于1 nm到幾納米的顆粒物，并且對飲用水中二價離子具有很好的去除效果，由于Phi-X174和MS2噬菌體的尺寸大于納濾濾芯的過濾精度，可實現飲用水中病毒的精準凈化。

反滲透濾芯是目前過濾精度最高的家用及類似用途飲用水處理裝置的凈水部件，其可以去除飲用水中的一價離子，可完全實現飲用水中病毒顆粒物的去除。

2.2 累積狀態下凈水部件對飲用水中噬菌體的凈化效果

為研究凈水部件在累積凈水環境中，對飲用水噬菌體的凈化性能進行研究。由于納濾濾芯及反滲透濾芯可以很好的去除飲用水中的病毒顆粒物，超濾濾芯和燒結活性炭濾芯對飲用水中噬菌體的去除率可達90%以上，具有較好的去除效果。本部分試驗研究了隨著累積凈水量的增加，超濾濾芯與燒機活性炭濾芯對Phi-X174和MS2噬菌體的去除效果，見表3和表4，圖4～7。

通過研究累積凈水量對超濾濾芯和活性炭濾芯凈化性能的影響，以上數據顯示，以過濾方式去除飲用水中雜質的超濾濾芯隨著累積凈水量的不斷增加，超濾濾芯對phi-X174和MS2噬菌體累積凈化效率不斷增加，這是因為隨著凈水量的增加，過濾后的噬菌體不斷累積，附著在濾膜表面，減小了濾膜的過濾孔徑，提高了濾膜對噬菌體的過濾效率。

通過圖6可以看出，超濾濾芯對MS2噬菌體的過濾效率低于對Phi-X174噬菌體，Phi-X174噬菌體的粒徑在80 nm左右，而MS2噬菌體的粒徑在20 nm左右，由于MS2的粒徑要小于Phi-X174，超濾濾芯的過濾精度在10 nm～100 nm之間，故超濾濾芯對粒徑較大的Phi-X174的過濾效率要優于粒徑較小的MS2。

隨著累積凈水量的增加，被過濾的噬菌體附著在濾膜表面，導致濾膜孔徑被堵塞，提高了濾芯的過濾精度，使兩種噬菌體的過濾效率均得到提高。

由圖7可以看出，燒結活性炭濾芯對飲用水中噬菌體的過濾效率隨著累積凈水量的增加而不斷減小。這是因為活性炭濾芯對飲用水中病毒顆粒物的凈化是基于活性炭的吸附作用。與顆?；钚蕴繛V芯相比，燒結活性炭濾芯具有較高的比表面積，由于MS2的粒徑要小于Phi-X174，活性炭對MS2具有較高的吸附作用，故活性炭濾芯對MS2的過濾效率更高，但是隨著累積凈水量的不斷增加，由于病毒顆粒物在活性炭表面不斷吸附，降低了濾芯對水體中病毒顆粒的吸附作用，導致隨著累積凈水量的增加，燒結活性炭濾芯對飲用水中病毒的吸附能力逐漸降低。

3 結 論

綜上所述，由于病毒粒徑遠小于細菌顆粒，對家用及類似用途飲用水處理裝置的凈化性能提出更高的要求，通過上述實驗可知，在凈水系統的前置過濾裝置如PP棉濾芯及后置活性炭調節口感濾芯不具有飲用水中病毒的凈化性能，不能精準凈化飲用水中的病毒顆粒；燒結活性炭濾芯和超濾濾芯可以去除飲用水中99%以上的病毒顆粒，燒結活性炭濾芯基于活性炭的表面吸附作用，而超濾濾芯基于濾膜孔徑過濾，所以隨著累積凈水量的增加，前者的凈化效率不斷下降，而后者呈上升趨勢；納濾濾芯及反滲透濾芯可以完全去除飲用水中的病毒顆粒。

參考文獻

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作者簡介

孫勝敏，本科，主要從事產品質量安全研究及實驗室管理。

（責任編輯：袁文靜）