3种植物多酚的消毒效果和消毒持续性分析

时间：2015-12-20 17:58:05 所属分类：预防与卫生学 浏览量:

在供水系统中，饮用水杀菌消毒是必不可少的一项措施。当今最常用的氯消毒存在一定的局限性，即氯消毒过程中和天然有机物反应产生三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）等副产物[1].近年来，研究显示 ClO2和氯胺在消毒过程中也会产生大量的消毒副产物[2-3].紫外线

　　在供水系统中，饮用水杀菌消毒是必不可少的一项措施。当今最常用的氯消毒存在一定的局限性，即氯消毒过程中和天然有机物反应产生三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）等副产物[1].近年来，研究显示 ClO2和氯胺在消毒过程中也会产生大量的消毒副产物[2-3].紫外线和臭氧不具有杀菌持续性，且紫外线消毒设备投资较大、成本高，臭氧消毒也有产生副产物的风险。因此，杀菌可靠性高、效果好、不产生有毒有害副产物、管理安全性强、操作简单、经济适用、性质稳定，消毒后易于去除残留物等，成为优质消毒剂的特征，优质消毒剂的寻找意义深远。

　　植物多酚作为植物的次生代谢产物，储量丰富、来源绿色环保。大量科学研究表明，植物多酚具有抗氧化等多种生物活性和生理功能[4-8].其中植物多酚的广谱抗菌性（包括对丝状真菌、细菌、病毒的抑制），是其生物活性最重要的体现。通过对不同植物多酚提取物的研究发现，多种植物多酚均可以抑制微生物生长[9].

　　目前植物多酚的抑菌性多用于食品、医药等行业[10],在饮用水领域的研究尚处于实验室探索阶段[11-12].本文以 3 种常见的植物多酚，茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚为研究对象，以自来水厂滤池出水为原水，同时参考水厂滤后水进行人工配水，比较 3 种植物多酚的消毒效果和消毒持续性，为寻找绿色天然消毒剂提供依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验材料

　　茶多酚选自安徽省某茶叶生物碱厂，纯度为98%,淡黄色粉末；葡萄多酚选自青岛某生化科技有限公司，纯度为 98%,紫红色粉末；苹果多酚选自西安某生物技术有限公司，纯度为 75%,淡黄色粉末。

　　1.2 实验方法

　　1.2.1 原水的选择和配制

　　人工配水 1:考虑直接采用天然水体作为水源的应急场合，配制 1 号水体。通过向纯净水中加入化粪池上清液，配制细菌总数近天然水体的原水，细菌总数控制在 5~10 CFU/mL,pH 控制在 7.5~8.0,水温控制在 16~20 ℃[13].

　　人工配水 2:考虑水厂待消毒的滤后出水，配制2号水体。通过向纯净水中加入化粪池上清液，配制细菌总数与自来水厂滤池出水（消毒前）接近的原水，细菌总数控制在100~1 000 CFU/mL,pH 控制在 7.5~8.0,水温控制在 16~20 ℃[13].

　　自来水厂滤池出水：选择北京市某自来水厂滤池出水作为实验用水，该自来水厂原水为地下水和地表水的混合。滤池出水的细菌总数为195CFU/mL,水温为20 ℃，pH为7.8.

　　1.2.2 细菌总数的测定

　　实验中细菌总数的测定采用国家标准的平皿计数法，营养琼脂培养基（蛋白胨 10 g、牛肉膏 3 g、氯化钠 5 g、琼脂 10~20 g、蒸馏水 1 000 mL）进行培养。此测定方法所指的细菌总数是水样在一定条件下 （培养基成分、培养温度和时间、pH、需氧性质等）培养后所得 1 mL 水样所含菌落的总数。

　　1.2.3 植物多酚消毒效果对比实验

　　采用人工配水 1,通过静态实验，茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚分别设定投加量 0.1、0.2、0.3 g/L,测试植物多酚与水样接触 20 min 和 480 min 后水中的细菌总数，以确定 2 种植物多酚在满足标准要求下的适宜投加量。

　　1.2.4 植物多酚消毒持续性实验

　　为防止供水管道内部及管壁中微生物大量滋生与繁殖，保证城市出厂水到达管网末梢时微生物学指标仍满足标准要求，通常需要消毒剂具有一定的杀菌持续性。基于上述原因，本研究对 3 种植物多酚进行消毒持续性实验。

　　人工配水消毒持续性实验：采用人工配水 2,将茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚，分别以 0.1、0.2、0.3g/L 的投加量，进行接触时间 20 min、40 min、60min、1 d、2 d、3 d、4 d 的消毒效果实验，测试不同接触时间水中剩余细菌总数，分析植物多酚的消毒持续性，并初选植物多酚。

　　自来水厂滤池出水消毒持续性实验：选取较优的植物多酚作为消毒剂，用于北京市某自来水厂的过滤出水，采取投加量分别为 0.05、0.1、0.15、0.2、0.3g/L,测定接触时间为 20 min、40 min、60 min、1 d、2 d时植物多酚的消毒效果，分析其消毒持续性，进而确定应用于实际水厂消毒时的适宜投加量。

　　1.2.5 水质标准

　　地表水源经消毒工序处理后，出水应满足生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006）和城市供水水质标准（CJ/T 206-2005）的要求，即城镇供水的细菌总数不得超过 80 CFU/mL.本实验参照标准，以消毒后剩余细菌总数不超过 80 CFU/mL 为基准，评价3 种植物多酚的消毒效果。

　　2结果与讨论

　　2.1 植物多酚消毒效果对比研究

　　考虑直接采用天然水体作为水源的应急供水场合，以人工配水1（实际细菌总数为6 000 CFU/mL）为原水，茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚投加量分别为0.1、0.2、0.3 g/L,接触 20 min 和 480 min 后水中细菌总数见表 1.

　　由表 1 可知，3 种植物多酚在不同投加量下均有一定的消毒作用，与水接触20 min 后，剩余细菌总数较原水均有大幅度的下降。在相同投加量下，茶多酚和葡萄多酚的剩余细菌数相差不大，消毒效果相当，而苹果多酚的剩余细菌数明显高于茶多酚和葡萄多酚，消毒效果较差。消毒接触时间延长至 480min（8 h） 后，细菌总数由最初的 103数量级降到10~102数量级。在植物多酚投加量为 0.1~0.3 g/L时，随着投加量的增加，水中剩余细菌数明显呈逐渐降低趋势。投加量为 0.3 g/L 时，茶多酚作为消毒剂的水中剩余细菌数降低为 65 CFU/mL,达到标准要求，葡萄多酚和苹果多酚作为消毒剂的水中细菌总数分别降为 79 CFU/mL 和 91 CFU/mL,即接近或未达到标准限值。

　　可见在相同的投加量时，茶多酚的消毒效果略好于葡萄多酚，而茶多酚和葡萄多酚的消毒效果均明显优于苹果多酚。因此，对于直接采用天然水体作为水源的应急供水情况，可采用茶多酚或葡萄多酚作为消毒剂，投加量应为0.3 g/L,与水接触 8 h,可使细菌总数达饮用标准。

　　2.2 植物多酚消毒持续性研究 2.2.1 以人工配水 2 为原水 以人工配水 2 模拟自来水厂滤池出水，即模拟自来水厂待消毒水，细菌总数为 972 CFU/mL,茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚的投加量依次为 0.1、0.2、0.3 g/L,接触时间为 20 min、40 min、60 min、1 d、2 d、3 d、4 d 的剩余细菌总数见表 2.

　　由表2 可知，茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚投加量均为 0.1 g/L 时，与水接触 20 min 后原水细菌总数都由972 CFU/mL 降到 100 CFU/mL 以下，其中茶多酚和葡萄多酚的剩余细菌总数已达到标准要求。

　　接触 20min~1d 时，茶多酚消毒后水中剩余细菌总数一直满足标准要求，而葡萄多酚的消毒效果不稳定，苹果多酚消毒后剩余细菌总数超标。接触至第2~3 d 时，茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚消毒的水样中剩余细菌总数均超标，第 4 天时剩余细菌数均达600~800 CFU/mL.即在投加量为 0.1 g/L 时，茶多酚的消毒持续性效果最优，其作用时间能持续 1d.

　　茶多酚和葡萄多酚的投加量为 0.2 g/L 时，在与水接触 20 min 后水中剩余细菌总数均已满足标准要求，直到接触 3 d 后，剩余细菌总数仍满足标准要求，但接触 4 d 后细菌总数超标，即茶多酚和葡萄多酚的消毒效果可从 20min 一直维持至第 3d.苹果多酚接触 40 min 后可满足标准要求，并能维持至 1 d后，第 2 天后则超标，其消毒效果明显弱于茶多酚和葡萄多酚。

　　茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚在投加量为 0.3g/L,接触时间为 20 min 时，剩余细菌总数均可满足标准要求，继续延长接触时间至第 3 天，剩余细菌总数仍满足标准要求。第 4 天时，3 种多酚的剩余细菌数均为 102数量级，且苹果多酚的剩余细菌数明显高于其他 2 种多酚。即投加量为 0.3 g/L 时，茶多酚的消毒持续性效果优于葡萄多酚和苹果多酚，在相同接触时间时剩余细菌数最低。

　　可见，原水细菌总数接近自来水厂待消毒水时，若投加量为 0.1g/L时，茶多酚的消毒效果可维持 1d;投加量为 0.2 g/L 时，茶多酚和葡萄多酚可维持 3 d,苹果多酚可维持 1 d;投加量为 0.3 g/L 时，茶多酚、葡萄多酚、苹果多酚消毒后水均可维持3d之内（含3d），使剩余细菌总数一直满足标准要求。据调查，一般城市管网，水的停留时间不超过24 h,大城市及特大城市管网，出厂水到达管网末梢前在管网内的停留时间略长，但一般不超过 48 h[12].

　　故欲维持出厂水在到达管网末稍时细菌总数不超标，即保持水中细菌总数在48 h 内均低于 80 CFU/mL,若采用茶多酚或葡萄多酚消毒，则投加量宜控制在 0.2 g/L 以上，若采用苹果多酚消毒，则投加量宜控制在 0.3 g/L 以上。

　　显然，对于自来水厂消毒应用，茶多酚和葡萄多酚作为消毒剂比苹果多酚投加量更少，经济性更好。

　　综上，采用 3 种多酚对相当于天然水体或自来水厂滤池出水细菌总数含量的原水进行消毒时，参照水质标准，综合投加量、剩余细菌总数等指标，可以看出，茶多酚的消毒效果略优于葡萄多酚，且明显优于苹果多酚。茶多酚作为消毒剂比葡萄多酚和苹果多酚有较好的适用性，探究茶多酚在实际自来水厂中的消毒效果，对于植物多酚作为饮用水消毒剂的可行性分析有一定的指导意义。

　　2.2.2 以自来水厂滤池出水为原水

　　以北京市某自来水厂的过滤出水为原水，细菌总数为 195 CFU/mL,茶多酚投加量分别为 0.05、0.1、0.15、0.2、0.3 g/L,接触时间为 20 min~2 d 的消毒效果见表 3.

　　由表3 可知，当原水细菌总数为 195 CFU/mL,茶多酚投加量为 0.05 g/L 时，在不同接触时间下其剩余细菌总数在80 CFU/mL 上下波动，在投加量大于等于0.1 g/L 时，接触时间在 20、40、60 min 直至 1 d或 2 d 时，剩余细菌总数均低于 80 CFU/mL.由于受水厂滤池出水复杂水质的影响，茶多酚消毒过程中细菌总数出现了一定的波动，但仍然保持在较低水平，满足标准要求。因此，对于该水厂的滤后出水，茶多酚作为消毒剂的适宜投加量为 0.1 g/L,20 min 后能使消毒后水满足标准要求，且消毒持续性效果较好，有一定的适用性。

　　综上所述，茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚均有一定的消毒效果，且 3 种植物多酚消毒效果存在差异，其中茶多酚消毒效果较优。原水细菌总数越高，所需植物多酚投加量越大，剩余细菌总数达到标准要求时间越长。因此，采用茶多酚、葡萄多酚或苹果多酚作为消毒剂，需考虑原水细菌总数的差异。不同水厂需根据具体情况，实验确定植物多酚消毒剂的适宜投加量和达标接触时间。

　　3结 论

　　茶多酚、葡萄多酚和苹果多酚都有一定的消毒效果，原水细菌总数是影响 3 种植物多酚消毒投加量、达标时间和消毒持续时间的关键因素，原水细菌总数越高，所需植物多酚投加量越大，达标所需时间越长。

　　对于直接采用天然水体作为水源的应急用水情况，植物多酚作为消毒剂所需接触时间较长，茶多酚或葡萄多酚投加量为 0.3 g/L 时，与水接触 8 h,可使细菌总数达饮用标准。

　　对于一般水厂，可采用植物多酚作为消毒剂，茶多酚、葡萄多酚投加量宜为 0.2 g/L,苹果多酚投加量宜为 0.3 g/L,与水接触 20 min 后均可使细菌总数达饮用标准，且可维持细菌总数 3 天内不超标，无需补氯。

　　对于特定水厂（北京市某自来水厂），茶多酚作为消毒剂的适宜投加量为 0.1 g/L,与水接触 20 min后可使细菌总数达饮用标准，且能保持水中细菌总数在 2 天内均满足标准要求，因此，对一般管网而言，茶多酚消毒后的水无需补氯。

　　茶多酚、葡萄多酚、苹果多酚 3 种植物多酚消毒效果存在差异，其中茶多酚性能优越，消毒效果较优，建议采用茶多酚作为饮用水消毒剂。应根据水厂原水细菌总数等指标，确定茶多酚的适宜投加量和达标时间。考虑茶多酚良好的消毒持续性，可从经济、环保、安全等角度出发，将茶多酚作为辅助消毒剂，与臭氧或紫外线联合使用，发挥茶多酚持续消毒的优势。与传统氯消毒相比，茶多酚作为消毒剂有明显的优势。

　　茶多酚与水接触20 min后即可使细菌总数达饮用标准，能有效减小清水池体积。茶多酚消毒持续时间可达 2 d,水厂出水不需要补氯。茶多酚来源于绿色植物，无氯消毒副产物，且具有预防心血管疾病、防癌抗癌等优良性能，有望成为优质消毒剂。

　　参考文献：

　　[1] Badawy M I, Gad-Allah T A, Ali M E M, et al. Minimization of theformation of disinfection by-products[J].Chemosphere,2012,89（3）：235-240.

　　[2]罗凡，董滨，何群彪。饮用水消毒技术的应用及其研究进展[J].环境科学与技术，2010,33（12F）：393-396.

　　[3] Ufermann P, Petersen H, Exner M. Disinfection aboard cruise linersand naval units:Formation of disinfection by-products usingchlorine dioxide in different qualities of drinking water [J].International Journal of Hygiene and Environmental Health,2011,215（1）：86-90.

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