水处理生物消毒技术研究现状及展望

Posted 2023-01-13 生物

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人们很早就认识到自然界中一些生物能够对某些有害微生物起到抑制或者杀灭作用，而又不对环境产生任何持续性的破坏作用，并受到这些生物特殊功能的启发，发展了利用这些生物及其代谢产物进行消毒灭菌的生物消毒法。早期的生物杀毒主要直接利用生物尤其是微生物机体本身进行消毒。在中国古代，人们很早就认识到一些特殊的植物具有帮助人们增强体质，抵抗疾病的医学功能，因而一些中草药可以说是最早的生物消毒剂。最近几十年，国外已经有研究者利用噬菌体和致弧菌来进行水的消毒。又例如，在水处理领域，当水进行砂滤时可通过生物在新陈代谢过程中产生的生物膜将微生物滤除。此类传统的生物消毒技术一般直接使用生物体进行消毒，过程较为缓慢，对有害生物的杀灭效果尚不完全可靠，尤其对抵抗力较强的细菌芽孢一般无杀灭作用。此外还存在消毒效果难以确定、消毒效率不高以及不利于规模化应用等问题，难以达到现代水处理工业中水消毒的技术要求。
1 水处理生物消毒技术的发展
近年来随着生物科技的发展以及对生物消毒机理认识的深化，人们认识到这些生物之所以具有消毒作用，是因为这些生物能够分泌一些特定的生物化学活性物质来消灭病菌、病毒或使其丧失活性，因此人们开始研究提取、利用和制备这些活性物质并用于水的消毒。目前比较有代表性的是一些以某种有消毒特性的酶为主要活性成分的生物消毒剂，包括应用现代生物基因工程技术生产的细菌胞壁溶解酶、酵母胞壁溶解酶、霉菌胞壁溶解酶、溶葡萄菌酶等活性物质。当这些活性物质投加到水中时各种酶通过裂解或破碎细胞壁、细胞膜和各种病毒的外壳蛋白，直接作用于水中有害细菌和病毒的遗传物质，裂解其DNA或RNA，达到杀灭这些有害细菌和病毒的目的。试验研究表明，以这些生物酶活性物质为主要成分的生物消毒剂有良好的消毒作用，在国外已有某些品种的生物消毒剂实现了工业化生产，并主要应用于水的卫生消毒中。
由于生物酶消毒剂的成本相对较高以及其他一些原因，目前还不能广泛应用于水处理行业。由于生物酶消毒剂涉及现代生物基因工程，其研制过程的艰巨性和复杂性可想而知。另一方面，目前通过对多种生物(如桉树、辣椒、无脊椎动物等)的生物化学研究，人们已经提取获得了诸如有机酸、无机酸、内酯、酚类、萘醌类、吲哚类等的几十种具有消毒活性的天然产物，这些生物活性物质都在一定程度上对有害微生物具有杀灭作用，且自身无毒，对环境不造成持续的不利影响。随着现代生物、化学分析技术的迅速发展，人们对这类生物活性物质特性和结构的了解不断深化，为将这些生物活性物质应用于水处理消毒领域创造了十分有利的前提条件。
水处理的消毒就是指消除或杀灭水中的病原微生物，使其达到无害化。这里的无害化只是针对病原微生物，并不要求消除或杀灭所有微生物。同时，消毒是相对的而不是绝对的，它只要求将有害微生物的数量减少到无害的程度，而并不要求把所有有害微生物全部杀灭。一般来说，若能使微生物在消毒过程中的存活概率达到一个低值则可认为消毒合格。同时，尤其是饮用水消毒要求不产生有毒物质、使用时有效浓度低、对致病微生物有较强杀菌效果。研究证明，萘醌类、吲哚类等具有消毒活性的物质中有一些生物活性物质完全能满足这些要求，具有良好的消毒效果。这些物质在浓度很低的情况下就能起到消毒作用，对包括人在内的哺乳动物健康基本无害。研究结果还表明，利用这些物质开发的新型的水处理生物消毒剂将有以下的优点：①能够最大限度地杀死、去除有害病原体或者使之丧失活性；②使用安全，对人体无害，对水环境无不利影响；③药剂使用条件宽松，消毒操作简便；④消毒过程对设备无腐蚀；⑤消毒的费用相对低廉。
实际上，目前用于水处理消毒的生物消毒剂主要是萘醌类、吲哚类等类型的消毒剂，其活性成分可直接从动物、植物或者微生物体中提取。例如在日本有研究者将一些植物萃取物用作自来水供水管线上的抗菌剂。瑞士M.Suarez等的研究表明可以从某些植物种子中提取用于饮用水消毒的物质。但是，通常有消毒作用且能应用于水处理工业的天然生物活性物质产量较少，为了解决这个问题，国外不少研究者正在寻求利用人工合成的方法生产这些生物活性物质的技术和方法，或者直接研究开发人工合成生物活性物质的消毒活性。美国一家公司已经研究开发出以人工合成维生素为主要活性成分的生物消毒剂产品，目前已应用于船舶压舱水的处理。
目前存在的主要问题是水处理生物消毒法的消毒机理尚有待进一步深入探究，能够投入各种工程应用的消毒剂产品种类尚有待进一步增加。
2 应用前景展望
总体而言，绿色环保的生物消毒技术在水处理领域的应用前景广阔，研究表明生物消毒技术可以在很多领域发挥作用，如用于饮用水消毒、污水消毒、海水消毒和用于控制微生物污染的工业循环水及中水回用等领域。
生物消毒技术虽然目前还没有广泛应用，但是作为一种符合人类社会可持续发展理念的绿色环保型的水处理消毒技术，它具有成本相对低廉、理论相对成熟、研究方法相对简单的优势，故应用前景广阔。