Обеззараживание воды высокочастотным ультразвуком

Известно, что водным путем передаются очень опасные инфекционные заболевания бактериальной, вирусной и паразитарной природы. Поэтому наиболее ответственной стадией процесса водоподготовки является ее обеззараживание.

В настоящее время наиболее распространенным методом обеззараживания воды является хлорирование. Технологическая простота хлорирования и доступность хлора обусловили его широкое использование в практике водоснабжения. Серьезным недостатком хлорной обработки воды является образование ряда токсичных побочных продуктов (хлорированных фенолов, тригалометанов, диоксинов и др.). Кроме того, хлор (жидкий и газообразный) относится к токсичным веществам, что требует соблюдения повышенной техники безопасности при его транспортировании, хранении и использовании [1]. Озонирование является более дорогим, но экологически безопасным методом обеззараживания воды. Использование озона, в связи с его высокими реагентными свойствами, требует повышенных мер безопасности для персонала. Тем не менее в результате обработки природной воды озоном также образуются побочные продукты, классифицируемые как токсичные [2].

Поэтому актуальными являются исследование и разработка современных эффективных безреагентных методов обеззараживания, обладающих высоким биоцидным действием, применение которых не приводит к образованию побочных веществ. Одним из известных методов является ультрафиолетовое (УФ) облучение, не вызывающее образования вторичных продуктов и высокоэффективное для инактивации микрофлоры. Недостатком данного метода является то, что при высоких концентрациях бактерий и при наличии в воде механических загрязнений происходит поглощение и рассеивание УФ-излучения [3].

Другим безреагентным методом обеззараживания воды является ультразвуковая (УЗ) обработка. Преимуществом применения данного метода обеззараживания перед остальными является его нечувствительность к таким факторам, как высокая мутность и цветность воды, количество микроорганизмов и присутствие в воде растворенных веществ [4].

В последнее десятилетие бурное развитие получили комбинированные окислительные технологии, или АОТ, которые нашли широкое применение для очистки сточных вод от органических загрязнителей. К ним относится УЗ-обработка воды в присутствии сильных окислителей. Применение АОТ имеет большой потенциал для инактивации патогенных микроорганизмов в водной среде.

Целью данной работы явилось изучение эффективности обеззараживания воды с использованием высокочастотного ультразвука в присутствии пероксида водорода.

Экспериментальная часть

В качестве тест-организма использовали бактерию Escherichia coli ( E. coli ). E. coli – эн-теротоксигенный штамм кишечной палочки, возбудитель острых кишечных заболеваний (эшерихиозов), протекающих в виде различной тяжести энтеритов и энтероколитов в сочетании с синдромом общей интоксикации.

Выращивание чистой культуры Escherichia coli осуществляли из лиофилизированного колибактерина на питательной среде Гисса (среда с индикатором Андредэ). Культивирование чистой культуры проводили путем аэробного культивирования в шейкере - инкубаторе BIOSAN ES-20 (180 об/мин, 37⁰C) в питательном среде в течение суток.

Эксперименты проводились по следующей методике. Вегетативные клетки E. coli для УЗ-обработки были приготовлены в стерильной воде из соответствующих суточных культур методом предельных разведений [5]. Полученные бактериальные суспензии, содержащие определенное число клеток, последовательно обрабатывали высокочастотным ульразвуком в течение 1 - 25 минут. Исходная численность клеток в облучаемых суспензиях варьировала от 10³ до 10⁴ колониеобразующих единиц (к.о.е.) на 1 мл. При обработке по схеме УЗ/Н 2 О 2 , концентрация пероксида водорода в облучаемой суспензии составляла 0,1 г/л. Для определения эффективности обеззараживания суспензию контрольных (не подвергаемых УЗ-обработке) и опытных (подвергаемых УЗ-обработке) клеток высевали методом Коха в чашки Петри с агаризованным питательным бульоном и инкубировали при 37⁰С в течение 24 ч в трех повторностях. Эффект оценивали путем сравнения числа к.о.е., вырастающих из клеток опытного и контрольного вариантов.

Результаты и обсуждение

На первом этапе было установлено, что обработка бактериальных суспензий E. coli высокочастотным ультразвуком является эффективной. Так, на рисунке представлено изменение численности клеток E.coli при различной продолжительности ультразвуковой обработки. Как видно из рисунка, при исходной численности клеток E. coli 10³ к.о.е./мл полная инактивация достигалась уже после 10 мин обработки ультразвуком и при исходной численности клеток 10⁴ к.о.е./мл полная инактивация достигалась после 25 минут обработки.

В результате комбинированной обработки E. coli с участием H 2 O 2 наблюдалось заметное повышение эффективности инактивации. Так, при исходной численности клеток 10³ и 10⁴ к.о.е./мл полная инактивация зафиксирована после 5-10 мин обработки (табл.).

Рис. Изменение численности клеток E. coli при различной продолжительности ультразвуковой обработки

Таблица

Инактивация бактериальных клеток Escherichia coli высокочастотным ультразвуком без и в присутствии пероксида водорода

Установлено, что скорость инактивации E. coli (10³ к.о.е./мл) при обработке по схеме УФ/Н 2 О 2 в 2 раза выше найденной при УЗ-обработке без участия H 2 O 2 .

При обработке воды ультразвуком в воде возникают короткоживущие парогазовые полости, которые появляются в момент снижения давления в воде и схлопываются при сжатии воды. Скорость схлопывания очень высокая, и в окрестности точек схлопывания возникают экстремальные параметры – высокие температура и давление. Парогазовые полости возникают на неоднородностях, в качестве которых могут служить бактерии, которые, при схлопывании пузырька, оказываются в центре схлопывания, происходит повреждение бактерий. Одновременно при схлопывании в полостях образуются также активные радикалы. Известно, что при высоких температурах около 0,01 % молекул воды внутри пузырька диссоциируют на водородные и гидроксильные радикалы, также образуются пероксильные радикалы и происходит рекомбинация радикалов с образованием пероксида водорода (1-6). Гидроксильный радикал считается наиболее важным окисляющим агентом, обеспечивающим инактивацию клетки [6].

H 2 O→ H⁺+OH^- (1)

O 2 → 2O^- (2) H⁺+O 2 → HOO^- (3) O+H 2 O → 2OH^- (4) 2HOO^-→ H 2 O 2 +O 2 (5) 2OH^- → H 2 O 2 (6)

Образующиеся реакционноспособные гидроксильные радикалы инактивируют клетку по двум основным механизмам: 1 - окисление и разрушение клеточной стенки и разрыв цитоплазматической мембраны с последующей дезинтеграцией клетки, и 2 - их диффузия в клетку, приводящая к инактивации ферментов, повреждению органелл, нарушению синтеза белка и т.п. [7].

Выводы

Показана эффективность обработки E. coli высокочастотным ультразвуком. Инактивация 100% клеток E. coli при их исходной численности 10³ - 10 ⁴ к.о.е./мл за 10 - 25 минут обработки соответственно. Продемонстрирована эффективность применения комбинированного метода с участием пероксида водорода для инактивации клеток E. coli .

Таким образом, полученные результаты позволяют предположить перспективность использования высокочастотного УЗ в комбинированных окислительных процессах для эффективного обеззараживания воды.