饮水消毒剂对天然水样现场杀菌试验

发布时间:2025-07-01 13:15:21 阅读量:2 作者:生物检测中心

天然水样现场杀菌试验:饮水消毒剂效能评估报告

摘要:
本试验旨在评估多种常见饮水消毒剂在天然水源环境下的现场杀菌效能。通过采集不同来源的天然水样,模拟实际应用场景,系统比较了不同消毒剂类型及投加剂量对指示微生物的灭活效果。结果表明,消毒剂类型、投加剂量、接触时间及水体理化性质(如浊度、有机物含量)是影响现场杀菌效果的关键因素。本研究为天然水体消毒实践提供了重要的科学依据。


1. 引言

确保饮用水微生物安全是全球性的公共卫生挑战。对于缺乏集中式供水系统的地区或应急场景,天然水源(如河水、湖水、井水)常需进行现场消毒处理。消毒剂在实验室理想条件下的效果已较为明确,但其在实际复杂多变的天然水体环境中的表现,受多种因素干扰,存在不确定性。因此,开展针对天然水样的现场杀菌试验,评估消毒剂在真实环境中的即时效能,对指导安全用水实践至关重要。


2. 材料与方法

2.1 试验地点与水样采集

  • 水源类型: 选取三种典型天然水源:地表河流水(低浊度)、浅层地下水(井水,中等浊度)、富营养化池塘水(高浊度、高有机物含量)。
  • 采集与保存: 使用无菌采样瓶现场采集水样,4°C冷藏避光运输,4小时内开始试验。记录采样点水质基础参数:pH、水温、浊度(NTU)、总有机碳(TOC)。
 

2.2 消毒剂选择与配制

  • 消毒剂类型:
    • A类: 含氯消毒剂(如次氯酸钠溶液,有效氯浓度测定后使用)
    • B类: 氯氧化物类消毒剂(如二氧化氯,现场发生器制备或稳定溶液稀释)
    • C类: 臭氧(现场发生器产生)
    • D类: 其他类(如碘制剂,根据产品说明配制)
  • 投加剂量: 每种消毒剂设置低、中、高三个剂量梯度,参考相关卫生标准及产品建议范围,并根据水样初始微生物污染水平调整。
 

2.3 试验设计

  • 现场处理: 取适量天然水样(如1L)于无菌容器中,按预设剂量加入消毒剂,立即开始计时并充分混匀。
  • 接触时间: 设置多个接触时间点(如0 min, 5 min, 15 min, 30 min, 60 min)。
  • 中和: 在每个接触时间点,立即取适量水样加入含对应中和剂(如硫代硫酸钠中和氯、甘氨酸中和臭氧)的无菌采样管中,终止消毒反应。
  • 对照组:
    • 阳性对照: 未添加消毒剂的天然水样,用于测定初始微生物浓度。
    • 阴性对照: 无菌水。
    • 中和剂对照: 验证中和剂本身及中和过程不影响微生物检测。
 

2.4 微生物学检测

  • 指示微生物:
    • 总大肠菌群(Total Coliforms)
    • 耐热大肠菌群(Thermotolerant Coliforms / E. coli)
    • 必要时增加其他指标(如肠球菌)。
  • 检测方法: 采用标准多管发酵法(MPN法)或滤膜法(MF法),严格依据国家或国际标准(如GB/T 5750.12, ISO 9308-1)进行操作和结果判读。结果以菌落形成单位(CFU)或最大可能数(MPN)表示。
 

2.5 数据分析

  • 计算各消毒剂在不同剂量、不同接触时间点对指示微生物的杀灭率(Log Reduction Value, LRV):
    LRV = log10(N0 / Nt)
    (N0:阳性对照平均浓度;Nt:t时刻处理后水样浓度)
  • 统计分析:使用统计软件分析不同消毒剂、不同剂量、不同水源类型之间杀菌效果的显著性差异(如ANOVA,显著性水平α=0.05)。
 

3. 结果

3.1 水源水质特征

  • 地表河水:浊度低(<5 NTU),TOC中等。
  • 地下水(井水):浊度中等(5-15 NTU),TOC较低。
  • 池塘水:浊度高(>20 NTU),TOC高,富营养化明显。
 

3.2 消毒效果

  • 总体趋势: 所有消毒剂随投加剂量增加和接触时间延长,对指示微生物的杀灭效果均显著提升(LRV增大)。但达到同等杀灭效果所需剂量和时间因水源类型和消毒剂种类而异。
  • 消毒剂比较:
    • 含氯消毒剂 (A类): 对清洁水源(地表河水、井水)效果良好,在规定接触时间(30min)内,中等剂量即可达到4 LRV以上(即99.99%杀灭率)。但在高浊度、高有机物(池塘水)环境下,效果显著下降,需更高剂量或更长接触时间才能达标。
    • 氯氧化物类 (B类): 在低、中浊度水源中表现出色,杀菌速度快,受有机物干扰相对较小。在高浊度水源中仍优于A类消毒剂。
    • 臭氧 (C类): 杀菌速度最快,在极短接触时间(<5min)内即能达到很高LRV,且受有机物影响相对较小。但现场发生设备要求较高,且无持续消毒能力。
    • 其他类 (D类): 效果因具体成分而异,部分在特定条件下(如低温)表现稳定。
  • 水源影响: 浊度和有机物是影响消毒效果的最主要因素。池塘水(高浊高有机物)对所有消毒剂的消耗最大,达到同等杀灭效果所需的剂量远高于清洁水源。浊度物质可能包埋微生物,阻碍消毒剂接触;有机物则消耗消毒剂有效成分。
  • 目标微生物: 总大肠菌群通常比耐热大肠菌群(E. coli)更容易被杀灭。达到饮用水安全标准(如E. coli不得检出)所需的处理强度更高。
 

表:不同消毒剂在中等剂量下处理30分钟对井水(中等浊度)中E. coli的杀灭效果示例

消毒剂类型 投加剂量 (mg/L as有效成分) 平均初始浓度 (CFU/100mL) 平均处理后浓度 (CFU/100mL) Log杀灭率 (LRV) 是否达到安全标准*
A类 (含氯) 2.0 1.2 x 10³ <1 >3.08
B类 (氯氧化物) 0.8 1.2 x 10³ <1 >3.08
C类 (臭氧) 0.5 1.2 x 10³ <1 >3.08
D类 (某碘制剂) 8.0 1.2 x 10³ 15 1.90
阳性对照 - 1.2 x 10³ 1.5 x 10³ -

*注:示例安全标准设定为处理后E. coli < 1 CFU/100mL。实际标准依据当地法规。


4. 讨论

  1. 现场环境的复杂性: 本试验结果清晰印证了天然水体环境(尤其浊度和有机物)对消毒剂实际效能的显著影响。实验室纯水或轻微污染水样的试验结果不能直接外推到实际天然水源。
  2. 消毒剂选择:
    • 清洁或中等污染水源: 含氯消毒剂因其成本低、使用简便、具有持续消毒能力,仍是常用选择。氯氧化物类(如二氧化氯)是更优选择,尤其当水质较差或需要快速消毒时。
    • 高污染或高浊度水源: 优先考虑氯氧化物类或臭氧。臭氧适合对处理速度要求极高的场景,但需配套发生设备。预处理(如混凝沉淀、过滤) 以降低浊度和有机物含量,是提高任何消毒剂效果、降低消毒副产物风险的关键步骤。
  3. 剂量与接触时间的重要性: 现场应用中必须根据水源的具体污染程度和理化性质科学确定投加剂量,并保证足够的接触时间(反应时间)。仅依据消毒剂标签或经验值可能导致消毒不足(微生物风险)或过度投加(副产物风险、口感异味)。
  4. 指示微生物的代表性: 以大肠菌群(尤其E. coli)作为指示微生物评估饮用水微生物安全性是可靠的。本次试验结果与这一原则一致。
  5. 持续消毒能力: 除臭氧外,含氯消毒剂和氯氧化物类具有一定持续消毒能力,有助于抑制管网或储水容器中的微生物再生长,这对分散式供水尤为重要。
 

5. 结论

本天然水样现场杀菌试验表明,饮水消毒剂在实际环境中的效能受到水源本底条件(尤其浊度、有机物)的显著制约。含氯消毒剂、氯氧化物类消毒剂和臭氧在现场条件下均能有效灭活指示微生物,但其表现各异:

  • 氯氧化物类消毒剂(如二氧化氯)综合表现最优,杀菌速度快、效率高,受有机物干扰较小,适用范围广。
  • 含氯消毒剂成本效益高,适用于清洁至中等污染水源,但在高浊高有机环境下效果受限。
  • 臭氧杀菌速度最快,但设备要求高且无持续消毒能力。
 

成功的关键在于: 充分认识水源特性(必须进行水质快速评估),选择匹配的消毒剂类型,通过试验或计算确定足够且不过量的投加剂量,保证充分的接触时间,并强烈建议对高浊高有机水源进行预处理(如沉降、过滤)。现场操作人员应接受专业培训,理解这些因素的重要性,并配备必要的快速检测手段(如余氯/二氧化氯测试盒、便携式浊度仪)以监控消毒过程的有效性和安全性。


6. 参考文献

  1. World Health Organization (WHO). (2017). Guidelines for drinking-water quality: fourth edition incorporating the first addendum. Geneva.
  2. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). (2009). National Primary Drinking Water Regulations.
  3. 中华人民共和国国家标准. 生活饮用水标准检验方法 (GB/T 5750.12-2006).
  4. AWWA. (2018). Water Quality & Treatment: A Handbook on Drinking Water (7th ed.). McGraw-Hill Education.
  5. Crittenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J., & Tchobanoglous, G. (2012). MWH's Water Treatment: Principles and Design (3rd ed.). Wiley. (着重原理章节)
 

注意: 本报告为通用技术总结,具体应用中应严格遵循当地法规标准,并根据实际水源条件和可用资源选择及验证消毒方案。消毒剂使用需注意操作安全。