紫外線－臭氧聯(lián)合測(cè)試營(yíng)養(yǎng)液消毒性能試驗(yàn)
1.性能實(shí)驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)裝置與測(cè)定方法
圖1 試驗(yàn)裝置示意圖
試驗(yàn)裝置如圖1 所示。
1）通過(guò)安裝在水泵出口端、紫外線消毒器出口端的兩個(gè)壓力表，來(lái)測(cè)量整個(gè)設(shè)備的壓力損失，為評(píng)價(jià)和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。
2）流量通過(guò)水表和秒表測(cè)得，q=Q/T，其中Q 為測(cè)量始末2 次水表讀數(shù)之差，m3；T 為測(cè)量所用時(shí)間，h。
3）營(yíng)養(yǎng)液在紫外線消毒器中的滅菌時(shí)間（即在消毒器中的存留時(shí)間）由下式計(jì)算得到：t=L×3.14×R2/q，其中L 為紫外線消毒器的有效長(zhǎng)度，0.95 m；R 為紫外線消毒器的腔體半徑，0.055 m。
4）臭氧發(fā)生器出氣口的臭氧濃度
5）營(yíng)養(yǎng)液中的臭氧溶解量，采用參考文獻(xiàn)18 的方法測(cè)得。
1.2 不同流量時(shí)，文丘里射流器的吸氣量與紫外線的滅菌時(shí)間
由表1 可以看出，壓力表Ⅰ、Ⅱ的數(shù)值均隨水泵流量的變化而變化：水泵出口端壓力隨流量增加而變大，而紫外線消毒器出口端的壓力呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)；隨著流量由5.6 m3/h 增加到13.6 m3/h，壓力差也由0.06 MPa 增大到0.17 MPa。這說(shuō)明管路的阻力在隨流量增大而變大，但同時(shí)壓差的增大有利于提高文丘里射流器喉管處的吸力，可以從臭氧發(fā)生器中吸入更多的臭氧與空氣的混合氣，這從混合氣體的吸入量由18 L/min 增加到了33 L/min就可看出；另外，流量的增大，更有利于在文丘里射流器的擴(kuò)散管中形成湍流，從而利于臭氧氣體溶解于營(yíng)養(yǎng)液中，從營(yíng)養(yǎng)液中的臭氧含量由0.66 mg/L 提高到了0.73mg/L 就可看出，這對(duì)于提高臭氧的滅菌效果是有利的。營(yíng)養(yǎng)液流經(jīng)紫外線消毒腔體的時(shí)間，是隨著流量的增大而減小的：流量由5.6 m3/h 增大到13.6 m3/h，營(yíng)養(yǎng)液在紫外線消毒腔體中的存留時(shí)間也由5.8 s 減小到2.4 s。營(yíng)養(yǎng)液在消毒器中存留時(shí)間越短，受到的紫外線輻照劑量越少（輻照度一定時(shí)），對(duì)殺滅病原菌越不利，滅菌效果將會(huì)越差。
1.3 滅菌效果試驗(yàn)
2009 年10 月自北京市昌平區(qū)土溝村京承碧園溫室，取得用于番茄樹(shù)式栽培的營(yíng)養(yǎng)液。該營(yíng)養(yǎng)液配制時(shí)間是4月10 日，到取樣時(shí)已經(jīng)循環(huán)使用了180 d 左右。試驗(yàn)主要檢測(cè)了消毒機(jī)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中真菌、細(xì)菌和放線菌的滅菌效果。
2.試驗(yàn)方法
2.1 培養(yǎng)基配制
1）真菌培養(yǎng)基（孟加拉紅培養(yǎng)基）：每升蒸餾水中，加入K2HPO4 1g，MgSO4·7H2O 0.5 g，蛋白胨5 g，葡萄糖10 g，瓊脂15～20 g，1%的孟加拉紅溶液3.3 mL。
2）細(xì)菌培養(yǎng)基（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）：每升蒸餾水中，加入牛肉膏5 g，蛋白胨10 g，NaCl 5 g，瓊脂15 g，調(diào)節(jié)pH 值在7.2～7.6 之間，121℃濕熱滅菌30 min。培養(yǎng)基使用前用雙層紗布中間夾一層脫脂棉過(guò)濾，使培養(yǎng)基澄清、透明。
3）放線菌培養(yǎng)基（高氏一號(hào)培養(yǎng)基）：每升蒸餾水中，加入可溶性淀粉20 g，瓊脂15～20 g，KNO3 1g，NaCl0.5 g，K2HPO40.5 g，MgSO4 0.5 g，F(xiàn)eSO4 0.01 g，121℃濕熱滅菌30 min。
2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備
試驗(yàn)時(shí)采用的主要儀器設(shè)備包括：18×180 試管、電磁爐、1.5 L 燒杯、電子天平、500 mL 錐形瓶、DDHZ-300多用途臺(tái)式恒溫振蕩器、LS-B35L 立式高壓蒸汽滅菌鍋、DL-CJ-1ND 醫(yī)用無(wú)菌操作臺(tái)、賽福智能光照培養(yǎng)箱、哈希DR2800 分光光度計(jì)、哈希DRB200 數(shù)字式反應(yīng)器等。
2.3 試驗(yàn)步驟
1）紫外線消毒試驗(yàn)：①將120 L 營(yíng)養(yǎng)液加入儲(chǔ)液桶，取3 個(gè)空白樣品，作為CK；②打開(kāi)紫外燈電源開(kāi)關(guān)，使燈管預(yù)熱15 min；③調(diào)節(jié)閥門使?fàn)I養(yǎng)液循環(huán)處于某一流量，打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)進(jìn)行消毒；④系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后由取樣口Ⅲ取樣；⑤調(diào)節(jié)閥門改變營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)流量，進(jìn)行下一次消毒和取樣。
2）臭氧消毒試驗(yàn)：①將120 L 營(yíng)養(yǎng)液加入儲(chǔ)液桶，取3 個(gè)空白樣品，作為CK；②打開(kāi)臭氧發(fā)生器電源開(kāi)關(guān)，使臭氧發(fā)生器運(yùn)行10 min；③調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器出氣口閥門開(kāi)度，使臭氧吸入量一定，然后打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)進(jìn)行消毒；④系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后由取樣口Ⅲ取樣；⑤通過(guò)調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器出氣口閥門開(kāi)度，改變進(jìn)入文丘里射流器的臭氧量和營(yíng)養(yǎng)液中的臭氧含量，進(jìn)行下一次消毒和取樣。
3）組合消毒試驗(yàn)：①將120 L 營(yíng)養(yǎng)液加入儲(chǔ)液桶，取3 個(gè)空白樣品，作為CK；②打開(kāi)紫外燈電源開(kāi)關(guān)，使燈管預(yù)熱15 min，5 min 后打開(kāi)臭氧發(fā)生器電源開(kāi)關(guān)，使臭氧發(fā)生器運(yùn)行10 min；③打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)進(jìn)行消毒；④系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后由取樣口Ⅲ取樣，為單獨(dú)使用紫外線消毒的樣本；⑤連接臭氧導(dǎo)管到文丘里射流器，使臭氧混入營(yíng)養(yǎng)液，并在取樣口Ⅱ取樣，得到單獨(dú)采用臭氧消毒的樣品，在取樣口Ⅲ取樣得到UV+O3 組合消毒的樣品。
4）取樣結(jié)束后，用稀釋平板法測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液中殘余微生物數(shù)量。具體步驟如下：
取原液樣本10 mL 于無(wú)菌試管中，在旋渦混旋器上混勻30 s 后，從原液中吸取1 mL 加入到另一裝有9 mL 無(wú)菌水的試管中即為10-1 倍稀釋液，再?gòu)?0-1 倍稀釋液中吸取1 mL 加入到另一裝有9 mL 無(wú)菌水的試管中，得10-2 倍稀釋液，依次進(jìn)行10 倍稀釋，制備10-3 倍、10-4 倍稀釋液。分別取真菌10-1、10-2、10-3 倍稀釋液，細(xì)菌取10-2、10-3、10-4 倍稀釋液，放線菌取原液、10-1、10-2 倍稀釋液各100 μL，于馬丁培養(yǎng)基、牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和高氏一號(hào)培養(yǎng)基上，用無(wú)菌玻璃刮鏟涂抹均勻，分別在28℃倒置培養(yǎng)48 h、72 h、7 d。微生物數(shù)量以單位體積（mL）所形成的菌落數(shù)量來(lái)表示（CFU/mL）。
3 結(jié)果分析與討論
3.1 單獨(dú)采用UV 的滅菌效果
由圖2 可知，當(dāng)紫外線照射劑量分別為53、71、110mJ/cm2（流量分別為11.2、8.3、5.6 m3/h；營(yíng)養(yǎng)液的紫外線透射率T10=48.1%）時(shí)，滅菌率分別為62.7%、80.8%、96.9%。紫外線的滅菌效果由紫外線照射劑量決定，在不改變紫外燈功率情況下通過(guò)減小營(yíng)養(yǎng)液流量進(jìn)而降低流速，從而增加輻照劑量，滅菌率呈直線上升趨勢(shì)。但由于在實(shí)際栽培過(guò)程中，植物根系會(huì)產(chǎn)生根系分泌物（包括滲出物如糖類、氨基酸、維生素等，和主動(dòng)分泌物如黏膠物質(zhì)、酶類、激素、酚類、有機(jī)酸、質(zhì)子等），以及植物殘?bào)w脫落物，這些因素都會(huì)降低營(yíng)養(yǎng)液的紫外線透射率，影響了紫外線穿透效果而使得單獨(dú)使用紫外線、大流量時(shí)的滅菌率不高。
圖2
3.2 單獨(dú)采用O3 的滅菌效果
由圖3 可以看出，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中的臭氧濃度分別達(dá)到0.2、0.4、0.6 mg/L 時(shí)，對(duì)微生物的殺滅效果分別是16.9、18.6、51.49%。
圖3
與紫外線滅菌率所形成的直線不同，臭氧滅菌率呈曲線且曲線的斜率逐漸增大。這說(shuō)明隨著營(yíng)養(yǎng)液中臭氧濃度的提高，其對(duì)微生物的滅菌率也相應(yīng)增加。這是因?yàn)槌粞鯗缇Ч艹粞鯘舛群徒佑|時(shí)間的共同影響，滅菌率會(huì)隨著營(yíng)養(yǎng)液中臭氧濃度的提高而升高；另外，營(yíng)養(yǎng)液除了微生物體還存在其它具有還原性的物質(zhì)，如植物根系分泌物以及植物殘?bào)w脫落物等，這些物質(zhì)的氧化會(huì)消耗一定的臭氧，從而使得低濃度時(shí)臭氧滅菌率不高。
3.3 UV+O3 組合的滅菌效果
由圖4 可以看出，整機(jī)流量控制在11.2 m3/h 時(shí)，關(guān)閉紫外燈單獨(dú)采用臭氧對(duì)菌液消毒，滅菌率為15.9%；關(guān)閉臭氧僅采用紫外線消毒，滅菌率是70.6%；采用臭氧和紫外線組合，滅菌率可達(dá)89.9%。
圖4
還可以看出，3 種不同滅菌方法之間存在顯著地差異，且組合式滅菌體現(xiàn)了殺菌的協(xié)同作用：組合式消毒滅菌率也略大于臭氧滅菌率和紫外線滅菌率之和。說(shuō)明臭氧與紫外組合不是消毒方式的簡(jiǎn)單疊加，出現(xiàn)了協(xié)同滅菌效應(yīng)。
紫外線照射與臭氧的協(xié)同滅菌作用主要有兩方面的原因：臭氧與有機(jī)物分子反應(yīng)需要活化能，紫外線的照射提高了有機(jī)物分子能量，使活化分子比例增多，從而使有機(jī)物更容易在臭氧的氧化下分解；另外，水中溶解的臭氧在紫外線照射下能夠生成反應(yīng)活性更高的羥基自由基（•OH），進(jìn)而加速了水中有機(jī)物的去除速率[19]。
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