城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律

工程科学学报，第39卷，第5期：669-675,2017年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.5:669-675,May 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.004;htp:/journals..usth.edu.cn 城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 窦培谦2)，寇珏)，孙春宝)四，李明颖) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)中国劳动关系学院安全工程系，北京100048 ☒通信作者，E-mail:suncb@usth.cdu.cn 摘要通过再生水模拟浮选试验和吸附、解吸附试验分析研究了城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中的迁移规律.研究 结果表明：再生水中大肠杆菌能够快速被矿物颗粒吸附，尾矿废水继续回用于浮选流程是安全的，但精矿、中矿、尾矿中吸附 了大量的大肠杆菌，在特定暴露水平下会对从业人员构成健康风险：矿物颗粒对大肠杆菌的吸附是影响再生水中大肠杆菌在 浮选过程迁移的主要因素：随着大肠杆菌浓度的升高，大肠杆菌衰减率、吸附速率随之下降：矿物颗粒对大肠杆菌的吸附对 pH变化敏感，随着pH升高，矿旷物颗粒对大肠杆菌的吸附呈下降趋势，捕收剂煤油、PO53和调整剂C0的加入会明显提高矿 物颗粒对大肠杆菌的吸附. 关键词再生水：大肠杆菌：浮选：迁移：吸附 分类号TD78+2 Transport of E.coli of reclaimed water in flotation system DOU Pei-qian'2),KOU Jue,SUN Chun-bao LI Ming-ying 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Safety Engineering,China University of Labor Relations,Beijing 100048,China Corresponding author,E-mail:suncb@ustb.edu.cn ABSTRACT The transport of E.coli in reclaimed water in floatation system was investigated through simulate flotation,adsorption experiment and desorption experiments.The results show that E.coli in reclaimed water is rapidly adsorbed by ore particles,while tail- ing waste water can be reused to floatation safely.However,concentrates,middlings and tailings can pose health risks under certain exposure conditions.The transport of E.coli in flotation processes is dominated by the attachment of E.coli onto ore particles.Removal and adsorption rates decrease as the concentrations of E.coli increase.Meanwhile,E.coli adsorption on ore particles is sensitive to the changes of solution pH,and decreases as the solution pH increases.The attachment of E.coli onto mineral particles increases signifi- cantly at the presence of collector kerosene,PJ053,and the pH-adjusting agents CaO. KEY WORDS reclaimed water;Escherichia coli;floatation:transport;adsorption 浮选是目前被普遍采用的一种选矿方法，耗水量在节约用水、保护环境的同时有效降低了浮选用水成 很大，但对水质没有严格要求.在广大缺水地区，将城本口.但是，城市再生水中含有大量的病原微生物，由 市中水用于耗水量巨大的矿业开发，是充分利用城市 此引起的疾病传播风险是再生水回用过程中面临的主 再生水，有效利用水资源，降低矿业用水成本的根本途 要问题之一·加拿大、美国等国家的研究表明，回用的 径.满洲里乌努格吐山铜钼矿首次将城市再生水回用污水中已经发现的微生物主要有：细菌、原虫、寄生虫 到浮选流程中，使用海拉尔再生水和经过臭氧氧化处及病毒等，如沙门氏菌是市政污水中普遍存在的致病 理后的满洲里再生水，无论是铜钼混合浮选，还是铜钼 菌之一，可能导致伤寒、败血病、急性肠胃炎等.市政 分离浮选，浮选指标均良好，选矿技术经济指标稳定， 污水中还存在志贺氏菌，可能导致痢疾.污水中存在 收稿日期：2016-11-04

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期:669鄄鄄675,2017 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 5: 669鄄鄄675, May 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 05. 004; http: / / journals. ustb. edu. cn 城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 窦培谦1,2) , 寇 珏1) , 孙春宝1) 苣 , 李明颖1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 中国劳动关系学院安全工程系, 北京 100048 苣 通信作者, E鄄mail: suncb@ ustb. edu. cn 摘 要 通过再生水模拟浮选试验和吸附、解吸附试验分析研究了城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中的迁移规律. 研究 结果表明:再生水中大肠杆菌能够快速被矿物颗粒吸附,尾矿废水继续回用于浮选流程是安全的,但精矿、中矿、尾矿中吸附 了大量的大肠杆菌,在特定暴露水平下会对从业人员构成健康风险;矿物颗粒对大肠杆菌的吸附是影响再生水中大肠杆菌在 浮选过程迁移的主要因素;随着大肠杆菌浓度的升高,大肠杆菌衰减率、吸附速率随之下降;矿物颗粒对大肠杆菌的吸附对 pH 变化敏感,随着 pH 升高,矿物颗粒对大肠杆菌的吸附呈下降趋势,捕收剂煤油、Pj053 和调整剂 CaO 的加入会明显提高矿 物颗粒对大肠杆菌的吸附. 关键词 再生水; 大肠杆菌; 浮选; 迁移; 吸附 分类号 TD78 + 2 Transport of E. coli of reclaimed water in flotation system DOU Pei鄄qian 1,2) , KOU Jue 1) , SUN Chun鄄bao 1) 苣 , LI Ming鄄ying 1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Department of Safety Engineering, China University of Labor Relations, Beijing 100048, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: suncb@ ustb. edu. cn ABSTRACT The transport of E. coli in reclaimed water in floatation system was investigated through simulate flotation, adsorption experiment and desorption experiments. The results show that E. coli in reclaimed water is rapidly adsorbed by ore particles, while tail鄄 ing waste water can be reused to floatation safely. However, concentrates, middlings and tailings can pose health risks under certain exposure conditions. The transport of E. coli in flotation processes is dominated by the attachment of E. coli onto ore particles. Removal and adsorption rates decrease as the concentrations of E. coli increase. Meanwhile, E. coli adsorption on ore particles is sensitive to the changes of solution pH, and decreases as the solution pH increases. The attachment of E. coli onto mineral particles increases signifi鄄 cantly at the presence of collector kerosene, PJ053, and the pH鄄adjusting agents CaO. KEY WORDS reclaimed water; Escherichia coli; floatation; transport; adsorption 收稿日期: 2016鄄鄄11鄄鄄04 浮选是目前被普遍采用的一种选矿方法,耗水量 很大,但对水质没有严格要求. 在广大缺水地区,将城 市中水用于耗水量巨大的矿业开发,是充分利用城市 再生水,有效利用水资源,降低矿业用水成本的根本途 径. 满洲里乌努格吐山铜钼矿首次将城市再生水回用 到浮选流程中,使用海拉尔再生水和经过臭氧氧化处 理后的满洲里再生水,无论是铜钼混合浮选,还是铜钼 分离浮选,浮选指标均良好,选矿技术经济指标稳定, 在节约用水、保护环境的同时有效降低了浮选用水成 本[1] . 但是,城市再生水中含有大量的病原微生物,由 此引起的疾病传播风险是再生水回用过程中面临的主 要问题之一. 加拿大、美国等国家的研究表明,回用的 污水中已经发现的微生物主要有:细菌、原虫、寄生虫 及病毒等,如沙门氏菌是市政污水中普遍存在的致病 菌之一,可能导致伤寒、败血病、急性肠胃炎等. 市政 污水中还存在志贺氏菌,可能导致痢疾. 污水中存在

·670· 工程科学学报，第39卷，第5期 的弧形大肠杆菌曾在1988年引起细菌性痢疾的暴发. 量同上 尤其是在经历了欧美“军团病”、“贾第虫病”、“隐孢子 1.4城市再生水模拟浮选试验 虫病”和我国“非典”、“禽流感”等大规模病毒传染事 浮选试验使用槽式浮选机(3L),试验用矿样未经 件之后，人们对城市再生水回用的卫生安全问题给予 灭菌处理，试验用水采用城市再生水，取自北京某污水 特别关注2].因此研究城市再生水中病原微生物在 处理厂二沉池出水，该污水处理厂处理工艺为预处 传播介质中的迁移过程，对再生水的安全回用意义 理+循环式活性污泥法(C-TECH)+次氯酸钠消毒工 重大. 艺，出水水质达到B类标准.为考察磨矿过程对大肠 研究表明，病原微生物在土壤等多孔介质中迁移 杆菌时空分布的影响，试验分两组，一组磨矿时使用灭 和存活主要经历了吸附质对病原微生物的吸附和灭活 菌水，真空抽滤自然风干后用再生水调浆，矿浆中固相 两个过程5-]，此过程影响因素复杂，吸附质的形 成分的质量分数为25%，按图1加药制度完成三次扫 状7-]、粒径、化学组成、表面性质[9-)、病原微生物种 选：另一组浮选过程中全部用水均使用再生水，按图1 类、温度[4]等都会影响吸附质对病原微生物的吸附 加药制度完成三次扫选.分别检测浮选泡沫和三次扫 和灭活.本文利用城市再生水和大肠杆菌菌悬液，通 选矿浆中的大肠杆菌浓度.试验所用浮选药剂有pH 过试验室室内模拟浮选试验和吸附、解吸附试验分析 调整剂(Ca0)、捕收剂（煤油、钼友、Pj053)和起泡剂 研究了城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中的迁移规 (2号油). 律及矿物颗粒对大肠杆菌的吸附机理. 原矿（人矿量1kg 1试验材料及试验方法 石灰：1.5kg -0.074mm占65% 1.1矿样 磨矿 试验所用矿样由中国黄金集团内蒙古矿业公司铜 2min米Pj-053:10gtl 2min米煤油：60g 钼矿提供.大肠杆菌吸附、解吸附试验矿样经手工捶 2min米钼友：5gl 碎、挑选、球磨，磨矿细度为-0.074mm的占65%，矿 2min米2号油：20g· 混合粗选 样烘干后高压灭菌锅115℃灭菌1h:城市再生水模拟 4min2min米煤油：10gl 浮选试验所用矿样无需灭菌处理. 2min米Pj-053:5gr 2min米2号油：2.5g 1.2大肠杆菌菌悬液的制备 粗精可 扫 本研究采用的是非致病性大肠杆菌，试验菌株来 2.5min2mim*煤油：8g 自中国人民解放军总医院.将甘油菌从冰箱取出置于 2min米P5-053:2.5g1 低温中，当表面部分融化部分即可，用接种环挑取少许 2.5 min 冻结的菌种到平皿上，37℃培养8~12h,接种环挑取 2min米煤油：5g+ 2min米Pj-053:2.5gl 单菌落，在平皿培养基上划线，37℃培养约6~12h,进 中矿2 扫三 行转接，转接2~3代后，接种环挑取大肠杆菌菌落，放 2 min 入灭菌试管，加灭菌去离子水20L,涡旋器混匀，制成 中矿3 尾矿 大肠杆菌菌悬液. 平板计数法：按照10倍梯度稀释法稀释样品，在 图1浮选试验流程图 营养琼脂平板上，取100μL样品稀释液并涂布于整个 Fig.1 Flotation test process 平板表面，放置约10min,翻转平板，37℃培养箱内培 1.5大肠杆菌吸附试验 养24h后选取菌落数15CFU~150CFU的平板进行 为了排除城市再生水中其他病原微生物的干扰， 计数. 采用大肠杆菌菌悬液分析矿物颗粒对大肠杆菌的吸附 1.3大肠杆菌及矿物颗粒Zeta电位的测定 试验.取12个50mL的离心管，分别加入矿物颗粒 用美国Brookhaven公司的Zetaplus90电位仪来测 3g,并加入一定浓度的菌悬液10mL,将上述加入菌液 定zeta电位.称取0.5g矿样于50mL蒸馏水中，用 后的离心管放置恒温摇床上，以200r·min振荡，分别 0.01mol-L1NaOH或0.01molL1HCl调节pH值为 在0、5、10、15、20、30、45、60、75、90、100、120min后，取 2~12,电解质KN0,浓度为0.01mol·L1.然后用3~ 其中一个管，在离心管底部加入4mL质量分数为60% 5mL悬液润洗Zeta电位仪的测定杯，再将测定杯用待 蔗糖溶液，2000 r.min-离心2min,测上清液大肠杆菌 测悬液注满，然后小心插入测定电极，使杯内不留气浓度.每个时间点作3个平行，取平均值，并设置只加 泡，即可开始测定程序.设定每个样品测定5次，取平 10mL菌液的离心管作为对照组. 均值为最终的Zela电位数据.大肠杆菌的Zeta电位测 吸附试验数据用一阶微分方程模拟)，见下式：

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 的弧形大肠杆菌曾在 1988 年引起细菌性痢疾的暴发. 尤其是在经历了欧美“军团病冶、“贾第虫病冶、“隐孢子 虫病冶和我国“非典冶、“禽流感冶等大规模病毒传染事 件之后,人们对城市再生水回用的卫生安全问题给予 特别关注[2鄄鄄4] . 因此研究城市再生水中病原微生物在 传播介质中的迁移过程,对再生水的安全回用意义 重大. 研究表明,病原微生物在土壤等多孔介质中迁移 和存活主要经历了吸附质对病原微生物的吸附和灭活 两个过程[5鄄鄄6] ,此 过 程 影 响 因 素 复 杂, 吸 附 质 的 形 状[7鄄鄄8] 、粒径、化学组成、表面性质[9鄄鄄13] 、病原微生物种 类、温度[14鄄鄄15]等都会影响吸附质对病原微生物的吸附 和灭活. 本文利用城市再生水和大肠杆菌菌悬液,通 过试验室室内模拟浮选试验和吸附、解吸附试验分析 研究了城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中的迁移规 律及矿物颗粒对大肠杆菌的吸附机理. 1 试验材料及试验方法 1郾 1 矿样 试验所用矿样由中国黄金集团内蒙古矿业公司铜 钼矿提供. 大肠杆菌吸附、解吸附试验矿样经手工捶 碎、挑选、球磨,磨矿细度为 - 0郾 074 mm 的占 65% ,矿 样烘干后高压灭菌锅 115 益 灭菌 1 h;城市再生水模拟 浮选试验所用矿样无需灭菌处理. 1郾 2 大肠杆菌菌悬液的制备 本研究采用的是非致病性大肠杆菌,试验菌株来 自中国人民解放军总医院. 将甘油菌从冰箱取出置于 低温中,当表面部分融化部分即可,用接种环挑取少许 冻结的菌种到平皿上,37 益 培养 8 ~ 12 h,接种环挑取 单菌落,在平皿培养基上划线,37 益培养约 6 ~ 12 h,进 行转接,转接 2 ~ 3 代后,接种环挑取大肠杆菌菌落,放 入灭菌试管,加灭菌去离子水20 mL,涡旋器混匀,制成 大肠杆菌菌悬液. 平板计数法:按照 10 倍梯度稀释法稀释样品,在 营养琼脂平板上,取 100 滋L 样品稀释液并涂布于整个 平板表面,放置约 10 min,翻转平板,37 益 培养箱内培 养 24 h 后选取菌落数 15 CFU ~ 150 CFU 的平板进行 计数. 1郾 3 大肠杆菌及矿物颗粒 Zeta 电位的测定 用美国 Brookhaven 公司的 Zetaplus90 电位仪来测 定 zeta 电位. 称取 0郾 5 g 矿样于 50 mL 蒸馏水中,用 0郾 01 mol·L - 1 NaOH 或 0郾 01 mol·L - 1 HCl 调节 pH 值为 2 ~ 12,电解质 KNO3浓度为 0郾 01 mol·L - 1 . 然后用3 ~ 5 mL悬液润洗 Zeta 电位仪的测定杯,再将测定杯用待 测悬液注满,然后小心插入测定电极,使杯内不留气 泡,即可开始测定程序. 设定每个样品测定 5 次,取平 均值为最终的 Zeta 电位数据. 大肠杆菌的 Zeta 电位测 量同上. 1郾 4 城市再生水模拟浮选试验 浮选试验使用槽式浮选机(3 L),试验用矿样未经 灭菌处理,试验用水采用城市再生水,取自北京某污水 处理厂二沉池出水,该污水处理厂处理工艺为预处 理 + 循环式活性污泥法(C鄄鄄TECH) + 次氯酸钠消毒工 艺,出水水质达到 B 类标准. 为考察磨矿过程对大肠 杆菌时空分布的影响,试验分两组,一组磨矿时使用灭 菌水,真空抽滤自然风干后用再生水调浆,矿浆中固相 成分的质量分数为 25% ,按图 1 加药制度完成三次扫 选;另一组浮选过程中全部用水均使用再生水,按图 1 加药制度完成三次扫选. 分别检测浮选泡沫和三次扫 选矿浆中的大肠杆菌浓度. 试验所用浮选药剂有 pH 调整剂(CaO)、捕收剂(煤油、钼友、Pj053) 和起泡剂 (2 号油). 图 1 浮选试验流程图 Fig. 1 Flotation test process 1郾 5 大肠杆菌吸附试验 为了排除城市再生水中其他病原微生物的干扰, 采用大肠杆菌菌悬液分析矿物颗粒对大肠杆菌的吸附 试验. 取 12 个 50 mL 的离心管,分别加入矿物颗粒 3 g,并加入一定浓度的菌悬液 10 mL,将上述加入菌液 后的离心管放置恒温摇床上,以 200 r·min - 1振荡,分别 在 0、5、10、15、20、30、45、60、75、90、100、120 min 后,取 其中一个管,在离心管底部加入 4 mL 质量分数为 60% 蔗糖溶液,2000 r·min - 1离心 2 min,测上清液大肠杆菌 浓度. 每个时间点作 3 个平行,取平均值,并设置只加 10 mL菌液的离心管作为对照组. 吸附试验数据用一阶微分方程模拟[15] ,见下式: ·670·

窦培谦等：城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 ·671· dC(=-A()C(). (1) 剂PJ053、煤油、，2号油等对大肠杆菌几乎不存在灭活 d 作用，且试验中采用对照组浓度来抵消大肠杆菌自然 式中：C为上清液大肠杆菌浓度，CFUL:为吸附时 衰减带来的误差，因此可以推断再生水中的大肠杆菌 间，minm:入为大肠杆菌衰减速率系数，数学表达式见 的衰减是由矿物颗粒对大肠杆菌的吸附和灭活引起 下式： 的.大肠杆菌能够被矿物颗粒迅速吸附，磨矿过程矿 A(t)=A。em (2) 物颗粒已经完成绝大部分大肠杆菌的吸附.从大肠杆 式中，入。为初始大肠杆菌衰减速率系数：α为大肠杆 菌的时空分布来看，尾矿废水中大肠杆菌浓度远低于 菌衰减阻力系数 《城市污水再生利用工业用水》(GB/T19923一2005) 假设C(0)=C。,则公式(1)可转化为 中的要求，继续回用于浮选流程是安全的，但精矿、中 1nC2=-{ep[-u]-1. (3) 矿、尾矿吸附了大量的大肠杆菌，在特定暴露水平下会 C。 0 对从业人员构成健康风险 式中，C,为对照组大肠杆菌初始浓度，入。、α由公式(3) 矿物颗粒对大肠杆菌的吸附是影响再生水中大肠 用最小二乘迭代法求得 杆菌在浮选过程迁移的主要因素，由于再生水水质不 1.6大肠杆菌解吸附试验 稳定，大肠杆菌浓度较低，而且化学组分复杂，在一定 大肠杆菌解吸附试验用来检验矿物颗粒对大肠杆 程度上会对吸附行为造成干扰，为了进一步揭示矿物 菌的吸附为可逆吸附还是不可逆吸附（灭活）.吸附试 颗粒对大肠杆菌的吸附机理，采用一定浓度的大肠杆 验完成后，将离心管静置2h,无菌注射器小心将上清 菌菌悬液和灭菌矿物按照1.5、1.6节中表述的方法进 液吸净，加入质量分数为3%牛肉膏提取液（其中含 行吸附和解吸附试验，分析大肠杆菌浓度、H、浮选药 0.04molL焦磷酸钠)10mL,涡旋混合，放入摇床振 剂对吸附的影响 荡30min,取上清液测定大肠杆菌浓度C.同样设置只 表1再生水中大肠杆菌浓度在浮选过程中的空间分布 加10mL菌液的离心管作为空白组. C-Cx100%. Table 1 Spatial distribution of E.coli in flotation r= (4) 大肠杆菌浓度/(CFU·L1) 水样 式中：r为大肠杆菌衰减率；C为吸附平衡时对照组 灭菌水磨矿 再生水磨矿 大肠杆菌浓度，CUL;C为吸附平衡时样品上清液 再生水 2.2×104 2.2×104 大肠杆菌浓度，CFUL. 一次粗选泡沫 1.3×103 2.2×102 C 一次粗选矿浆上清液 1000 <10 n-c-Cx100%. (5) 一次扫选泡沫 550 100 式中：，为大肠杆菌回收率；C为吸附平衡时对照组 一次扫选中矿上清液 <10 <10 大肠杆菌浓度，C℉UL';C,为吸附平衡时样品上清液 二次扫选泡沫 200 100 大肠杆菌浓度，CFUL;C·为提取液大肠杆菌浓度， 二次扫选中矿上清液 <10 <10 CFU-L-'. 三次扫选尾矿上清液 <10 <10 5=-1×100%. (6) r 2.2大肠杆菌浓度对吸附的影响 式中，，为大肠杆菌灭活率/不可逆吸附率 取3g矿样，放入50mL离心管，加入菌悬液10ml,改变 大肠杆菌菌悬液浓度(2.63×102、2.63×10"、2.63× 2结果与讨论 10°、2.63×10CFUL)按照1.5节所述方法进行吸 2.1城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中的迁移规律 附试验，分析大肠杆菌菌悬液浓度对吸附的影响 由表1试验结果看出，两组试验中铜钼矿三次扫 从图2、表2可以看出，矿物颗粒对大肠杆菌的吸 选过程后，再生水中大肠杆菌浓度逐级减小，一次扫选 附可分为三个阶段，吸附反应开始时，反应速率较快， 之后大肠杆菌浓度均减少至10CFU·L以下，灭菌水 为快反应阶段，大概持续20min.接着反应率减缓进入 磨矿试验中大肠杆菌浓度衰减率(95%)明显低于再 慢反应阶段，然后逐渐达到平衡阶段.随着大肠杆菌 生水磨矿（接近100%），灭菌水磨矿试验中一次粗选 浓度的升高，矿物颗粒对细菌的吸附速率随之下降：衰 泡沫中大肠杆菌浓度为1.3×103CFU·L,一次粗选 减速率系数入由0.314下降到0.097，衰减阻力系数由 矿浆上清液中大肠杆菌浓度为1000C℉U·L1,分别高0.081增加至0.142；大肠杆菌衰减率也随之下降，菌 于再生水磨矿的2.2×102CFUL1和<10CFUL. 悬液浓度在2.63×10~2.63×102CFU-L-1大约在 大肠杆菌存活试验（详见论文2.4部分）表明浮选药 45min左右达到吸附平衡，达到平衡时，大肠杆菌衰减

窦培谦等: 城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 dC(t) dt = - 姿(t)C(t). (1) 式中: C 为上清液大肠杆菌浓度,CFU·L - 1 ;t 为吸附时 间,min;姿 为大肠杆菌衰减速率系数,数学表达式见 下式: 姿(t) = 姿0 e - 琢t . (2) 式中,姿0 为初始大肠杆菌衰减速率系数;琢 为大肠杆 菌衰减阻力系数. 假设 C(0) = C0 ,则公式(1)可转化为 ln C(t) C0 = - 姿0 琢 {exp [ - 琢t] - 1}. (3) 式中,C0为对照组大肠杆菌初始浓度,姿0 、琢 由公式(3) 用最小二乘迭代法求得. 1郾 6 大肠杆菌解吸附试验 大肠杆菌解吸附试验用来检验矿物颗粒对大肠杆 菌的吸附为可逆吸附还是不可逆吸附(灭活). 吸附试 验完成后,将离心管静置 2 h,无菌注射器小心将上清 液吸净,加入质量分数为 3% 牛肉膏提取液(其中含 0郾 04 mol·L - 1焦磷酸钠)10 mL,涡旋混合,放入摇床振 荡 30 min,取上清液测定大肠杆菌浓度 C. 同样设置只 加 10 mL 菌液的离心管作为空白组. r = Ccon - Ceq Ccon 伊 100% . (4) 式中: r 为大肠杆菌衰减率;Ccon为吸附平衡时对照组 大肠杆菌浓度,CFU·L - 1 ;Ceq为吸附平衡时样品上清液 大肠杆菌浓度,CFU·L - 1 . r1 = C * Ccon - Ceq 伊 100% . (5) 式中: r1为大肠杆菌回收率;Ccon为吸附平衡时对照组 大肠杆菌浓度,CFU·L - 1 ;Ceq为吸附平衡时样品上清液 大肠杆菌浓度,CFU·L - 1 ;C * 为提取液大肠杆菌浓度, CFU·L - 1 . r2 = r - r1 r 伊 100% . (6) 式中,r2为大肠杆菌灭活率/ 不可逆吸附率. 2 结果与讨论 2郾 1 城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中的迁移规律 由表 1 试验结果看出,两组试验中铜钼矿三次扫 选过程后,再生水中大肠杆菌浓度逐级减小,一次扫选 之后大肠杆菌浓度均减少至 10 CFU·L - 1以下,灭菌水 磨矿试验中大肠杆菌浓度衰减率(95% ) 明显低于再 生水磨矿(接近 100% ),灭菌水磨矿试验中一次粗选 泡沫中大肠杆菌浓度为 1郾 3 伊 10 3 CFU·L - 1 ,一次粗选 矿浆上清液中大肠杆菌浓度为 1000 CFU·L - 1 ,分别高 于再生水磨矿的 2郾 2 伊 10 2 CFU·L - 1和 < 10 CFU·L - 1 . 大肠杆菌存活试验(详见论文 2郾 4 部分) 表明浮选药 剂 PJ053、煤油、2 号油等对大肠杆菌几乎不存在灭活 作用,且试验中采用对照组浓度来抵消大肠杆菌自然 衰减带来的误差,因此可以推断再生水中的大肠杆菌 的衰减是由矿物颗粒对大肠杆菌的吸附和灭活引起 的. 大肠杆菌能够被矿物颗粒迅速吸附,磨矿过程矿 物颗粒已经完成绝大部分大肠杆菌的吸附. 从大肠杆 菌的时空分布来看,尾矿废水中大肠杆菌浓度远低于 《城市污水再生利用工业用水》 (GB/ T19923—2005) 中的要求,继续回用于浮选流程是安全的,但精矿、中 矿、尾矿吸附了大量的大肠杆菌,在特定暴露水平下会 对从业人员构成健康风险. 矿物颗粒对大肠杆菌的吸附是影响再生水中大肠 杆菌在浮选过程迁移的主要因素,由于再生水水质不 稳定,大肠杆菌浓度较低,而且化学组分复杂,在一定 程度上会对吸附行为造成干扰,为了进一步揭示矿物 颗粒对大肠杆菌的吸附机理,采用一定浓度的大肠杆 菌菌悬液和灭菌矿物按照 1郾 5、1郾 6 节中表述的方法进 行吸附和解吸附试验,分析大肠杆菌浓度、pH、浮选药 剂对吸附的影响. 表 1 再生水中大肠杆菌浓度在浮选过程中的空间分布 Table 1 Spatial distribution of E郾 coli in flotation 水样 大肠杆菌浓度/ (CFU·L - 1 ) 灭菌水磨矿 再生水磨矿 再生水 2郾 2 伊 10 4 2郾 2 伊 10 4 一次粗选泡沫 1郾 3 伊 10 3 2郾 2 伊 10 2 一次粗选矿浆上清液 1000 < 10 一次扫选泡沫 550 100 一次扫选中矿上清液 < 10 < 10 二次扫选泡沫 200 100 二次扫选中矿上清液 < 10 < 10 三次扫选尾矿上清液 < 10 < 10 2郾 2 大肠杆菌浓度对吸附的影响 取3g 矿样,放入50mL 离心管,加入菌悬液10mL,改变 大肠杆菌菌悬液浓度(2郾 63 伊 10 12 、2郾 63 伊 10 11 、2郾 63 伊 10 10 、2郾 63 伊 10 9 CFU·L - 1 )按照 1郾 5 节所述方法进行吸 附试验,分析大肠杆菌菌悬液浓度对吸附的影响. 从图 2、表 2 可以看出,矿物颗粒对大肠杆菌的吸 附可分为三个阶段,吸附反应开始时,反应速率较快, 为快反应阶段,大概持续20 min. 接着反应率减缓进入 慢反应阶段,然后逐渐达到平衡阶段. 随着大肠杆菌 浓度的升高,矿物颗粒对细菌的吸附速率随之下降:衰 减速率系数 姿 由0郾 314 下降到0郾 097,衰减阻力系数由 0郾 081 增加至 0郾 142;大肠杆菌衰减率也随之下降,菌 悬液浓度在 2郾 63 伊 10 11 ~ 2郾 63 伊 10 12 CFU·L - 1大约在 45 min 左右达到吸附平衡,达到平衡时,大肠杆菌衰减 ·671·

·672· 工程科学学报，第39卷，第5期 率分别为69.2%、79.46%，大肠杆菌浓度在2.63× 逆吸附的大肠杆菌在外力作用下，很容易再次进入尾 10°~2.63×101oCFU-L1大约在20min左右达到吸附 矿废水，仍具有传染性，增加从业工人的健康风险.矿 平衡，达到平衡时，大肠杆菌吸附率分别为82.89%、 物颗粒对大肠杆菌存在很强的不可逆吸附/灭活，不可 89.35%.大肠杆菌作为胶体粒子，通过范德华力吸附 逆吸附/灭活率随浓度的降低依次增加，分别为 在具有巨大比表面能的矿物颗粒上，矿物颗粒表面只 92.44%、93.42%、95.71%、96.16%. 能提供一定数量的吸附点位，已经被吸附的大肠杆菌 2.3pH值对大肠杆菌吸附的影响 会对即将被吸附的细胞产生阻碍作用，在大肠杆菌浓 大肠杆菌具有较强的耐酸性，在pH值为2.5或 度较低的情况下，矿物表面的吸附位置相对过剩，有利 3.0的极端条件下5h而不失生存力，碱性条件下也能 于吸附过程的进行，吸附率都相对较高：随着大肠杆菌 存活很长的时间，因此本试验选取了更为宽泛的pH 浓度的增加，矿物表面所提供的吸附位置相对不足，由 范围，讨论pH对矿物颗粒对大肠杆菌吸附作用的 于“位阻效应”致使大量的大肠杆菌细胞因没有可以 影响. 黏附的位置而游离在溶液中，因而吸附率较低[)，也 取3g矿样，放入50mL离心管，加人菌悬液10mL,大 有学者提出了“胶体碰撞”理论来解释这一现象，矿物 肠杆菌浓度1.63×102C℉UL-,温度25℃，0.1molL 颗粒与大肠杆菌之间的吸附和解吸是同时进行的，是 的HCl和NaOH调整吸附体系pH(pH值为4.5、7.5、 一个动态的过程，当大肠杆菌浓度增加时，加剧了细菌 9.5、10.5),按照1.5、1.6节所述方法进行吸附试验， 之间的碰撞，会将一部分吸附不够牢固大肠杆菌从矿 分析pH对吸附的影响. 物颗粒表面击落，导致达到吸附平衡时吸附率下 从图3可以看出，随着pH升高，矿物颗粒对大肠 降6 杆菌的吸附呈下降趋势，pH值为4.5时，矿物颗粒对 0 大肠杆菌的吸附明显高于pH值为7.5、9.5和10.5时 o2.63×102CFU-L-1 -0.2 口2.63×1011CfU-L- 的吸附，达到吸附平衡时，大肠杆菌衰减率分别为 △2.63×10oCFU-L -0.40 ×2.63×109CFU.L-1 97.48%、71.20%、44.64%、44.14%,衰减速率系数入 0o 0 0 0000 。 随pH的增加而降低，A值由0.43(pH值为4.5)下降 -0.6*a口 ◇ 到0.047(pH值为10.5)，衰减阻力系数a随pH的增 ▣ -0.8 △ 8 ▣0 0 加而增加.Zeta电位随pH的变化可解释这一吸附趋 势（图4）.在试验条件下，大肠杆菌始终带负电荷，且 -1.0 随着pH值增加，表面负电荷增加，大肠杆菌表面的负 0 20 40 6080100120140 电荷主要是由于细菌表面的脂多糖、脂蛋白和表面蛋 时间min 白上的功能基团如氨基（一NH,)、羧基（一COOH)和 图2大肠杆菌浓度对吸附的影响 羟基（一0H)等决定的2..pH值为4.5时，矿物颗 Fig.2 Influence of concentration of E.coli on adsorption 粒带弱的正电荷，两者之间的静电作用力为静电引力， 表2不同细菌浓度大肠杆菌衰减率与衰减速率系数 此时矿物颗粒对大肠杆菌的吸附最大，大肠杆菌衰减 Table2 Adsorption ratio and adsorption rate coefficient of different con- 率高达97.50%，当pH值大于5时，两者带相同电荷， centrations E.coli 表现出静电斥力，且大肠杆菌和矿物的Zeta电位值随 大肠杆菌浓度/ pH升高而递减，矿物颗粒及细菌表面负电荷逐渐增 r/% r1/% (CFU-L-1) 2/% 多，矿物颗粒与大肠杆菌之间的静电斥力增加，导致吸 2.63×1012 69.20 5.23 92.440.097 0.142 附减弱.由此可以看出，矿物颗粒与大肠杆菌的电性 2.63×101 79.46 5.23 93.420.1540.103 也是影响吸附的重要因素，如果矿物颗粒与病原微生 2.63×100 82.89 3.56 95.710.1820.097 物所带电荷相反，表现为静电引力有利于吸附，如果两 2.63×109 89.35 3.43 96.16 0.3140.081 者带相同电荷，表现为静电斥力会减弱吸附 表3为不同pH条件下大肠杆菌的回收率，试验 从表2可以看出，大肠杆菌的回收率整体较低，平 数据表明随着pH的增加矿物颗粒对大肠杆菌的不可 均4.36%被吸附的大肠杆菌被洗脱，这是由于大肠杆 逆/灭活率依次降低，由98.74%(pH值为4.5)下降到 菌表面的细胞壁包含有大量脂多糖和肽聚糖等大分 85.43%(pH值为10.5)，整体来看，不可逆/灭活率较 子，如果这些大分子在矿物颗粒表面吸附且其长度大 高达到85%以上，这部分大肠杆菌被牢固的吸附在矿 于双电层厚度的两倍则会发生“桥联”作用，使大肠杆 物颗粒上，牛肉膏提取液很难将其洗脱下来，或者被矿 菌更加牢固地吸附在矿物颗粒表面)]，大肠杆菌初始 浆中的金属氧化物及金属离子如A山，0，、Fe3·等灭活失 浓度高的，更容易被洗脱，回收率相对较高，这部分可 去传染性.Willianms等研究指出粘土矿物中的Fe2

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 率分别为 69郾 2% 、79郾 46% ,大肠杆菌浓度在 2郾 63 伊 10 9 ~ 2郾 63 伊 10 10 CFU·L - 1大约在 20 min 左右达到吸附 平衡,达到平衡时,大肠杆菌吸附率分别为 82郾 89% 、 89郾 35% . 大肠杆菌作为胶体粒子,通过范德华力吸附 在具有巨大比表面能的矿物颗粒上,矿物颗粒表面只 能提供一定数量的吸附点位,已经被吸附的大肠杆菌 会对即将被吸附的细胞产生阻碍作用,在大肠杆菌浓 度较低的情况下,矿物表面的吸附位置相对过剩,有利 于吸附过程的进行,吸附率都相对较高;随着大肠杆菌 浓度的增加,矿物表面所提供的吸附位置相对不足,由 于“位阻效应冶 致使大量的大肠杆菌细胞因没有可以 黏附的位置而游离在溶液中,因而吸附率较低[15] . 也 有学者提出了“胶体碰撞冶理论来解释这一现象,矿物 颗粒与大肠杆菌之间的吸附和解吸是同时进行的,是 一个动态的过程,当大肠杆菌浓度增加时,加剧了细菌 之间的碰撞,会将一部分吸附不够牢固大肠杆菌从矿 物颗粒 表 面 击 落, 导 致 达 到 吸 附 平 衡 时 吸 附 率 下 降[16] . 图 2 大肠杆菌浓度对吸附的影响 Fig. 2 Influence of concentration of E郾 coli on adsorption 表 2 不同细菌浓度大肠杆菌衰减率与衰减速率系数 Table 2 Adsorption ratio and adsorption rate coefficient of different con鄄 centrations E郾 coli 大肠杆菌浓度/ (CFU·L - 1 ) r/ % r1 / % r2 / % 姿 琢 2郾 63 伊 10 12 69郾 20 5郾 23 92郾 44 0郾 097 0郾 142 2郾 63 伊 10 11 79郾 46 5郾 23 93郾 42 0郾 154 0郾 103 2郾 63 伊 10 10 82郾 89 3郾 56 95郾 71 0郾 182 0郾 097 2郾 63 伊 10 9 89郾 35 3郾 43 96郾 16 0郾 314 0郾 081 从表 2 可以看出,大肠杆菌的回收率整体较低,平 均 4郾 36% 被吸附的大肠杆菌被洗脱,这是由于大肠杆 菌表面的细胞壁包含有大量脂多糖和肽聚糖等大分 子,如果这些大分子在矿物颗粒表面吸附且其长度大 于双电层厚度的两倍则会发生“桥联冶作用,使大肠杆 菌更加牢固地吸附在矿物颗粒表面[15] ,大肠杆菌初始 浓度高的,更容易被洗脱,回收率相对较高,这部分可 逆吸附的大肠杆菌在外力作用下,很容易再次进入尾 矿废水,仍具有传染性,增加从业工人的健康风险. 矿 物颗粒对大肠杆菌存在很强的不可逆吸附/ 灭活,不可 逆吸 附/ 灭 活 率 随 浓 度 的 降 低 依 次 增 加, 分 别 为 92郾 44% 、93郾 42% 、95郾 71% 、96郾 16% . 2郾 3 pH 值对大肠杆菌吸附的影响 大肠杆菌具有较强的耐酸性,在 pH 值为 2郾 5 或 3郾 0 的极端条件下 5 h 而不失生存力,碱性条件下也能 存活很长的时间,因此本试验选取了更为宽泛的 pH 范围,讨论 pH 对矿物颗粒对大肠杆菌吸附作用的 影响. 取3 g 矿样,放入50mL 离心管,加入菌悬液10mL,大 肠杆菌浓度 1郾 63 伊 10 12 CFU·L -1 ,温度 25 益,0郾 1 mol·L -1 的 HCl 和 NaOH 调整吸附体系 pH( pH 值为 4郾 5、7郾 5、 9郾 5、10郾 5),按照 1郾 5、1郾 6 节所述方法进行吸附试验, 分析 pH 对吸附的影响. 从图 3 可以看出,随着 pH 升高,矿物颗粒对大肠 杆菌的吸附呈下降趋势,pH 值为 4郾 5 时,矿物颗粒对 大肠杆菌的吸附明显高于 pH 值为 7郾 5、9郾 5 和 10郾 5 时 的吸附,达到吸附平衡时,大肠杆菌衰减率分别为 97郾 48% 、71郾 20% 、44郾 64% 、44郾 14% ,衰减速率系数 姿 随 pH 的增加而降低,姿 值由 0郾 43( pH 值为 4郾 5)下降 到 0郾 047(pH 值为 10郾 5),衰减阻力系数 琢 随 pH 的增 加而增加. Zeta 电位随 pH 的变化可解释这一吸附趋 势(图 4). 在试验条件下,大肠杆菌始终带负电荷,且 随着 pH 值增加,表面负电荷增加,大肠杆菌表面的负 电荷主要是由于细菌表面的脂多糖、脂蛋白和表面蛋 白上的功能基团如氨基(—NH2 )、羧基(—COOH) 和 羟基(—OH)等决定的[12,15] . pH 值为 4郾 5 时,矿物颗 粒带弱的正电荷,两者之间的静电作用力为静电引力, 此时矿物颗粒对大肠杆菌的吸附最大,大肠杆菌衰减 率高达 97郾 50% ,当 pH 值大于 5 时,两者带相同电荷, 表现出静电斥力,且大肠杆菌和矿物的 Zeta 电位值随 pH 升高而递减,矿物颗粒及细菌表面负电荷逐渐增 多,矿物颗粒与大肠杆菌之间的静电斥力增加,导致吸 附减弱. 由此可以看出,矿物颗粒与大肠杆菌的电性 也是影响吸附的重要因素,如果矿物颗粒与病原微生 物所带电荷相反,表现为静电引力有利于吸附,如果两 者带相同电荷,表现为静电斥力会减弱吸附. 表 3 为不同 pH 条件下大肠杆菌的回收率,试验 数据表明随着 pH 的增加矿物颗粒对大肠杆菌的不可 逆/ 灭活率依次降低,由 98郾 74% (pH 值为 4郾 5)下降到 85郾 43% (pH 值为 10郾 5),整体来看,不可逆/ 灭活率较 高达到 85% 以上,这部分大肠杆菌被牢固的吸附在矿 物颗粒上,牛肉膏提取液很难将其洗脱下来,或者被矿 浆中的金属氧化物及金属离子如 Al 2O3 、Fe 3 + 等灭活失 去传染性. Willianms 等研究指出粘土矿物中的 Fe 2 + ·672·

实培谦等：城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 ·673· 会破坏细菌外膜的调控蛋白结构导致细菌灭活，铁元 2.4浮选药剂对大肠杆菌吸附的影响 素进入细胞体内发生氧化反应并产生导致细菌失活的 2.4.1浮选药剂对大肠杆菌存活的影响 羟基自由基).pH值为4.5时，矿物颗粒对大肠杆菌 取10mL大肠杆菌菌悬液放入灭菌试管，分别加 的不可逆/灭活率最高，仅有1.23%被吸附的大肠杆 入10μL的P053、煤油，2号油以及1mgCa0,在不同 菌被洗脱，这是因为此时矿物颗粒带正电荷与细菌之 时间间隔对菌悬液用平板记数法计数，分析浮选药剂 间的作用力为静电引力，不利于大肠杆菌的洗脱，而 对达成杆菌存活的影响.从图5可以看出，处于对数 pH大于7.5时，矿物颗粒与大肠杆菌之间都带负电 生长期的大肠杆菌数量在试验时间内略有衰减，但总 荷，表现为静电斥力.另外矿物颗粒与大肠杆菌之间 体比较稳定，加入浮选药剂后大肠杆菌数量变化不大， 的静电引力会破坏细菌细胞膜的完整性，Terada等在 说明浮选药剂对大肠杆菌存活的影响不大，可以忽略 研究大肠杆菌表面电性对吸附和存活的影响时发现， 不计. 静电引力会导致大肠杆菌更大的吸附和更低的活性： 3.102h 类似研究也表明带正电荷的生物材料对吸附的大肠杆 火 菌起到抗菌的作用，而带负电荷的生物材料对其活性 8 影响不大9， 08 3.078 -288 8 8日8 8 。无浮选药剂 3.070 口PJ053 -04 △煤油 △ -0.6 4 △△ ×2号油 Cao -0.8 ◇H值为10.5 3.054 -1.0f× ▣pH值为9.5 20 40 6080 100 120140 △pH值为7.5 时间min -1.2 + ×pH值为4.5 -1.4F 图5浮选药剂对大肠杆菌存活的影响 -1.6 Fig.5 Influence of flotation reagents on E.coli survival 180 20 40 6080100120140 2.4.2浮选药剂对大肠杆菌吸附的影响. 时间/min 取3g矿样，放人50mL离心管，加入菌悬液10mL, 图3pH对大肠杆菌吸附的影响 大肠杆菌浓度1.63×102CFUL,温度25℃，分别加 Fig.3 Influence of pH on adsorption 入10uLP053、煤油、2号油及1mgCa0按照1.5、1.6 节所述方法进行吸附试验，分析浮选药剂对吸附的 ◆一铜钼矿 影响 a一大肠杆菌 从图6可以看出，浮选药剂的加入对大肠杆菌的 吸附产生明显的影响，试验数据表明捕收剂煤油、 P053明显提高了矿物颗粒对大肠杆菌的吸附，达到平 衡时大肠杆菌的吸附率分别为88.75%和88.31%，明 显高于无浮选药剂的71.19%：衰减速率系数入分别 50 为0.163和0.159，高于无浮选药剂的0.103，这是由 2.53.54.55.5657.58.59.510.5 PH 于捕收剂P053、煤油能加大矿物颗粒的疏水性，使大 图4不同pH下矿物颗粒与大肠杆菌表面电荷 肠杆菌与矿物颗粒之间的疏水作用加强，导致吸附增 Fig.4 Zeta potential of core and E.coli at different pH values 强.随着pH调整剂CaO的加入，矿物颗粒对大肠杆 菌产生最大吸附，吸附平衡时吸附率达到90.84%，大 表3不同pH大肠杆菌衰减率与衰减速率系数 肠杆菌衰减速率最快，入值为0.179.一方面Ca2+会引 Table 3 Adsorption ratio and adsorption rate coefficient of E.coli at dif- ferent pH values 起大肠杆菌的疏水性的改变，有利于矿物颗粒对大肠 杆菌的吸附，Kim和Walker研究指出由于Ca2与大肠 pH r/% /% r2/% 4.5 1.23 0.430 杆菌胞外聚合物(EPS)发生非特异性作用，使得大肠 97.48 98.74 0.072 7.5 71.19 5.23 92.65 0.092 0.084 杆菌在CaCL,体系中的疏水性远远高于KCl和天然水 9.5 44.64 5.56 87.54 0.174 0.116 体)：另一方面Ca2·在大肠杆菌表面的阴性基团和矿 10.5 44.14 6.43 85.43 0.047 0.283 物颗粒表面的负电荷之间起到一个桥联作用，增强了

窦培谦等: 城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 会破坏细菌外膜的调控蛋白结构导致细菌灭活,铁元 素进入细胞体内发生氧化反应并产生导致细菌失活的 羟基自由基[17] . pH 值为 4郾 5 时,矿物颗粒对大肠杆菌 的不可逆/ 灭活率最高,仅有 1郾 23% 被吸附的大肠杆 菌被洗脱,这是因为此时矿物颗粒带正电荷与细菌之 间的作用力为静电引力,不利于大肠杆菌的洗脱,而 pH 大于 7郾 5 时,矿物颗粒与大肠杆菌之间都带负电 荷,表现为静电斥力. 另外矿物颗粒与大肠杆菌之间 的静电引力会破坏细菌细胞膜的完整性,Terada 等在 研究大肠杆菌表面电性对吸附和存活的影响时发现, 静电引力会导致大肠杆菌更大的吸附和更低的活性; 类似研究也表明带正电荷的生物材料对吸附的大肠杆 菌起到抗菌的作用,而带负电荷的生物材料对其活性 影响不大[9,18] . 图 3 pH 对大肠杆菌吸附的影响 Fig. 3 Influence of pH on adsorption 图 4 不同 pH 下矿物颗粒与大肠杆菌表面电荷 Fig. 4 Zeta potential of core and E郾 coli at different pH values 表 3 不同 pH 大肠杆菌衰减率与衰减速率系数 Table 3 Adsorption ratio and adsorption rate coefficient of E郾 coli at dif鄄 ferent pH values pH r/ % r1 / % r2 / % 姿 琢 4郾 5 97郾 48 1郾 23 98郾 74 0郾 430 0郾 072 7郾 5 71郾 19 5郾 23 92郾 65 0郾 092 0郾 084 9郾 5 44郾 64 5郾 56 87郾 54 0郾 174 0郾 116 10郾 5 44郾 14 6郾 43 85郾 43 0郾 047 0郾 283 2郾 4 浮选药剂对大肠杆菌吸附的影响 2郾 4郾 1 浮选药剂对大肠杆菌存活的影响 取 10 mL 大肠杆菌菌悬液放入灭菌试管,分别加 入 10 滋L 的 Pj053、煤油、2 号油以及 1 mg CaO,在不同 时间间隔对菌悬液用平板记数法计数,分析浮选药剂 对达成杆菌存活的影响. 从图 5 可以看出,处于对数 生长期的大肠杆菌数量在试验时间内略有衰减,但总 体比较稳定,加入浮选药剂后大肠杆菌数量变化不大, 说明浮选药剂对大肠杆菌存活的影响不大,可以忽略 不计. 图 5 浮选药剂对大肠杆菌存活的影响 Fig. 5 Influence of flotation reagents on E郾 coli survival 2郾 4郾 2 浮选药剂对大肠杆菌吸附的影响. 取 3 g 矿样,放入 50 mL 离心管,加入菌悬液 10 mL, 大肠杆菌浓度 1郾 63 伊 10 12 CFU·L - 1 ,温度 25 益 ,分别加 入 10 滋L Pj053、煤油、2 号油及 1 mg CaO 按照 1郾 5、1郾 6 节所述方法进行吸附试验,分析浮选药剂对吸附的 影响. 从图 6 可以看出,浮选药剂的加入对大肠杆菌的 吸附产生明显的影响,试验数据表明捕收剂煤油、 Pj053 明显提高了矿物颗粒对大肠杆菌的吸附,达到平 衡时大肠杆菌的吸附率分别为 88郾 75% 和 88郾 31% ,明 显高于无浮选药剂的 71郾 19% ;衰减速率系数 姿 分别 为 0郾 163 和 0郾 159,高于无浮选药剂的 0郾 103,这是由 于捕收剂 Pj053、煤油能加大矿物颗粒的疏水性,使大 肠杆菌与矿物颗粒之间的疏水作用加强,导致吸附增 强. 随着 pH 调整剂 CaO 的加入,矿物颗粒对大肠杆 菌产生最大吸附,吸附平衡时吸附率达到 90郾 84% ,大 肠杆菌衰减速率最快,姿 值为 0郾 179. 一方面 Ca 2 + 会引 起大肠杆菌的疏水性的改变,有利于矿物颗粒对大肠 杆菌的吸附,Kim 和 Walker 研究指出由于 Ca 2 + 与大肠 杆菌胞外聚合物(EPS)发生非特异性作用,使得大肠 杆菌在 CaCl 2体系中的疏水性远远高于 KCl 和天然水 体[7] ;另一方面 Ca 2 + 在大肠杆菌表面的阴性基团和矿 物颗粒表面的负电荷之间起到一个桥联作用,增强了 ·673·

·674· 工程科学学报，第39卷，第5期 矿物颗粒与大肠杆菌之间的吸附[].2号油对大肠杆 (3)随着大肠杆菌浓度的升高，矿物颗粒对细菌 菌的吸附影响不明显.综上所述，矿物颗粒对大肠杆 的衰减率、吸附速率随之下降，矿物颗粒对大肠杆菌存 菌的吸附是静电作用力、范德华力，疏水作用力综合作 在很强的不可逆吸附/灭活，不可逆吸附/灭活率达到 用的结果 95%以上. 从表4可以看出，浮选药剂煤油、P053、Ca0增强 (4)矿物颗粒对大肠杆菌的吸附对pH变化敏感， 了矿物颗粒对大肠杆菌的不可逆吸附/灭活，不可逆吸 随着pH升高，矿物颗粒对大肠杆菌的吸附呈下降趋 附/灭活率分别为98.28%、98.17%、98.50%，高于无 势，pH值为4.5时，矿物颗粒对大肠杆菌的吸附最强， 浮选药剂的92.65%，仅有不足2%被吸附的大肠杆菌 吸附速率最快.这是由于细菌和矿物的zeta电位值随 能够被洗脱，这表明煤油、P053引起的疏水力的增大 pH升高而递减，静电斥力逐渐增大导致的. 及Ca2*的桥联作用是非常牢固的，有效阻止了大肠杆 (5)捕收剂煤油、Pj053,调整剂Ca0的加入明显 菌再次迁移到再生水中，大大降低了再生水回用的健 提高了矿物颗粒对大肠杆菌的吸附，达到平衡时对大 康风险 肠杆菌的衰减率达到88.75%88.31%、90.84%，明显 -0.2 高于无浮选药剂的71.19%. -03g △灭菌水 4代 。煤油 -05 寸对 ■PJ053 参考文献 ×Ca0 -0.6 是出 x2号油 [1]Liu H J,Xu T,Sun C B.The application of urban reclaimed wa- -0.7 合道 ter in flotation of Copper-Molybdenum Ore of Wushan.Nonferrous -0.8 号 Met Miner Process Sect,2014(1):56 -0.9 X (刘洪均，徐涛，孙春宝.城市中水用于乌努格吐山铜钼矿浮 -1.0 Xx ×× 选过程的研究.有色金属（选矿部分），2014(1)：56) -1.1 [2]Castro-Hermida J A,Garcia-Presedo I,Almeida A,et al.Contri- -1 20 40 6080100120140 bution of treated wastewater to the contamination of recreational 时间/min river areas with Cryptosporidium spp.and Giardia duodenalis. 图6浮选药剂对吸附的影响 Water Res,2008,42(13):3528 Fig.6 Influence of flotation reagents on adsorption [3] Wery N,Lhoutellier C,Ducray F,et al.Behaviour of pathogenic and indicator bacteria during urban wastewater treatment and 表4浮选药剂对大肠杆菌回收率和衰减速率系数的影响 sludge composting,as revealed by quantitative PCR.Water Res, Table 4 Influence of flotation reagents on adsorption ratios and adsorp- 2008,42(1):53 tion rate coefficients of E.coli [4]Zhang D Y,He X Q,Cheng L,et al.Change of rotavirus in sew- 浮选药剂 r/% r1/% r2/% age treatment processes and associated health risk assessment.Asi- 灭菌水 71.19 5.23 92.65 0.103 0.063 an J Ecotoxicol,2009,4(5):751 煤油 88.75 1.53 98.28 0.043 (张德友，何晓青，程莉，等.再生水处理过程中轮状病毒的 0.163 变化规律及风险评价.生态毒理学报，2009,4(5)：751) PJ053 88.31 1.62 98.17 0.159 0.032 [5] Abit S M,Bolster C H,Cai P,et al.Influence of feedstock and Ca0 90.84 1.36 98.500.179 0.035 pyrolysis temperature of biochar amendments on transport of Esche- 2号油 71.20 4.95 93.05 0.112 0.062 richia coli in saturated and unsaturated soil.Enriron Sci Technol, 2012.46(15):8097 [6]Sepehmnia N,Mahboubi AA,Mosaddeghi M R,et al.Escherich- 3结论 ia coli transport through intact gypsiferous and calcareous soils dur- (1)再生水模拟铜钼矿浮选试验中大肠杆菌能够 ing saturated and unsaturated flows.Geoderma,2014,217-218: 83 快速被矿物颗粒吸附，再生水中大肠杆菌衰减迅速，尾 [7] Kim H N,Walker S L.Escherichia coli transport in porous 矿废水中大肠杆菌浓度小于10C℉U·L,继续回用于 media:influence of cell strain,solution chemistry,and tempera- 浮选流程是安全的，但精矿、中矿、尾矿中吸附了大量 ture.Colloids Surf B:Biointerfaces,2009,71(1):160 的大肠杆菌，在特定暴露水平下会对从业人员构成健 [8]Chrysikopoulos C V,Aravantinou A F.Virus attachment onto 康风险 quartz sand:role of grain size and temperature.J Environ Chem (2)矿物颗粒对大肠杆菌的吸附是影响再生水中 Eng,2014,2(2):796 大肠杆菌在浮选过程迁移的主要因素，吸附由可逆吸 [9]Cai P.Huang Q Y,Walker S L Deposition and survival of Esch- erichia coli 0157:H7 on clay minerals in a parallel plate flow sys- 附和不可逆/灭活两部分组成.是大肠杆菌与矿物颗 tem.Enriron Sci Technol,2013,47(4):1896 粒的压缩双电层之间的静电斥力、范德华引力、疏水作 [10]Chen G X,Walker S L Fecal indicator bacteria transport and 用力共同作用的结果 deposition in saturated and unsaturated porous media.Enriron

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 矿物颗粒与大肠杆菌之间的吸附[19] . 2 号油对大肠杆 菌的吸附影响不明显. 综上所述,矿物颗粒对大肠杆 菌的吸附是静电作用力、范德华力,疏水作用力综合作 用的结果. 从表 4 可以看出,浮选药剂煤油、Pj053、CaO 增强 了矿物颗粒对大肠杆菌的不可逆吸附/ 灭活,不可逆吸 附/ 灭活率分别为 98郾 28% 、98郾 17% 、98郾 50% ,高于无 浮选药剂的 92郾 65% ,仅有不足 2% 被吸附的大肠杆菌 能够被洗脱,这表明煤油、Pj053 引起的疏水力的增大 及 Ca 2 + 的桥联作用是非常牢固的,有效阻止了大肠杆 菌再次迁移到再生水中,大大降低了再生水回用的健 康风险. 图 6 浮选药剂对吸附的影响 Fig. 6 Influence of flotation reagents on adsorption 表 4 浮选药剂对大肠杆菌回收率和衰减速率系数的影响 Table 4 Influence of flotation reagents on adsorption ratios and adsorp鄄 tion rate coefficients of E郾 coli 浮选药剂 r/ % r1 / % r2 / % 姿 琢 灭菌水 71郾 19 5郾 23 92郾 65 0郾 103 0郾 063 煤油 88郾 75 1郾 53 98郾 28 0郾 163 0郾 043 PJ053 88郾 31 1郾 62 98郾 17 0郾 159 0郾 032 CaO 90郾 84 1郾 36 98郾 50 0郾 179 0郾 035 2 号油 71郾 20 4郾 95 93郾 05 0郾 112 0郾 062 3 结论 (1)再生水模拟铜钼矿浮选试验中大肠杆菌能够 快速被矿物颗粒吸附,再生水中大肠杆菌衰减迅速,尾 矿废水中大肠杆菌浓度小于 10 CFU·L - 1 ,继续回用于 浮选流程是安全的,但精矿、中矿、尾矿中吸附了大量 的大肠杆菌,在特定暴露水平下会对从业人员构成健 康风险. (2)矿物颗粒对大肠杆菌的吸附是影响再生水中 大肠杆菌在浮选过程迁移的主要因素,吸附由可逆吸 附和不可逆/ 灭活两部分组成. 是大肠杆菌与矿物颗 粒的压缩双电层之间的静电斥力、范德华引力、疏水作 用力共同作用的结果. (3)随着大肠杆菌浓度的升高,矿物颗粒对细菌 的衰减率、吸附速率随之下降,矿物颗粒对大肠杆菌存 在很强的不可逆吸附/ 灭活,不可逆吸附/ 灭活率达到 95% 以上. (4)矿物颗粒对大肠杆菌的吸附对 pH 变化敏感, 随着 pH 升高,矿物颗粒对大肠杆菌的吸附呈下降趋 势,pH 值为 4郾 5 时,矿物颗粒对大肠杆菌的吸附最强, 吸附速率最快. 这是由于细菌和矿物的 zeta 电位值随 pH 升高而递减,静电斥力逐渐增大导致的. (5)捕收剂煤油、Pj053,调整剂 CaO 的加入明显 提高了矿物颗粒对大肠杆菌的吸附,达到平衡时对大 肠杆菌的衰减率达到 88郾 75% 、88郾 31% 、90郾 84% ,明显 高于无浮选药剂的 71郾 19% . 参 考 文 献 [1] Liu H J, Xu T, Sun C B. The application of urban reclaimed wa鄄 ter in flotation of Copper鄄Molybdenum Ore of Wushan. Nonferrous Met Miner Process Sect, 2014(1): 56 (刘洪均, 徐涛, 孙春宝. 城市中水用于乌努格吐山铜钼矿浮 选过程的研究. 有色金属(选矿部分), 2014(1): 56) [2] Castro鄄Hermida J A, Garc侏a鄄Presedo I, Almeida A, et al. Contri鄄 bution of treated wastewater to the contamination of recreational river areas with Cryptosporidium spp. and Giardia duodenalis. Water Res, 2008, 42(13): 3528 [3] W佴ry N, Lhoutellier C, Ducray F, et al. Behaviour of pathogenic and indicator bacteria during urban wastewater treatment and sludge composting, as revealed by quantitative PCR. Water Res, 2008, 42(1): 53 [4] Zhang D Y, He X Q, Cheng L, et al. Change of rotavirus in sew鄄 age treatment processes and associated health risk assessment. Asi鄄 an J Ecotoxicol, 2009, 4(5): 751 (张德友, 何晓青, 程莉, 等. 再生水处理过程中轮状病毒的 变化规律及风险评价. 生态毒理学报,2009, 4(5): 751) [5] Abit S M, Bolster C H, Cai P, et al. Influence of feedstock and pyrolysis temperature of biochar amendments on transport of Esche鄄 richia coli in saturated and unsaturated soil. Environ Sci Technol, 2012, 46(15): 8097 [6] Sepehrnia N, Mahboubi A A, Mosaddeghi M R, et al. Escherich鄄 ia coli transport through intact gypsiferous and calcareous soils dur鄄 ing saturated and unsaturated flows. Geoderma, 2014, 217鄄218: 83 [7] Kim H N, Walker S L. Escherichia coli transport in porous media: influence of cell strain, solution chemistry, and tempera鄄 ture. Colloids Surf B: Biointerfaces, 2009, 71(1): 160 [8] Chrysikopoulos C V, Aravantinou A F. Virus attachment onto quartz sand: role of grain size and temperature. J Environ Chem Eng, 2014, 2(2): 796 [9] Cai P, Huang Q Y, Walker S L. Deposition and survival of Esch鄄 erichia coli O157:H7 on clay minerals in a parallel plate flow sys鄄 tem. Environ Sci Technol, 2013, 47(4): 1896 [10] Chen G X, Walker S L. Fecal indicator bacteria transport and deposition in saturated and unsaturated porous media. Environ ·674·

实培谦等：城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 ·675· Sci Technol.2012,46(16):8782 tions at different temperatures.J Hazard Mater,2012,233-234: [11]Syngouna V1.Chrysikopoulos C V.Transport of bio-colloids in 148 water saturated columns packed with sand:effect of grain size [16]Haznedaroglu B Z,Kim H N,Bradford S A,et al.Relative and pore water velocity.J Contam Hydrol,2011,126(3):301 transport behavior of Escherichia coli 0157:H7 and salmonella [12]Lutterodt G,Foppen J W A,Uhlenbrook S.Transport of Esche- enteric serovar pullorum in packed bed column systems:influ- richia coli strains isolated from natural spring water.Contam ence of solution chemistry and cell concentration.Enriron Sci Hdo.2012,140-141:12 Technol,2009,43(6):1838 [13]Ngwenya B T,Curry P,Kapetas L.Transport and viability of [17]Williams L B,Metge D W,Eberl DD,et al.What makes a nat- Escherichia coli cells in clean and iron oxide coated sand follow- ural clay antibacterial?Enriron Sci Technol,2011,45 (8): ing coating with silver nanoparticles.J Contam Hydrol,2015, 3768 179:35 [18]Terada A,Okuyama K,Nishikawa M,et al.The effect of sur- [14]Yakirevich A,Pachepsky Y A.Guber A K,et al.Modeling face charge property on Escherichia coli initial adhesion and sub- transport of Escherichia coli in a creek during and after artificial sequent biofilm formation.Biotechnol Bioeng,2012.109(7): high-flow events:three-year study and analysis.Water Res, 1745 2013,47(8):2676 [19]Bellou MI,Syngouna V I,Tselepi M A,et al.Interaction of hu- [15]Chrysikopoulos C V,Aravantinou A F.Virus inactivation in the man adenoviruses and coliphages with kaolinite and bentonite. presence of quartz sand under static and dynamic batch condi- Sci Total Environ,2015,517:86

窦培谦等: 城市再生水中大肠杆菌在浮选过程中迁移规律 Sci Technol, 2012, 46(16): 8782 [11] Syngouna V I, Chrysikopoulos C V. Transport of bio鄄colloids in water saturated columns packed with sand: effect of grain size and pore water velocity. J Contam Hydrol, 2011, 126(3): 301 [12] Lutterodt G, Foppen J W A, Uhlenbrook S. Transport of Esche鄄 richia coli strains isolated from natural spring water. J Contam Hydrol, 2012, 140鄄141: 12 [13] Ngwenya B T, Curry P, Kapetas L. Transport and viability of Escherichia coli cells in clean and iron oxide coated sand follow鄄 ing coating with silver nanoparticles. J Contam Hydrol, 2015, 179: 35 [14] Yakirevich A, Pachepsky Y A, Guber A K, et al. Modeling transport of Escherichia coli in a creek during and after artificial high鄄flow events: three鄄year study and analysis. Water Res, 2013, 47(8): 2676 [15] Chrysikopoulos C V, Aravantinou A F. Virus inactivation in the presence of quartz sand under static and dynamic batch condi鄄 tions at different temperatures. J Hazard Mater, 2012, 233鄄234: 148 [16] Haznedaroglu B Z, Kim H N, Bradford S A, et al. Relative transport behavior of Escherichia coli O157:H7 and salmonella enteric serovar pullorum in packed bed column systems: influ鄄 ence of solution chemistry and cell concentration. Environ Sci Technol, 2009, 43(6): 1838 [17] Williams L B, Metge D W, Eberl D D, et al. What makes a nat鄄 ural clay antibacterial? Environ Sci Technol, 2011, 45 ( 8 ): 3768 [18] Terada A, Okuyama K, Nishikawa M, et al. The effect of sur鄄 face charge property on Escherichia coli initial adhesion and sub鄄 sequent biofilm formation. Biotechnol Bioeng, 2012, 109 (7 ): 1745 [19] Bellou M I, Syngouna V I, Tselepi M A, et al. Interaction of hu鄄 man adenoviruses and coliphages with kaolinite and bentonite. Sci Total Environ, 2015, 517: 86 ·675·