磁性树脂在水体杀菌消毒领域中的应用及其去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法技术

本发明专利技术公开了磁性树脂在水体杀菌消毒领域中的应用及其去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，属于饮用水净化技术领域。本发明专利技术的方法为：将待处理的水泵入磁性树脂反应器中，充分混合后的水与磁性树脂分离，上清液输送至清水池，继续回流至磁性树脂反应器中循环处理，使用之后的磁性树脂全部送至再生池，经再生后回用。使用本方法处理后的水体，其细菌总数明显降低，对大肠杆菌、铜绿假胞杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等病原菌以及不同类型耐药基因绝对与相对丰度具有优异的去除效果。本发明专利技术可有效去除饮用水中的病原菌及其携带的耐药基因，从而显著削减后续消毒工艺中氯的投加量及消毒副产物的产生，有效保障饮用水卫生安全及民众饮水健康。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于饮用水净化
，更具体地说，涉及磁性树脂在水体杀菌消毒领域中的应用及其去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法。
技术介绍
消毒工艺是饮用水处理过程中保证微生物安全的最主要方式，其中主要包括氯、氯胺等化学方法以及紫外线辐射的物理方法等。氯消毒技术由于其强效的杀菌能力、操作简单、投资运行成本低而在全世界广泛使用。氯消毒除了产生众多具有“三致”效应的消毒副产物之外，在耐药性病原菌控制上也存在问题。不同微生物对氯消毒的敏感性存在差异，部分病原菌因耐氯而难以被灭活。此外，由于微生物耐氯和耐抗生素之间存在“共选择”机制，在氯选择压力下，消毒后残留的多重耐药性病原菌及耐药基因的比例大大增加，并且病原菌的“膜泵出”能力显著增强。例如假单胞菌属细菌属于条件性病原菌，由于拥有多套“膜泵出”系统，从而具有较强的耐氯及耐药能力，在消毒后出水中其携带耐药基因相对比例显著上升，且对四环素、氨苄西林、氯霉素等多种抗生素的抗性显著增强[P.Shietal.Metagenomicinsightsintochlorinationeffectsonmicrobialantibioticresistanceindrinkingwater,WaterRes,47(2013)111-120]。紫外消毒因其快速、高效及消毒副产物产生量低等优点近年来也较多的被水厂采用，然而近期有研究表明经过紫外辐射之后，大肠杆菌和铜绿假单胞菌会进入一种不可培养，但仍具有生物活性的休眠状态(VBNC)[S.Zhangetal.UVdisinfectioninducesaVBNCstateinEscherichiacoliandPseudomonasaeruginosa,EnvironSciTechnol,49(2015)1721-1728]。因此，单纯将紫外作为饮用水杀菌手段具有潜在的公共健康风险。与氯消毒类似，研究证明小分子型季铵盐消毒剂也可引起耐药性病原菌的富集，产生“共选择”作用。与小分子季铵盐杀菌剂不同，高分子季铵盐相对分子量大，难以穿透细胞膜进入细胞内产生作用。主要通过高密度正电荷吸附细菌，疏水性烷基链插入到细胞膜中，从而导致细胞膜的溶解和细菌死亡。其纯粹的物理性消毒作用可避免细菌产生氧化应激反应及激活“膜泵出”机制，从而避免细菌产生“共抗性”。磁性树脂材料作为高分子季铵盐的其中一种，因其沉降速率快，易固液分离；颗粒小，反应速率快等优点受到广泛关注，其典型代表是由澳大利亚公司开发的磁性阴离子交换树脂[Inorganiccontaminantremovalfromwater,Bourkeetal.PatentNO.US7,291,272,B2]和由本团队开发的季铵型磁性微球材料NDMP。目前已在澳大利亚、美国、欧洲和国内广泛应用。该技术被我国水利部专家誉为“未来50年饮用水处理最好的模式”。大量研究表明磁性树脂可有效去除水体中溶解性有机质，控制消毒副产物生成，并降低水体生物毒性。但磁性阴离子交换树脂作为典型的高分子型季铵盐材料，对其消毒效果的研究还未见相关报导。关于传统树脂的杀菌虽已有报导，但缺少对细菌耐药性问题的考虑。此外传统的树脂颗粒大、固定化操作、成本高；纳米材料回收困难，自身存在毒性。因此两者均难以在大水量饮用水处理中应用。季铵型磁性树脂可以克服以上两者缺点，具有较大的应用价值。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有的饮用水常规氯消毒及紫外消毒工艺导致的“三致”效应消毒副产物生成，耐氯病原菌富集及耐药基因丰度上升等问题，本专利技术提供磁性树脂在水体杀菌消毒领域中的应用及其去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，将季铵盐基团修饰于磁性树脂上，给季铵盐提供了巨大的吸附表面和优良的分散性能，磁性树脂的交换吸附作用与季铵盐的杀菌作用两两结合，表现出了高效且稳定的除菌性能，使用完之后的磁性树脂，在外加电场下即可与水体完全分离，没有残留，对人体健康无害，克服了传统树脂颗粒大、固定化操作、成本高等缺点。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于磁性树脂去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，其步骤为：(1)将待处理的水厂沉淀池出水泵入磁性树脂反应器中，在10-50℃的条件下，使得磁性树脂与水体充分接触反应，在水体中呈现表面负电的病原菌，首先被磁性树脂上带有的强正电荷离子所吸附、捕获，继而通过树脂表面修饰的季铵盐基团杀死以达到除菌的目的；(2)将经过步骤(1)充分混合反应后的水体与磁性树脂分离，上清液输送至清水池，全部磁性树脂输送至再生池，经再生液再生后回用到反应器中；(3)清水池中水体继续回流至磁性树脂反应器中按步骤(2)与磁性树脂反应，连续循环处理次数大于三次后，清水输送至后续砂滤池进一步过滤；(4)再生液中投加氧化剂，密闭保存超过24h。更进一步地，所述步骤(1)中所用的磁性树脂为磁性聚丙烯酸系或聚苯乙烯系强碱阴离子交换树脂，其基本结构为或者其中A为含有季铵盐的基团。更进一步地，所述步骤(1)中磁性树脂用量体积与待处理的水样体积比为1:(10～1000)。更进一步地，所述步骤(1)中水体在磁性树脂反应器中的水力停留时间为10-60min，液固充分混合的方式为机械搅拌、气力搅拌或水力搅拌以及所有可以实现液固均匀混合的方式。更进一步地，所述的步骤(2)中磁性树脂与水体的分离包括外加磁场分离及树脂自聚沉降分离两种方式，沉降时间为1-10min。更进一步地，所述步骤(2)中所用的再生剂为：氯化钠、氯化钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸钠或碳酸钾溶液，重量百分比浓度为8％～20％。更进一步地，所述步骤(2)中再生液与磁性树脂的混合时间为10～200min，沉淀分离时间为30～90min。更进一步地，所述步骤(2)中磁性树脂经再生液再生两次以上后回用到反应器中。更进一步地，所述步骤(4)中投加的氧化剂为质量浓度为0.01-0.05％的次氯酸钠溶液或者双氧水。更进一步地，所述的待处理水与磁性树脂接触反应后，20min内达到平衡，单级处理病原菌及耐药基因的去除率在70％以上；多级处理后，病原菌及耐药基因去除率达到95％以上，且不存在耐氯细菌及基因的残留及富集。磁性聚丙烯酸系或聚苯乙烯系强碱阴离子交换树脂在去除水体中病原菌及耐药基因领域中的应用，所述的基本结构为或者其中A为含有季铵盐的基团。本专利技术中待处理的水体与磁性树脂进行接触反应，季铵盐的抗菌作用开始于通过带正电的季铵盐分子基团和带负电的细菌细胞表面之间的疏水作用和相互的静电吸引作用。在吸附过程中，季铵盐分子取代病原菌细胞质膜的Ca2+和Mg2+离子以保持膜的电中性。这种离子交换机制扰乱了细菌的细胞质，随着磁性树脂的疏水尾部插入到整个细菌表面的疏水性膜中，导致质子动力的溶解和细胞内液泄漏，两个过程导致了细菌的死亡，并在20分钟即达到平衡，单级处理病原菌的去除率在70％以上。待处理的水体经过磁性树脂多级处理后，通过磁性树脂发挥纯粹的物理消毒作用，可防止细菌产生氧化应激反应及激活“膜泵出”机制，从而避免细菌产生“共抗性”，使得细菌及耐药基因去除率达到95％以上，且不存在耐氯细菌及基因的残留及富集。使用后的磁性树脂经过再生液再生后，再生液中没有活菌及耐药基因残留，不存在二次生物污染。磁性树脂经多次重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁性树脂去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，其步骤为：(1)将待处理水泵入磁性树脂反应器中，在10‑50℃的条件下，使得磁性树脂与水体充分接触反应；(2)将经过步骤(1)充分混合反应后的水体与磁性树脂分离，上清液输送至清水池，全部磁性树脂输送至再生池，经再生液再生后回用到反应器中；(3)清水池中水体继续回流至磁性树脂反应器中按步骤(2)与磁性树脂反应，连续循环处理次数大于三次后，清水输送至后续砂滤池进一步过滤；(4)再生液中投加氧化剂，密闭保存超过24h。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁性树脂去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，其步骤为：(1)将待处理水泵入磁性树脂反应器中，在10-50℃的条件下，使得磁性树脂与水体充分接触反应；(2)将经过步骤(1)充分混合反应后的水体与磁性树脂分离，上清液输送至清水池，全部磁性树脂输送至再生池，经再生液再生后回用到反应器中；(3)清水池中水体继续回流至磁性树脂反应器中按步骤(2)与磁性树脂反应，连续循环处理次数大于三次后，清水输送至后续砂滤池进一步过滤；(4)再生液中投加氧化剂，密闭保存超过24h。2.根据权利要求1所述的一种基于磁性树脂去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所用的磁性树脂为磁性聚丙烯酸系或聚苯乙烯系强碱阴离子交换树脂，其基本结构为其中A为含有季铵盐的基团。3.根据权利要求1或2所述的一种基于磁性树脂去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，其特征在于：所述步骤(1)中磁性树脂用量体积与待处理的水样体积比为1:(10～1000)。4.根据权利要求1所述的一种基于磁性树脂去除饮用水中病原菌及耐药基因的方法，其特征在于：所述步骤(1)中水体在磁性树脂反应器中的水力停留时间为10-60min，液固充分混合的方式为机械搅拌、气力搅拌或水力搅拌以及所有可以实现液...

【专利技术属性】
技术研发人员：施鹏，常芳瑜，李爱民，周庆，双陈冬，潘旸，周思聪，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32