抗菌技術及其在供水塑料管道中的應用

時間:2020-09-14 13:33:49 來源:CIAA 點擊量:

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塑料管道在供水領域有著廣泛應用。根據統計,到2015年,在全國新建、改建、擴建工程中,塑料管道在建筑給水、熱水供應和供暖管中的占比已經達到85%,在城市供水管道(DN400mm以下)中的占比達到80%,在村鎮供水管道中的占比更是高達90%。
 
1.0 供水塑料管道中的微生物
 
對于供水塑料管網系統而言,不僅會產生有機化學污染物、重金屬等污染,還會發生微生物污染。
供水塑料管道水體中的微生物污染有兩種來源。一是來源于管網所輸送的水體。盡管出廠水體在經過消毒后才會進入管道系統,水體中的初始微生物數量較少,但因為管網系統極其復雜,再加上輸送過程中存在的一些不可見因素,余氯含量會逐漸降低,消毒效果會逐步下降。二是來源于輸送過程中可能發生的二次污染。管網系統盡管處于貧營養狀態,但還會或多或少的含有部分C、N、P等營養物質。這些進入管網系統水體中的微生物,會因為這些營養物質的存在,不斷進行生長繁殖。
因為供水塑料管道內壁有較大的比表面積,因此進入管網系統中的微生物至少會有95%逐漸會附著在管道生長,并以生物膜狀態存在。
生物膜又稱生物被膜,是指附著于有生命或無生命物體表面被細菌胞外大分子包裹的有組織的細菌群體。微生物在管網內壁形成生物膜是一個動態過程,要經歷定殖、集聚、成熟、脫落與再定植等四個階段。
? 定殖
當水體中的微生物與管網內壁接觸后,會粘附到其表面,開始形成生物膜。在這一階段,單個附著細胞僅由少量胞外聚合物包裹,還未進入生物被膜的形成過程,很多菌體還可重新進入浮游狀態。因此該階段是可逆的。
? 集聚
微生物在管網內壁定殖粘附后,其中的一些特定基因表達開始調整,與生物膜形成相關的基因開始被激活,微生物在生長繁殖的同時大量分泌胞外聚合物粘結微生物,因此該階段微生物粘附更為牢固,是不可逆的。
? 成熟
微生物經不可逆粘附后,生物膜逐漸進入成熟期。該階段生物膜形成高度有組織的結構,由類似蘑菇狀或堆狀的微生物群落組成。在這些微生物群落之間圍繞著大量通道,可以運送養料、酶、代謝產物和排出廢物等。
? 脫落與再定殖
成熟的生物膜通過蔓延、部分脫落或釋放出浮游微生物進行擴展。脫落或釋放出來的微生物重新變為管網系統水體中的浮游微生物。然后它們又可以在管網內壁形成新的生物膜。
生物膜形成之后,會為微生物創造優于水體的良好生存環境,提高其對余氯的抵抗性。研究顯示,在極高的余氯條件(10或25mg/L)下,微生物在管網內壁生物膜中仍然可以再生長并使余氯衰減。
根據研究,管網內壁生物膜中的微生物不僅有變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門等,還含有銅綠假單胞菌、伯克氏菌等多種病原微生物。這些生物膜不僅會和水體直接接觸,在成熟后還會有部分脫落到水體中,給飲用水帶來潛在的生物安全風險,并會影響到水體的水質,使水體的濁度、味道、色度等在不同程度上受到影響。同時,管網內壁生物膜的存在,還會腐蝕管網內壁,縮短管網壽命。
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2.0 供水塑料管道生物膜的抑制措施
 
對影響管網內壁生物膜形成和生長的因素進行分析發現,大致有以下四種原因:
? 消毒劑類型及濃度。
異養細菌數量直接與生物膜的形成有關。通過對不同加氯量的出水的HPCs計數實驗研究發現,異養細菌在沒有余氯的出水中的數量比余氯質量濃度為0.3-0.5mg/L的出水中的數量高兩個數量級,比余氯質量濃度為1.2-1.5mg/L的出水中的數量高三個數量級。因此,因此余氯的質量濃度對控制生物膜的生長影響顯著。
相關研究顯示,水中保持一定量的余氯可以有效控制生物膜生長。其中0.2mg/L的余氯可以將生物膜量ATP控制在50pg/cm2以下;0.3mg/L的余氯可以將生物膜量ATP控制在10pg/cm2以下。
? 水體中營養物質濃度
水體中營養物質的濃度會影響到水體中微生物的繁殖速度。而C、N、P等元素都是微生物生長繁殖所需要的。日本和芬蘭等國家的研究認為,出廠水中的磷是限制生物膜生長的重要因素之一。
? 水力條件
管道中流動的水體與生物膜直接接觸。而不同水力條件下水流對管網內壁的沖刷效果是不同的。水流對管網內壁的沖刷,一方面可以給生物膜系統帶來成長所需要的營養物質和氧氣,促進生物膜的生長。而另一方面,水流會將更多的消毒劑帶入生物膜內部,提高對生物膜的殺滅效率。再次,水流對管網內壁的沖刷,還會使部分生物膜脫落進入水體,從而抑制生物膜的過快生長。
? 塑料管道材質
不同材質的管道對內壁生物膜的生長有不同影響,生物膜中微生物種群的多樣性和數量也會因此有所不同。研究顯示,在對生物膜的微生物種群多樣性和數量影響方面,灰口鑄鐵管>球墨鑄鐵管>鍍鋅管>不銹鋼復合管>塑料管。而塑料管中,聚氯乙烯(PVC)>無規共聚聚丙烯(PPR)。
    基于對以上影響管網內壁生物膜種群多樣性和數量因素的分析,可以提出如下管網內壁生物膜抑制措施:
第一,通過開發有更好消毒作用和持續效果的新型消毒劑,以及調整該消毒劑在水體中的濃度,最大限度殺滅水體中的微生物,減少微生物在管網內壁附著的可能性。但是正如之前所述,因為管網系統極其復雜,而且在管網輸送過程中存在的一些不可見因素,消毒劑的含量會降低,消毒效果也因此會下降。
第二,通過減少水體中營養物質的方式,在管網中營造出不利于微生物生長繁殖的低營養物質環境,從而降低微生物的增長速率。但是,限制水體中營養物質,需要水廠采用深度處理技術控制出水中的C、N、P等營養元素含量。而這會極大增加成本。即使如此,也很難做到完全去除水體中的營養元素。
第三,通過調整管網中水體流速的方式,使更多消毒劑能夠進入生物膜內部,使尚未牢固附著的生物膜脫落。但在管網末梢,因為用戶并非處于持續用水狀態,因此末梢水體多處于靜止或者低流速狀態,調整水體流速的效果會大打折扣。
    第四,在管材方面選擇內壁生物膜種群多樣性和數量都較低的管道。在此基礎上,通過工藝提升盡量增加管道內壁的光滑度,以增加微生物附著的難度。再次,可以對管道進行抗菌處理,以便在生物膜形成前管道內壁就能夠顯著抑制微生物在其表面的生長,從而抑制生物膜的形成。
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3.0 抗菌技術在供水塑料管道中的應用
 
抗菌(antimicrobial)是采用化學或物理等方法殺滅或妨礙包括細菌、真菌在內的微生物生長繁殖及其活性的過程。抗菌技術的應用古已有之。早在5200多年前,古埃及人就利用草藥植物提取物處理裹尸布、對尸體進行防腐處理,制作木乃伊。銀碗、銀盤、銀筷子等銀質餐具在皇宮貴族中大量使用。第二次世界大戰時期,德軍軍服開始采用季銨鹽抗菌劑做后處理,從而明顯降低了受傷士兵的二次感染問題。這是抗菌材料的第一次大規模集中使用。20世紀60年代以后,抗菌技術開始在日本、歐洲、美國等發達國家和地區得到廣泛應用。
抗菌技術在建筑塑料管道的應用始于2000年初。2005年,上海瑞河企業集團有限公司在業內率先推出了具有抗菌功能的無規共聚聚丙烯(PP-R)管。
因為能夠有效抑制水體中的微生物在管道內壁的生長,抗菌塑料管道一經推出,就得到市場高度認可。包括上海瑞河企業集團有限公司、杭州豐果實業有限公司、德標管業(上海)有限公司、金塑企業集團(上海)有限公司、上海天凈新材料科技有限公司以及浙江開達管業有限責任公司、愛康企業集團、中國聯塑集團控股有限公司、日豐企業集團有限公司、金德管業集團有限公司、武漢金牛經濟發展有限公司等在內的眾多塑料管道公司,因此紛紛推出了具有抗菌功能的塑料管道。
為了更好地評判抗菌塑料管道產品品質,規范抗菌塑料管道行業發展,由中國建筑材料工業協會提出,全國輕質與裝飾裝修建筑材料標準化技術委員會歸口,在2014年發布實施了行業標準——JT/T 939-2014《建筑用抗細菌塑料管抗細菌性能》。
截至目前,抗菌技術在建筑塑料管道應用以無規共聚聚丙烯(PP-R)管為主流。從技術層面而言,抗菌PP-R管通常選擇對PP-R多層復合結構中的最內層進行抗菌處理。此種技術方案的優勢是能夠在保證抗菌效果有效發揮的基礎上,有效降低因此帶來的產品成本增加。
為規范抗菌無規共聚聚丙烯(PP-R)管市場發展,由上海瑞河企業集團有限公司提出,中關村匯智抗菌新材料產業技術創新聯盟歸口,在2019年發布實施了團體標準T/CIAA 002-2019 《抗菌無規共聚聚丙烯(PP-R)管》。
上述兩項標準對抗菌PP-R管的抗菌性能、抗菌耐久性能和安全性衛生要求進行了具體規定。
? 抗菌性能:對金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌的抗細菌性能應同時≥90%。
? 抗菌耐久性能:對金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌的抗細菌性能應同時≥90%。其中,耐久性能試驗要求將抗菌PP-R管在溫度為(50±2)℃的蒸餾水水浴中浸泡16h后再對其抗菌性能進行測試。
? 安全性衛生要求:浸泡水應符合GB/T 17219-1998條款3.3的要求,且浸泡水中溶出物質的濃度應<10μg/L。另外,毒理學試驗應符合表1的要求。
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專欄作者介紹

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姓名:張迎增
職務/職稱:秘書長
單位:全國衛生產業企業管理協會抗菌產業分會
研究方向:抗菌標準規劃、抗菌產業研究、抗菌產品策劃、抗菌市場推廣策略研究
個人簡介:長期服務于抗菌產業,擅長抗菌標準規劃、抗菌產業研究、抗菌產品策劃和抗菌市場推廣策略研究。
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