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抗菌技術(shù)及其在供水塑料管道中的應用

時(shí)間:2020-09-14 13:33:49 來(lái)源:CIAA 點(diǎn)擊量:

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塑料管道在供水領(lǐng)域有著(zhù)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(jīng)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(wǎng)系統而言,不僅會(huì )產(chǎn)生有機化學(xué)污染物、重金屬等污染,還會(huì )發(fā)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(lái)源。一是來(lái)源于管網(wǎng)所輸送的水體。盡管出廠(chǎng)水體在經(jīng)過(guò)消毒后才會(huì )進(jìn)入管道系統,水體中的初始微生物數量較少,但因為管網(wǎng)系統極其復雜,再加上輸送過(guò)程中存在的一些不可見(jiàn)因素,余氯含量會(huì )逐漸降低,消毒效果會(huì )逐步下降。二是來(lái)源于輸送過(guò)程中可能發(fā)生的二次污染。管網(wǎng)系統盡管處于貧營(yíng)養狀態(tài),但還會(huì )或多或少的含有部分C、N、P等營(yíng)養物質(zhì)。這些進(jìn)入管網(wǎng)系統水體中的微生物,會(huì )因為這些營(yíng)養物質(zhì)的存在,不斷進(jìn)行生長(cháng)繁殖。
因為供水塑料管道內壁有較大的比表面積,因此進(jìn)入管網(wǎng)系統中的微生物至少會(huì )有95%逐漸會(huì )附著(zhù)在管道生長(cháng),并以生物膜狀態(tài)存在。
生物膜又稱(chēng)生物被膜,是指附著(zhù)于有生命或無(wú)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(wǎng)內壁形成生物膜是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,要經(jīng)歷定殖、集聚、成熟、脫落與再定植等四個(gè)階段。
? 定殖
當水體中的微生物與管網(wǎng)內壁接觸后,會(huì )粘附到其表面,開(kāi)始形成生物膜。在這一階段,單個(gè)附著(zhù)細胞僅由少量胞外聚合物包裹,還未進(jìn)入生物被膜的形成過(guò)程,很多菌體還可重新進(jìn)入浮游狀態(tài)。因此該階段是可逆的。
? 集聚
微生物在管網(wǎng)內壁定殖粘附后,其中的一些特定基因表達開(kāi)始調整,與生物膜形成相關(guān)的基因開(kāi)始被激活,微生物在生長(cháng)繁殖的同時(shí)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(jīng)不可逆粘附后,生物膜逐漸進(jìn)入成熟期。該階段生物膜形成高度有組織的結構,由類(lèi)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(zhù)大量通道,可以運送養料、酶、代謝產(chǎn)物和排出廢物等。
? 脫落與再定殖
成熟的生物膜通過(guò)蔓延、部分脫落或釋放出浮游微生物進(jìn)行擴展。脫落或釋放出來(lái)的微生物重新變?yōu)楣芫W(wǎng)系統水體中的浮游微生物。然后它們又可以在管網(wǎng)內壁形成新的生物膜。
生物膜形成之后,會(huì )為微生物創(chuàng )造優(yōu)于水體的良好生存環(huán)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(wǎng)內壁生物膜中仍然可以再生長(cháng)并使余氯衰減。
根據研究,管網(wǎng)內壁生物膜中的微生物不僅有變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)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(huì )和水體直接接觸,在成熟后還會(huì )有部分脫落到水體中,給飲用水帶來(lái)潛在的生物安全風(fēng)險,并會(huì )影響到水體的水質(zhì),使水體的濁度、味道、色度等在不同程度上受到影響。同時(shí),管網(wǎng)內壁生物膜的存在,還會(huì )腐蝕管網(wǎng)內壁,縮短管網(wǎng)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(wǎng)內壁生物膜形成和生長(cháng)的因素進(jìn)行分析發(fā)現,大致有以下四種原因:
? 消毒劑類(lèi)型及濃度。
異養細菌數量直接與生物膜的形成有關(guān)。通過(guò)對不同加氯量的出水的HPCs計數實(shí)驗研究發(fā)現,異養細菌在沒(méi)有余氯的出水中的數量比余氯質(zhì)量濃度為0.3-0.5mg/L的出水中的數量高兩個(gè)數量級,比余氯質(zhì)量濃度為1.2-1.5mg/L的出水中的數量高三個(gè)數量級。因此,因此余氯的質(zhì)量濃度對控制生物膜的生長(cháng)影響顯著(zhù)。
相關(guān)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(cháng)。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(yíng)養物質(zhì)濃度
水體中營(yíng)養物質(zhì)的濃度會(huì )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(cháng)繁殖所需要的。日本和芬蘭等國家的研究認為,出廠(chǎng)水中的磷是限制生物膜生長(cháng)的重要因素之一。
? 水力條件
管道中流動(dòng)的水體與生物膜直接接觸。而不同水力條件下水流對管網(wǎng)內壁的沖刷效果是不同的。水流對管網(wǎng)內壁的沖刷,一方面可以給生物膜系統帶來(lái)成長(cháng)所需要的營(yíng)養物質(zhì)和氧氣,促進(jìn)生物膜的生長(cháng)。而另一方面,水流會(huì )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(wǎng)內壁的沖刷,還會(huì )使部分生物膜脫落進(jìn)入水體,從而抑制生物膜的過(guò)快生長(cháng)。
? 塑料管道材質(zhì)
不同材質(zhì)的管道對內壁生物膜的生長(cháng)有不同影響,生物膜中微生物種群的多樣性和數量也會(huì )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(wú)規共聚聚丙烯(PPR)。
    基于對以上影響管網(wǎng)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(wǎng)內壁生物膜抑制措施:
第一,通過(guò)開(kāi)發(fā)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(wǎng)內壁附著(zhù)的可能性。但是正如之前所述,因為管網(wǎng)系統極其復雜,而且在管網(wǎng)輸送過(guò)程中存在的一些不可見(jiàn)因素,消毒劑的含量會(huì )降低,消毒效果也因此會(huì )下降。
第二,通過(guò)減少水體中營(yíng)養物質(zhì)的方式,在管網(wǎng)中營(yíng)造出不利于微生物生長(cháng)繁殖的低營(yíng)養物質(zhì)環(huán)境,從而降低微生物的增長(cháng)速率。但是,限制水體中營(yíng)養物質(zhì),需要水廠(chǎng)采用深度處理技術(shù)控制出水中的C、N、P等營(yíng)養元素含量。而這會(huì )極大增加成本。即使如此,也很難做到完全去除水體中的營(yíng)養元素。
第三,通過(guò)調整管網(wǎng)中水體流速的方式,使更多消毒劑能夠進(jìn)入生物膜內部,使尚未牢固附著(zhù)的生物膜脫落。但在管網(wǎng)末梢,因為用戶(hù)并非處于持續用水狀態(tài),因此末梢水體多處于靜止或者低流速狀態(tài),調整水體流速的效果會(huì )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(guò)工藝提升盡量增加管道內壁的光滑度,以增加微生物附著(zhù)的難度。再次,可以對管道進(jìn)行抗菌處理,以便在生物膜形成前管道內壁就能夠顯著(zhù)抑制微生物在其表面的生長(cháng),從而抑制生物膜的形成。
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3.0 抗菌技術(shù)在供水塑料管道中的應用
 
抗菌(antimicrobial)是采用化學(xué)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(cháng)繁殖及其活性的過(guò)程。抗菌技術(shù)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(jìn)行防腐處理,制作木乃伊。銀碗、銀盤(pán)、銀筷子等銀質(zhì)餐具在皇宮貴族中大量使用。第二次世界大戰時(shí)期,德軍軍服開(kāi)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(wèn)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(shù)開(kāi)始在日本、歐洲、美國等發(fā)達國家和地區得到廣泛應用。
抗菌技術(shù)在建筑塑料管道的應用始于2000年初。2005年,上海瑞河企業(yè)集團有限公司在業(yè)內率先推出了具有抗菌功能的無(wú)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(cháng),抗菌塑料管道一經(jīng)推出,就得到市場(chǎng)高度認可。包括上海瑞河企業(yè)集團有限公司、杭州豐果實(shí)業(yè)有限公司、德標管業(yè)(上海)有限公司、金塑企業(yè)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(kāi)達管業(yè)有限責任公司、愛(ài)康企業(yè)集團、中國聯(lián)塑集團控股有限公司、日豐企業(yè)集團有限公司、金德管業(yè)集團有限公司、武漢金牛經(jīng)濟發(fā)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(chǎn)品品質(zhì),規范抗菌塑料管道行業(yè)發(fā)展,由中國建筑材料工業(yè)協(xié)會(huì )提出,全國輕質(zhì)與裝飾裝修建筑材料標準化技術(shù)委員會(huì )歸口,在2014年發(fā)布實(shí)施了行業(yè)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(shù)在建筑塑料管道應用以無(wú)規共聚聚丙烯(PP-R)管為主流。從技術(shù)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(jìn)行抗菌處理。此種技術(shù)方案的優(yōu)勢是能夠在保證抗菌效果有效發(fā)揮的基礎上,有效降低因此帶來(lái)的產(chǎn)品成本增加。
為規范抗菌無(wú)規共聚聚丙烯(PP-R)管市場(chǎng)發(fā)展,由上海瑞河企業(yè)集團有限公司提出,中關(guān)村匯智抗菌新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟歸口,在2019年發(fā)布實(shí)施了團體標準T/CIAA 002-2019 《抗菌無(wú)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(jìn)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(shí)≥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(shí)≥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(jìn)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(zhì)的濃度應<10μg/L。另外,毒理學(xué)試驗應符合表1的要求。
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專(zhuān)欄作者介紹

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姓名:張迎增
職務(wù)/職稱(chēng):秘書(shū)長(cháng)
單位:全國衛生產(chǎn)業(yè)企業(yè)管理協(xié)會(huì )抗菌產(chǎn)業(yè)分會(huì )/中關(guān)村匯智抗菌新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟
研究方向:抗菌標準規劃、抗菌產(chǎn)業(yè)研究、抗菌產(chǎn)品策劃、抗菌市場(chǎng)推廣策略研究
個(gè)人簡(jiǎn)介:長(cháng)期服務(wù)于抗菌產(chǎn)業(yè),擅長(cháng)抗菌標準規劃、抗菌產(chǎn)業(yè)研究、抗菌產(chǎn)品策劃和抗菌市場(chǎng)推廣策略研究。
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