Một trong những tiến bộ sức khỏe cộng đồng quan trọng nhất trong thế kỷ qua là phát triển, và sau đó thường xuyên áp dụng các phương pháp kỹ thuật phù hợp để khử trùng nước uống làm giảm sự lây truyền bệnh truyền qua nước. Các biện pháp khử trùng thô sơ dựa trên lọc nước (được sử dụng bởi người Ai Cập cổ đại) và xử lý nhiệt từ lâu đã được thực hiện, nhưng sự ra đời của clo vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX đã cách mạng hóa hiệu quả tiện ích và hiệu quả quy mô rộng của thực hành này (Baker, 1948).
Thật vậy, clo hóa là “công cụ” khử trùng chiếm ưu thế cho nước uống kể từ đầu thế kỷ XX, nhưng hiện nay có ít nhất sáu chiến lược mà nước, nước thải hoặc bùn có thể được xử lý hợp lệ để đạt được sự giảm hàm lượng vi sinh vật mong muốn của chúng (Bryant et al., 1992; EPA HOA KỲ, 1999). Chúng bao gồm:
1. Lọc vật lý (ví dụ: sử dụng siêu lọc hoặc thẩm thấu ngược)
2. Xử lý nhiệt (ví dụ: đun sôi và thanh trùng)
3. Sonication vật lý
4. Xử lý hóa chất oxy hóa mạnh (ví dụ: sử dụng halogen như clo, brom hoặc iốt, hoặc ozone)
5. Xử lý hóa chất không oxy hóa
6. Xạ trị
Các chiến lược khử trùng này phần lớn có thể được chia thành bốn tùy chọn sau đây, mặc dù trong nhiều trường hợp có khả năng có sự chồng chéo đáng kể với các tác động nhân quả được áp đặt bởi bất kỳ một quy trình khử trùng nào:
1. Loại bỏ các tác nhân vật lý
2. Thay đổi và phá vỡ tính thấm màng tế bào
3. Thay đổi và phá vỡ các protein và enzyme cần thiết về mặt trao đổi chất
4. Thay đổi và phá vỡ vật liệu hạt nhân thiết yếu về mặt di truyền
Công nghệ ozone được sử dụng như một phương pháp khử trùng hiệu quả nhất hiện nay
Cách tiếp cận đầu tiên như vậy để sử dụng lọc vật lý để loại bỏ vi khuẩn phụ thuộc vào kích thước tế bào, điều này khá may mắn vì khử trùng dựa trên hóa học có xu hướng trở nên có vấn đề với các tế bào hoặc u nang lớn, chẳng hạn như có thể có kinh nghiệm với các dạng giardia lamblia và Cryptosporidium nguyên sinh. Các bộ lọc cát chậm và nhanh thông thường đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ để giảm hiệu quả, nếu không muốn nói là loại bỏ hoàn toàn các vi khuẩn lớn hơn này, và kết quả là các loại bộ lọc này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý các nguồn nước mặt dễ bị ô nhiễm vi khuẩn. Tuy nhiên, sự thành công của các hoạt động này có thể bị tổn hại bởi những thiếu sót của con người và kỹ thuật (ví dụ: chế độ rửa ngược bộ lọc không đầy đủ), như đã được chứng minh ở một số thành phố của Hoa Kỳ trong vài thập kỷ qua. Một sự cố được công bố rộng rãi như vậy với các hoạt động lọc nước được quản lý kém ở Milwaukee, Wisconsin, trong năm 1994 đã ảnh hưởng đến hơn 400.000 cư dân. Hiệu quả của các hoạt động này đã được cải thiện với các quy định thắt chặt (tức là Quy tắc xử lý nước mặt nâng cao tạm thời của EPA Hoa Kỳ) về giám sát bộ lọc thường xuyên (EPA Hoa Kỳ, 1998). Trong những năm gần đây, hiệu quả khử trùng của lọc dựa trên phương tiện truyền thông đã bị lu mờ bởi việc sử dụng các hệ thống siêu lọc và siêu lọc với kích thước lỗ chân lông trong phạm vi nanomet hai chữ số (ví dụ: 30 đến ^ 100 nm), đủ nhỏ để ngăn chặn sự đi qua của bất kỳ mầm bệnh nào.
Đối với những chiến lược khử trùng nhằm thay đổi tiêu cực tính thấm hoặc hàm lượng của tế bào, nhiều ví dụ có thể được nhìn thấy với các loại thực phẩm được chuẩn bị trong điều kiện giàu muối, đường hoặc axit hữu cơ ở mức phân vị (ví dụ: dưa chua, trái cây kẹo, pho mát, giấm, cà chua). Những môi trường bảo quản này, nhiều trong số đó mang lại áp lực thẩm thấu không thể chịu đựng được đối với sự phát triển của tế bào hoạt động, tạo điều kiện cho tình trạng vi khuẩn trong đó sự phát triển của vi khuẩn đã được ngăn chặn hiệu quả mà không giết chết cụ thể các tế bào ban đầu. Tất nhiên, điều chỉnh quy mô lớn đối với áp suất thẩm thấu trong nước, nước thải hoặc quy trình xử lý bùn sẽ không khả thi với yêu cầu liều lượng hóa học cần thiết (tức là ở mức đắt đỏ, tỷ lệ phần trăm cao).
Các chất khử trùng hóa học làm thay đổi hình thức và chức năng của các enzyme vận chuyển màng có thể phá vỡ sự đi qua của các chất nền hoặc chất dinh dưỡng thiết yếu. Cho dù tác động cụ thể của màng sau có được thực hiện kết hợp với việc sử dụng các hóa chất kháng khuẩn được sử dụng rộng rãi hơn (ví dụ: clo, ozone), sự gián đoạn enzyme và biến tính được coi là cơ chế khử trùng chiếm ưu thế của chúng. Những tác nhân này, và đặc biệt là những chất liên quan đến chất oxy hóa mạnh (ví dụ: clo) hoặc superoxide (được tạo ra bằng chiếu xạ), dễ dàng phá vỡ cấu trúc enzyme ba chiều hydro và liên kết hóa trị của tế bào. Sau khi mất đi sự đóng góp xúc tác của enzyme đối với dị hóa năng lượng, các tế bào khử trùng này sau đó thiếu đủ nguồn năng lượng để sinh sản hiệu quả.
Bốn chất oxy hóa mạnh khác nhau được sử dụng rộng rãi để khử trùng: (1) halogen (clo, brom và iốt), (2) các hợp chất chứa halogen (ví dụ: clo dioxide, mỏ chlora, bromochlorodimethylhydantoin), (3) ozone và (4) hydrogen peroxide (H2O2). Trong mỗi trường hợp, ứng dụng kỹ thuật tiêu chuẩn là định lượng hóa chất được áp dụng vào buồng tiếp xúc ngắn hạn (tức là, thường được thiết kế trong 15 phút lưu giữ) bằng cách sử dụng cài đặt sẵn hệ thống phân phối hóa học để đạt được nồng độ khử trùng mong muốn so với lưu lượng đo được. Như được thể hiện trong Hình 16,53, các buồng tiếp xúc khử trùng này thường được thiết kế với cấu hình serpentine trong nỗ lực đảm bảo chế độ gần như cắm dòng chảy.
Clo đã và vẫn là hóa chất khử trùng chiếm ưu thế với nước và nước thải ở Hoa Kỳ, được áp dụng trong khí (Cl2), chất lỏng (NaOCl), hoặc dạng rắn [Ca (OCl)2] ở dạng có khả năng ít nhất có thể cho bất kỳ lựa chọn khử trùng nào. Ngoài chi phí, lợi thế của clo bao gồm phạm vi các tùy chọn giao hàng và hiệu quả dự kiến. Tuy nhiên, cũng có những thiếu sót với việc sử dụng nó, bao gồm cả thực tế là có những vấn đề an toàn đáng kể cần được giải quyết khi lưu trữ và đo khí clo.
Một khía cạnh quan trọng của việc sử dụng clo là độ nhạy cảm của nó đối với pH. Trên pH 7,5 các loài axit hypochlorous mong muốn (HOCl) được tìm thấy trong môi trường nước (ví dụ, được sản xuất bởi Hydrat hóa clo: Cl2 + H2O ! HOCl + H +) sẽ tách thành anion hypochlorite (OCl ~) (HOCl ! OCl ~ + H +) có hiệu quả kháng khuẩn thấp hơn nhiều so với dạng axit hypochlorous (tức là HOCl).
Một thực tế quan trọng khác là axit hypochlorous phản ứng dễ dàng với amoniac giảm (NH3), dẫn đến một loạt các phản ứng và sản phẩm amin hóa [tức là, monochloramine, NH2OCl; dichloramine, NH (OCl)2; và nitơ trichloride, NCl3] có hiệu quả diệt khuẩn một lần nữa ít hơn so với HOCl ban đầu.
Sử dụng brom như một chất khử trùng cũng có bộ tính năng đơn vị riêng về hóa học, lợi ích và thiếu sót (Liên đoàn Môi trường nước, 1996). Đầu tiên, các loài axit hypobromous hoạt động (HOBr) không tách rời cho đến khi nó đạt đến độ pH khoảng 8,5, vì vậy cung cấp một phạm vi rộng hơn về khả năng phục vụ chúng clo. Thứ hai, brom có xu hướng có mức độ hiệu quả cao hơn ở nồng độ tương đương, vì vậy mức liều thấp hơn có thể được sử dụng. Thứ ba, các dạng bromamine đều là chất khử trùng tốt hơn nhiều so với các mỏ chlora. Một hợp chất mang brom pha rắn được gọi là bromochlorodimethylhy-dantoin (BCDMH) được bán trên thị trường rộng rãi cho các ứng dụng bồn tắm nước nóng và spa, do tỷ lệ giải phóng amoniac tiết niệu đặc biệt. Tuy nhiên, một nhược điểm rõ ràng là chi phí, có xu hướng cao hơn nhiều lần so với clo nếu các thuộc tính hiệu quả của loại sau bị bỏ qua.
Hydrogen peroxide có rất ít, nếu có, vai trò đáng tin cậy như một chất khử trùng trong các hệ thống kỹ thuật môi trường, nhưng ozone đã tìm thấy sự chấp nhận rộng rãi, đặc biệt là ở châu Âu, như một chất khử trùng nước uống. So với bất kỳ lựa chọn dựa trên halogen nào, ozone có khả năng độc đáo để tiêu tan ngay sau khi bổ sung, mà không có bất kỳ vẻ ngoài nào còn sót lại. Việc thiếu dư lượng này được coi là một bất lợi ở Hoa Kỳ, nơi nồng độ clo dư được duy trì thường xuyên trong các hệ thống phân phối nước uống như một biện pháp bảo vệ chống lại ô nhiễm tiếp theo có thể xảy ra trong hệ thống phân phối. Tuy nhiên, sự khôn ngoan thông thường ở châu Âu là khử trùng dư lượng hóa học là không chính đáng và không mong muốn. Tuy nhiên, một khía cạnh quan trọng khác của việc sử dụng ozone là nó phải được sản xuất tại chỗ, sử dụng phần cứng điện không đơn giản và với chi phí cao hơn đáng kể so với clo.
Một loạt các hóa chất hữu cơ và vô cơ không oxy hóa được sử dụng hoặc có thể cung cấp, các hiệu ứng khử trùng, bao gồm aldehydes (formaldehyde và glutaraldehyde), phenolics, alchohols (ethanol và isoproponal), chất tẩy rửa cationic, nitrit và kim loại nặng (ví dụ: thủy ngân, nitrat bạc, thiếc, asen, đồng). Mặc dù hầu hết các hóa chất này có ít liên quan đến việc khử trùng nước, nước thải hoặc bùn, nhưng có hai trường hợp ngoại lệ đáng chú ý. Cụ thể, các bộ lọc tẩm bạc đôi khi được bán trên thị trường cho các thiết bị điều hòa nước tại điểm sử dụng, chẳng hạn như những thiết bị đôi khi được vặn vào các ổ cắm của vòi rửa. Trong trường hợp này, bạc được dự định sẽ được lọc từ từ từ môi trường lọc (thông thường, than hoạt tính) với tốc độ, hy vọng, sẽ làm chậm sự hình thành cơ hội của màng sinh học vi khuẩn có ý định sử dụng chất hữu cơ sorbed làm nguồn năng lượng của chúng. Một lựa chọn khử trùng hóa học không oxy hóa thứ hai là sử dụng chất tẩy rửa cationic dưới dạng các hợp chất amoni bốn mặt (được hình thành dưới dạng muối hữu cơ của amoni clorua và thường được gọi là quats). Một ứng dụng phổ biến như vậy là kiểm soát sự phát triển màng sinh học trên bề mặt tháp làm mát, trong đó các chất khử trùng tích cực (tức là oxy hóa) như clo, brom và ozone sẽ tấn công không thể chấp nhận được các bề mặt truyền nhiệt bằng gỗ hoặc kim loại.
Một trong những tính năng khử trùng độc đáo của các hợp chất diệt khuẩn là chúng có mức độ hiệu quả cao hơn rõ rệt với nhiều vi khuẩn gram dương, có lẽ do độ sâu và độ phức tạp của cấu trúc màng của chúng. Ngược lại, các tế bào gram âm nói chung thường được coi là có khả năng chống chịu cao hơn một chút, ảnh hưởng do độ sâu và độ phức tạp của cấu trúc màng của chúng. Thực tế đánh giá, Pseudomonas có thể đứng đầu danh sách về độ bền, trong điều kiện sẽ ngăn chặn phần lớn các tế bào khác (ví dụ: sự tăng trưởng trong nước cất). Tương tự như vậy, các loài Mycobacteria gram dương, cũng như các loài bào tử, cũng có xu hướng thể hiện bản chất kháng thuốc này khi bị thách thức bằng chất khử trùng bốn chân, dường như dựa trên khả năng bảo vệ của lớp phủ tế bào bên ngoài tương ứng của chúng. Cuối cùng, với bản chất hóa học của chúng, các hợp chất quất này cũng có độ nhạy độc đáo với sự bất hoạt khi tiếp xúc với xà phòng, chất tẩy rửa và vật liệu hữu cơ phức tạp.
Cơ chế khử trùng thứ tư và cuối cùng là thay đổi và phá vỡ cấu trúc di truyền của tế bào để tế bào bị ngăn không cho sinh sản mặc dù nó vẫn có thể có năng lượng để làm như vậy. Hiệu ứng khử trùng này phần lớn liên quan đến việc sử dụng chiếu xạ tia cực tím và liên kết chéo năng lượng cao của các nhóm cơ sở nitơ liền kề sẵn sàng cạnh nhau tại các điểm khác nhau trong DNA bị mắc kẹt (xem phản ứng thymine dimer trong hình dưới. Tác động kết quả của DNA trùng hợp và sự hình thành của thymine dimers đi theo nhiều con đường tương tự, sao cho các tế bào được khử trùng hiệu quả bằng cách tiếp xúc với tia CỰC TÍM này.
Phạm vi bước sóng liên quan đến chiếu xạ tia cực tím thực sự có chiều rộng đáng kể, từ 4 đến 300 nm, nhưng mức hấp thụ cao nhất của DNA dường như giảm gần như trùng hợp với giá trị đầu ra tối đa (tức là khoảng 254 nm) cho phổ phát xạ ánh sáng phát ra từ bóng đèn hơi thủy ngân. Ứng dụng kỹ thuật tiêu chuẩn của chiếu xạ UV liên quan đến một loạt các bóng đèn thủy ngân được đặt bên trong một buồng chiếu xạ, qua đó nước hoặc nước thải được truyền qua, với mỗi ống như vậy được khoác bên trong một chiếc áo khoác thạch anh uv trong suốt. Các ống này được căn chỉnh theo chiều dọc hoặc chiều ngang theo cách mà cơ chế thủy lực của hoạt động cung cấp cơ hội tối đa để tiếp xúc với các tế bào chảy qua buồng trong khi xóa
Sự hình thành thymine dimer dọc theo sợi DNA được tạo ra bằng cách ion hóa trùng hợp hoặc chiếu xạ UV
Các con đường ngắn mạch sẽ làm giảm hiệu quả quy trình. Hình dưới mô tả một mảng như vậy được sử dụng để khử trùng nước thải ngay trước khi xả. Chiếu xạ UV với bóng đèn thủy ngân cung cấp một phương tiện khử trùng hiệu quả cho những ứng dụng kỹ thuật liên quan đến nước và nước thải khá rõ ràng hoặc quang học trong suốt. Ngược lại, bùn không thể khử trùng bằng tia CỰC TÍM do mức độ thâm nhập ánh sáng nông không thể chấp nhận được vào vật liệu này.
-
LÒ PHẢN XẠ TIA CỰC TÍM ĐỂ KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI
Bức xạ ion hóa bằng cách sử dụng tia X và chùm tia gamma với mức năng lượng thậm chí còn cao hơn so với chiếu xạ UV, cũng có thể được sử dụng trong khử trùng nước, nước thải và bùn. Những cơ chế ion hóa này thay thế các electron trong quá trình bắn phá chùm tia (tức là tại thời điểm đó chúng được cho là ion hóa), và với sự hiện diện của oxy, các electron di dời này tạo thành một loại gốc tự do (được gọi là gốc hydroxyl) rất độc hại đối với các tế bào vi khuẩn. Các gốc tự do có tính phản ứng cao, về cơ bản không có năng lượng kích hoạt cho phản ứng của chúng. Với bản chất phản ứng cấp tính của các gốc này, chúng dễ dàng tấn công và phá hủy các liên kết hydro, liên kết đôi và cấu trúc vòng cần thiết cho tiện ích trao đổi chất của các phân tử tế bào khác nhau. Tuy nhiên, một cơ chế hoạt động khác, và có lẽ là yếu tố chính đằng sau việc khử trùng với chiếu xạ ion hóa, là tác động trùng hợp (ví dụ: khử trùng DNA thymine), theo đó hiệu quả sinh hóa của các phân tử phức tạp bị suy thoái hoặc chấm dứt. Tuy nhiên, công nghệ này mang một mức độ phức tạp và nguy hiểm kỹ thuật thường không phù hợp với hầu hết các ứng dụng của thành phố, do đó chỉ có một số lượng hạn chế các trang web, phần lớn trong số đó liên quan đến khử trùng bùn hiện nay dựa vào việc sử dụng nó. Mặt khác, bức xạ ion hóa được sử dụng rộng rãi để khử trùng dược phẩm và vật tư nha khoa và y tế dùng một lần (ví dụ: ống tiêm, găng tay).
Khi xem xét các tùy chọn khác nhau để khử trùng, thực tế là có một loạt các cơ chế khử trùng và các hiệu ứng liên quan khác nhau chứng minh rằng không có giải pháp hoàn hảo cho tất cả các ứng dụng kỹ thuật. Không bao gồm xử lý nhiệt và áp suất thẩm thấu, có rất ít nếu có bất kỳ tiện ích thực tế nào để khử trùng quy mô lớn, các tùy chọn còn lại thể hiện sự khác biệt độc đáo về chi phí liên quan, độ phức tạp kỹ thuật, tác động còn lại, độ nhạy cảm môi trường và hiệu suất tương đối, do đó phải đánh giá thích hợp nhiều vấn đề cụ thể của trang web như vậy phải được hoàn thành trước khi đưa ra quyết định cuối cùng.
Đối với việc xác định mục tiêu khử trùng chính xác, tiêu chuẩn bình thường cho nước uống là sự hiện diện coliform phân không còn sót lại. Tuy nhiên, trong trường hợp khử trùng nước thải, các tiêu chuẩn nước thải có xu hướng được nhắm mục tiêu cho mức độ hiện diện của vi khuẩn còn sót lại cao hơn một chút theo cách ngầm phản ánh hiện tượng kháng vi khuẩn sau này. So với mức độ điển hình của sự hiện diện của vi khuẩn trong nước thải thô, không phân (chẳng hạn như những gì được hiển thị trong le 16.15), do đó, tiêu chí nước thải cho coliform phân thường có xu hướng chịu được một chút (tức là, thường ở 200 đơn vị hình thành thuộc địa coliform phân trên 100 mL). Tuy nhiên, việc tuân thủ loại tiêu chuẩn coliform phân nước thải này vẫn sẽ yêu cầu giảm từ bốn đến năm nhật ký khá lớn (tức là dựa trên mật độ coliform phân không cần thiết trong khoảng 106 đến 107 tế bào trên 100 mL).
