抗菌技术及其在供水塑料管道中的应用

时间:2020-09-14 13:33:49 来源:CIAA 点击量:

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塑料管道在供水领域有着广泛应用。根据统计,到2015年,在全国新建、改建、扩建工程中,塑料管道在建筑给水、热水供应和供暖管中的占比已经达到85%,在城市供水管道(DN400mm以下)中的占比达到80%,在村镇供水管道中的占比更是高达90%。
 
1.0 供水塑料管道中的微生物
 
对于供水塑料管网系统而言,不仅会产生有机化学污染物、重金属等污染,还会发生微生物污染。
供水塑料管道水体中的微生物污染有两种来源。一是来源于管网所输送的水体。尽管出厂水体在经过消毒后才会进入管道系统,水体中的初始微生物数量较少,但因为管网系统极其复杂,再加上输送过程中存在的一些不可见因素,余氯含量会逐渐降低,消毒效果会逐步下降。二是来源于输送过程中可能发生的二次污染。管网系统尽管处于贫营养状态,但还会或多或少的含有部分C、N、P等营养物质。这些进入管网系统水体中的微生物,会因为这些营养物质的存在,不断进行生长繁殖。
因为供水塑料管道内壁有较大的比表面积,因此进入管网系统中的微生物至少会有95%逐渐会附着在管道生长,并以生物膜状态存在。
生物膜又称生物被膜,是指附着于有生命或无生命物体表面被细菌胞外大分子包裹的有组织的细菌群体。微生物在管网内壁形成生物膜是一个动态过程,要经历定殖、集聚、成熟、脱落与再定植等四个阶段。
▪ 定殖
当水体中的微生物与管网内壁接触后,会粘附到其表面,开始形成生物膜。在这一阶段,单个附着细胞仅由少量胞外聚合物包裹,还未进入生物被膜的形成过程,很多菌体还可重新进入浮游状态。因此该阶段是可逆的。
▪ 集聚
微生物在管网内壁定殖粘附后,其中的一些特定基因表达开始调整,与生物膜形成相关的基因开始被激活,微生物在生长繁殖的同时大量分泌胞外聚合物粘结微生物,因此该阶段微生物粘附更为牢固,是不可逆的。
▪ 成熟
微生物经不可逆粘附后,生物膜逐渐进入成熟期。该阶段生物膜形成高度有组织的结构,由类似蘑菇状或堆状的微生物群落组成。在这些微生物群落之间围绕着大量通道,可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等。
▪ 脱落与再定殖
成熟的生物膜通过蔓延、部分脱落或释放出浮游微生物进行扩展。脱落或释放出来的微生物重新变为管网系统水体中的浮游微生物。然后它们又可以在管网内壁形成新的生物膜。
生物膜形成之后,会为微生物创造优于水体的良好生存环境,提高其对余氯的抵抗性。研究显示,在极高的余氯条件(10或25mg/L)下,微生物在管网内壁生物膜中仍然可以再生长并使余氯衰减。
根据研究,管网内壁生物膜中的微生物不仅有变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门等,还含有铜绿假单胞菌、伯克氏菌等多种病原微生物。这些生物膜不仅会和水体直接接触,在成熟后还会有部分脱落到水体中,给饮用水带来潜在的生物安全风险,并会影响到水体的水质,使水体的浊度、味道、色度等在不同程度上受到影响。同时,管网内壁生物膜的存在,还会腐蚀管网内壁,缩短管网寿命。
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2.0 供水塑料管道生物膜的抑制措施
 
对影响管网内壁生物膜形成和生长的因素进行分析发现,大致有以下四种原因:
▪ 消毒剂类型及浓度。
异养细菌数量直接与生物膜的形成有关。通过对不同加氯量的出水的HPCs计数实验研究发现,异养细菌在没有余氯的出水中的数量比余氯质量浓度为0.3-0.5mg/L的出水中的数量高两个数量级,比余氯质量浓度为1.2-1.5mg/L的出水中的数量高三个数量级。因此,因此余氯的质量浓度对控制生物膜的生长影响显著。
相关研究显示,水中保持一定量的余氯可以有效控制生物膜生长。其中0.2mg/L的余氯可以将生物膜量ATP控制在50pg/cm2以下;0.3mg/L的余氯可以将生物膜量ATP控制在10pg/cm2以下。
▪ 水体中营养物质浓度
水体中营养物质的浓度会影响到水体中微生物的繁殖速度。而C、N、P等元素都是微生物生长繁殖所需要的。日本和芬兰等国家的研究认为,出厂水中的磷是限制生物膜生长的重要因素之一。
▪ 水力条件
管道中流动的水体与生物膜直接接触。而不同水力条件下水流对管网内壁的冲刷效果是不同的。水流对管网内壁的冲刷,一方面可以给生物膜系统带来成长所需要的营养物质和氧气,促进生物膜的生长。而另一方面,水流会将更多的消毒剂带入生物膜内部,提高对生物膜的杀灭效率。再次,水流对管网内壁的冲刷,还会使部分生物膜脱落进入水体,从而抑制生物膜的过快生长。
▪ 塑料管道材质
不同材质的管道对内壁生物膜的生长有不同影响,生物膜中微生物种群的多样性和数量也会因此有所不同。研究显示,在对生物膜的微生物种群多样性和数量影响方面,灰口铸铁管>球墨铸铁管>镀锌管>不锈钢复合管>塑料管。而塑料管中,聚氯乙烯(PVC)>无规共聚聚丙烯(PPR)。
    基于对以上影响管网内壁生物膜种群多样性和数量因素的分析,可以提出如下管网内壁生物膜抑制措施:
第一,通过开发有更好消毒作用和持续效果的新型消毒剂,以及调整该消毒剂在水体中的浓度,最大限度杀灭水体中的微生物,减少微生物在管网内壁附着的可能性。但是正如之前所述,因为管网系统极其复杂,而且在管网输送过程中存在的一些不可见因素,消毒剂的含量会降低,消毒效果也因此会下降。
第二,通过减少水体中营养物质的方式,在管网中营造出不利于微生物生长繁殖的低营养物质环境,从而降低微生物的增长速率。但是,限制水体中营养物质,需要水厂采用深度处理技术控制出水中的C、N、P等营养元素含量。而这会极大增加成本。即使如此,也很难做到完全去除水体中的营养元素。
第三,通过调整管网中水体流速的方式,使更多消毒剂能够进入生物膜内部,使尚未牢固附着的生物膜脱落。但在管网末梢,因为用户并非处于持续用水状态,因此末梢水体多处于静止或者低流速状态,调整水体流速的效果会大打折扣。
    第四,在管材方面选择内壁生物膜种群多样性和数量都较低的管道。在此基础上,通过工艺提升尽量增加管道内壁的光滑度,以增加微生物附着的难度。再次,可以对管道进行抗菌处理,以便在生物膜形成前管道内壁就能够显著抑制微生物在其表面的生长,从而抑制生物膜的形成。
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3.0 抗菌技术在供水塑料管道中的应用
 
抗菌(antimicrobial)是采用化学或物理等方法杀灭或妨碍包括细菌、真菌在内的微生物生长繁殖及其活性的过程。抗菌技术的应用古已有之。早在5200多年前,古埃及人就利用草药植物提取物处理裹尸布、对尸体进行防腐处理,制作木乃伊。银碗、银盘、银筷子等银质餐具在皇宫贵族中大量使用。第二次世界大战时期,德军军服开始采用季铵盐抗菌剂做后处理,从而明显降低了受伤士兵的二次感染问题。这是抗菌材料的第一次大规模集中使用。20世纪60年代以后,抗菌技术开始在日本、欧洲、美国等发达国家和地区得到广泛应用。
抗菌技术在建筑塑料管道的应用始于2000年初。2005年,上海瑞河企业集团有限公司在业内率先推出了具有抗菌功能的无规共聚聚丙烯(PP-R)管。
因为能够有效抑制水体中的微生物在管道内壁的生长,抗菌塑料管道一经推出,就得到市场高度认可。包括上海瑞河企业集团有限公司、杭州丰果实业有限公司、德标管业(上海)有限公司、金塑企业集团(上海)有限公司、上海天净新材料科技有限公司以及浙江开达管业有限责任公司、爱康企业集团、中国联塑集团控股有限公司、日丰企业集团有限公司、金德管业集团有限公司、武汉金牛经济发展有限公司等在内的众多塑料管道公司,因此纷纷推出了具有抗菌功能的塑料管道。
为了更好地评判抗菌塑料管道产品品质,规范抗菌塑料管道行业发展,由中国建筑材料工业协会提出,全国轻质与装饰装修建筑材料标准化技术委员会归口,在2014年发布实施了行业标准——JT/T 939-2014《建筑用抗细菌塑料管抗细菌性能》。
截至目前,抗菌技术在建筑塑料管道应用以无规共聚聚丙烯(PP-R)管为主流。从技术层面而言,抗菌PP-R管通常选择对PP-R多层复合结构中的最内层进行抗菌处理。此种技术方案的优势是能够在保证抗菌效果有效发挥的基础上,有效降低因此带来的产品成本增加。
为规范抗菌无规共聚聚丙烯(PP-R)管市场发展,由上海瑞河企业集团有限公司提出,中关村汇智抗菌新材料产业技术创新联盟归口,在2019年发布实施了团体标准T/CIAA 002-2019 《抗菌无规共聚聚丙烯(PP-R)管》。
上述两项标准对抗菌PP-R管的抗菌性能、抗菌耐久性能和安全性卫生要求进行了具体规定。
▪ 抗菌性能:对金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌的抗细菌性能应同时≥90%。
▪ 抗菌耐久性能:对金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌的抗细菌性能应同时≥90%。其中,耐久性能试验要求将抗菌PP-R管在温度为(50±2)℃的蒸馏水水浴中浸泡16h后再对其抗菌性能进行测试。
▪ 安全性卫生要求:浸泡水应符合GB/T 17219-1998条款3.3的要求,且浸泡水中溶出物质的浓度应<10μg/L。另外,毒理学试验应符合表1的要求。
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专栏作者介绍

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姓名:张迎增
职务/职称:秘书长
单位:全国卫生产业企业管理协会抗菌产业分会
研究方向:抗菌标准规划、抗菌产业研究、抗菌产品策划、抗菌市场推广策略研究
个人简介:长期服务于抗菌产业,擅长抗菌标准规划、抗菌产业研究、抗菌产品策划和抗菌市场推广策略研究。
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