DISINFECTION OF NATURAL WATER WITH SONO-ACTIVATED PERSULPHATE

В настоящее время, проблема доступной и чистой воды является одним из главных вызовов человечеству. Для ее решения приоритетное значение имеет разработка и внедрение высокоэффективных и экологобезопасных методов очистки и дезинфекции. К таким методам относятся, в первую очередь, методы на базе усовершенствованных окислительных процессов (“advanced oxidation processes”), основанные на генерации высокоактивных частиц (в основном, радикалов), которые in situ окисляют загрязняющие вещества и инактивируют патогенную микрофлору в воде. Генерацию радикалов интенсифицируют введением катализаторов или экологически чистых окислителей, например, пероксида водорода или персульфата в виде соли калия или натрия. ПС эффективен в широком диапазоне рН, стабилен, безопасен для окружающей среды и технологичен: его легко транспортировать, хранить и дозировать. Известно, что ПС можно активировать термически, ионами переходных металлов, электрохимически, ультрафиолетовым или ультразвуковым (УЗ) излучением

Кроме того, образуются дополнительные •OH (3):

Преимуществами SO4•− являются более высокий окислительно-восстановительный потенциал (E0 = 2.6-3.1 В) по сравнению с •OH (1.9-2.7 В)

Анализ литературы показал, что публикации по инактивации микроорганизмов соноактивированным ПС малочисленны

В качестве модельного тест-организма взят бактериальный штамм Escherichia coli K-12 (ВКПМ, ГосНИИгенетика, Россия). Односуточная культура E. coli получена при аэробной инкубации лиофилизированных клеток в питательном бульоне (ФБУН ГНЦ ПМБ, Россия). Клетки трижды центрифугировали (4000 об/мин, 5 мин) и промывали стерильным буферным раствором при рН 7.2 (ООО Росмедбио, Россия). Далее клетки ресуспендировали в том же буферном растворе для получения исходной бактериальной суспензии. Аликвоту этой суспензии вносили в водную матрицу для достижения начальной концентрации клеток 105 КОЕ/мл. Водными матрицами являлись деионизированная (ДВ) и природная вода (ПВ), отобранная в реке Селенга, после фильтрования (NC, 0.45 мкм, Китай). ДВ получали в деионизаторе Simplicity®UV system (Millipore, Франция). Эксперименты по дезинфекции воды проведены в лабораторном сонореакторе, представляющем собой прямоугольную стальную ванну, на дне которой размещены пьезокерамические преобразователи (1.7 МГц) в виде единого блока. Вода обрабатывалась в сонореакторе только УЗ, персульфатом (ПС) калия (ООО Вектон, Россия) и их совместным воздействием без и после корректировки рН (табл. 1).

Кинетические кривые инактивации E. coli представлены в виде зависимостей логарифмических показателей выживаемости клеток (lg(Nt/N0) от времени обработки (мин). Поскольку полученные кривые характеризовались начальной лаг-фазой («плечо») до логарифмически линейной фазы, константы скорости инактивации по первому порядку (k, мин-1) определены по «логарифмически линейной модели с плечом» с помощью программы GlnaFit

На первом этапе проведены эксперименты в модельной водной матрице — деионизированной воде. При рН 5.3 полная инактивация E. coli, т.е. снижение начального числа клеток на ~5 порядков, при УЗ облучении без персульфата достигнута за 180 мин (k = 1.98×10−5 мин−1), тогда как при рН 3.9 продолжительность облучения для полной дезинфекции сократилось примерно в 2 раза (рис. 1).

Рисунок 1 - Кинетика инактивации E. coli в деионизированной воде соноактивированным персульфатом при разных pH среды

Примечание: [E. coli]0 = 105 КОЕ/мл; [ПС]0 = 0,4 мМ

DOI:10.60797/IRJ.2026.164.15.2

При снижении рН среды клетки E. coli (нейтрофилы) становятся более чувствительными к воздействию. Обработка в водном растворе ПС, без УЗ облучения, привела к полной инактивации E. coli за 90 мин (k = 7.57×10−5 мин−1). Полагаем, что бактерии также инактивируются самим ПС в кислой среде (рН 3.9) за счет его частичного разложения (4):

Совместное воздействие УЗ и ПС существенно ускорило инактивацию при рН 3.9, обеспечив синергический эффект и полное обеззараживание за 60 мин (k = 16.07×10−5 мин−1). Это свидетельствует о том, что ПС эффективно активируется ультразвуком, в результате чего генерируются радикалы (SO4•−, •OH), далее инактивирующие клетки. При рН 5.3 система УЗ/ПС также оставалась более эффективной, несмотря на снижение скорости инактивации (k = 6.05×10−5 мин−1). Полагаем, это связано с более высокой устойчивостью клеток при повышении рН раствора и отсутствием вклада ПС (рис. 1б).

Известно, что компоненты реальной водной матрицы, такие как неорганические анионы и растворенное органическое вещество, являются конкурентами за генерирующиеся радикалы и обычно снижают эффективность обработки воды. В отобранной ПВ преобладают гидрокарбонат- и сульфат-ионы (табл. 2).

Поэтому, далее были исследованы кинетические закономерности инактивации E. coli в реальной водной матрице — природной поверхностной воде без корректировки рН (7.0) и после подкисления до рН 3.9. В нейтральной среде скорость инактивации ультразвуком значительно уменьшилась (k = 0.6×10−5 мин−1) и число клеток снизилось на 1.4 порядка за 180 мин. При этом инактивация только ПС, без УЗ облучения, не наблюдалась. Тем не менее, в системе УЗ/ПС достигнута 100% инактивация E. coli за 135 мин обработки (рис. 2б). Это указывает на то, что эффективность дезинфекции ПВ в нейтральной среде не снижалась по сравнению с ДВ (рН 5.3) и более продолжительное время для обработки ПВ не требовалось. Т.е. в этих условиях ингибирующее влияние компонентов водной матрицы не прослеживалось.

Рисунок 2 - Кинетика инактивации E. coli в природной воде соноактивированным персульфатом при разных pH среды

Примечание: [E. coli]0 = 105 КОЕ/мл; [ПС]0 = 0,4 мМ

DOI:10.60797/IRJ.2026.164.15.4

Заключительная серия экспериментов выполнена в ПВ после подкисления до рН 3.9. В этих условиях, как известно, элиминируются гидрокарбонат-ионы, которые являются основными ловушками генерирующихся радикалов в природной воде. Результаты показали, что вклад УЗ был нивелирован, и полная инактивация достигалась за такое же время, что и при обработке только ПС (рис. 2а). При этом продолжительность обработки ПВ для полной дезинфекции (75 мин) больше, чем ДВ, что отражает влияние компонентов матрицы. Ранее в каталитической системе УЗ (600 кГц)/ПС (0.5 мМ)/Fe0 (0.5 г/л) за 40 мин наблюдалось снижение исходного числа клеток E. coli в дистиллированной и природной поверхностной воде на 5.74 и 3.77 порядка, соответственно

[8]

. В работе

[9]

сообщалось о полной инактивации E. coli в ДВ при обработке соноактивированным ПС при 35 кГц в течение 120 мин. В целом, для некаталитического процесса инактивации предложенная система УЗ/ПС при 1.7 МГц является эффективной, показав снижение исходного числа клеток на 5 порядков (полную дезинфекцию) при обработке природной воды без предварительной корректировки рН.

Результаты исследования показали наибольшую эффективность персульфата, активированного высокочастотным ультразвуком (1.7 МГц), для инактивации E. coli в деионизированной и природной воде при рН 3.9 и 7.0 соответственно. Несмотря на более высокие скорости инактивации клеток в кислой среде, для исключения этапа подкисления воды с последующей нейтрализацией, рекомендуется обработка природной воды при естественных значениях рН без предварительного подкисления. Предложенный метод в перспективе может быть использован в малотоннажных системах дезинфекции природной воды.