家用及类似用途饮用水处理装置对饮用水中病毒净化性能的评价

孙胜敏 索依拉 王祎珂 王肖 官杰

摘 要：通过选用对人体无害的大肠杆菌噬菌体作为饮用水中病毒的模拟物，建立家用及类似用途饮用水处理装置对饮用水中病毒凈化性能的评价方法，并对比不同家用及类似用途饮用水处理装置关键部件对饮用水中病毒的净化性能，研究发现，前置处理装置PP棉滤芯与后置调节口感活性炭滤芯由于孔径较大，对饮用水中病毒颗粒无净化效果，具有较大比表面积的烧结活性炭滤芯基于活性炭的吸附作用，可以去除饮用水中99%以上的病毒颗粒，但随着累积净水量的增加，活性的吸附位点被占据，导致净化性能降低；膜过滤装置中，超滤滤芯可去除水体中99%的病毒颗粒，纳滤及反渗透滤芯课完全去除饮用水中的病毒颗粒。可见，纳滤及反渗透滤芯可满足饮用水中病毒颗粒的净化需求。

关键词：饮用水处理，病毒，噬菌体，滤芯，净化

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.11.030

0 引 言

本文选用对人体无害的大肠杆菌噬菌体作为饮用水中病毒的模拟物，大肠杆菌噬菌体，是指寄生在大肠杆菌内的一种噬菌体，属于细胞病毒的一种[1-2]。大肠杆菌噬菌体Phi-X174在大小和形状上与丙型肝炎病毒（HCV）相似，其大小在80 nm左右，并且也可代表乙型肝炎病毒（HBV）和人类免疫缺陷性病毒（HIV）。大肠杆菌噬菌体MS2是二十面体的单链正义RNA病毒[3]，通过电子显微镜确定，MS2病毒体（病毒颗粒）的直径约为27 nm。MS2由于其与诺如病毒的结构相似性，其相似的最佳增殖条件以及对人类的非致病性，已被用于疾病传播研究中诺如病毒的替代品[4]。本实验以大肠杆菌噬菌体Phi-X174和MS2作为饮用水中病毒模拟物[5]，实现家用及类似用途饮用水处理装置对饮用水中病毒净化性能的研究。

1 饮用水处理装去除饮用水中噬菌体测试方法

1.1 检测方法

试验采取无菌操作技术，实验室环境、试验操作及其他涉及生物安全的部分应符合GB 19489的要求。

1）试验用噬菌体及宿主

噬菌体在平板上形成的噬菌斑如图1所示。

噬菌体：P h i - X 1 7 4（A T C C 1 3 7 0 6 - B 1，NBRC103405）

宿主细胞：大肠埃希氏菌（A T C C 1 3 7 0 6，NBRC13898）

噬菌体：MS2（NBRC102619）

宿主细胞：大肠埃希氏菌（NBRC3012）

2）使用灭菌去离子水对噬菌体原液进行稀释，将噬菌液浓度调节至106 PFU/mL～107 PFU/mL，作为加标液，供试验使用。

在进水压力为（0.24±0.02）MPa的条件下，向不同过滤精度的饮用水净化装置中通入噬菌体加标液进行测试，分别在流入样本取样点和流出样本取样点进行取样。

通过对比试验组和对照组的噬菌体滴度，计算饮用水处理装置对水体中噬菌体的去除率，噬菌体去除率按照下列公式计算：

式中：RV为噬菌体去除率，%；Va为对照组回收的噬菌体滴度，PFU/mL；Vb为试验组回收的噬菌体滴度，PFU/mL。

2 各类净水部件对饮用水中噬菌体的净化性能研究

2.1 不同饮用水处理装置对饮用水中病毒净化性能研究

根据家用及类似用途饮用水处理装置净水部件净化性能的不同，分别研究了PP棉滤芯、活性炭滤芯、超滤滤芯、纳滤滤芯、反渗透滤芯对饮用水中Phi-X174和MS2噬菌体的净化效果，测试效果见表1和表2，图2和图3。

以Phi-X174和MS2噬菌体为目标物，对比家用及类似用途净水装置的不同滤芯对大肠杆菌噬菌体Phi-X174和MS2的净化性能。

由表1和表2及图2和图3可以看出，PP棉滤芯过滤精度在0.1μm～10μm之间，能够有效去除水质中的泥沙、铁锈、细菌、化学污染物等粒径较大的物质，由于噬菌体的大小远小于细菌的粒径，PP棉滤芯对饮用水中噬菌体的过滤效果较差，过滤效率不足10%，无法去除饮用水中病毒。

基于活性炭滤芯较强的吸附作用及大比表面积，活性炭滤芯对饮用水中噬菌体的净化性能有了大幅度提高，其净化效率高于90%，实验中，我们对比了颗粒活性炭滤芯、烧结活性炭滤芯及调节口感活性炭滤芯对饮用水中病毒的过滤性能，由于烧结活性炭滤芯颗粒间空隙较小，表面积更大，过滤效率高于颗粒活性炭和调节口感活性滤芯的净化性能，。

超滤滤芯的过滤精度在0.01 μm～0.1 μm，可以彻底地过滤水中的大颗粒杂质及微生物，但是由于病毒粒径大小远小于微生物，Phi-X174和MS2噬菌体的粒径分别是80 nm及20 nm左右，由以上图表可见超滤滤芯对饮用水中Phi-X174和MS2噬菌体具有较高的过滤效率。

纳滤滤芯可以去除饮用水中粒径介于1 nm到几纳米的颗粒物，并且对饮用水中二价离子具有很好的去除效果，由于Phi-X174和MS2噬菌体的尺寸大于纳滤滤芯的过滤精度，可实现饮用水中病毒的精准净化。

反渗透滤芯是目前过滤精度最高的家用及类似用途饮用水处理装置的净水部件，其可以去除饮用水中的一价离子，可完全实现饮用水中病毒颗粒物的去除。

2.2 累积状态下净水部件对饮用水中噬菌体的净化效果

为研究净水部件在累积净水环境中，对饮用水噬菌体的净化性能进行研究。由于纳滤滤芯及反渗透滤芯可以很好的去除饮用水中的病毒颗粒物，超滤滤芯和烧结活性炭滤芯对饮用水中噬菌体的去除率可达90%以上，具有较好的去除效果。本部分试验研究了随着累积净水量的增加，超滤滤芯与烧机活性炭滤芯对Phi-X174和MS2噬菌体的去除效果，见表3和表4，图4～7。

通过研究累积净水量对超滤滤芯和活性炭滤芯净化性能的影响，以上数据显示，以过滤方式去除饮用水中杂质的超滤滤芯随着累积净水量的不断增加，超滤滤芯对phi-X174和MS2噬菌体累积净化效率不断增加，这是因为随着净水量的增加，过滤后的噬菌体不断累积，附着在滤膜表面，减小了滤膜的过滤孔径，提高了滤膜对噬菌体的过滤效率。

通过图6可以看出，超滤滤芯对MS2噬菌体的过滤效率低于对Phi-X174噬菌体，Phi-X174噬菌体的粒径在80 nm左右，而MS2噬菌体的粒径在20 nm左右，由于MS2的粒径要小于Phi-X174，超滤滤芯的过滤精度在10 nm～100 nm之间，故超滤滤芯对粒径较大的Phi-X174的过滤效率要优于粒径较小的MS2。

随着累积净水量的增加，被过滤的噬菌体附着在滤膜表面，导致滤膜孔径被堵塞，提高了滤芯的过滤精度，使两种噬菌体的过滤效率均得到提高。

由图7可以看出，烧结活性炭滤芯对饮用水中噬菌体的过滤效率随着累积净水量的增加而不断减小。这是因为活性炭滤芯对饮用水中病毒颗粒物的净化是基于活性炭的吸附作用。与颗粒活性炭滤芯相比，烧结活性炭滤芯具有较高的比表面积，由于MS2的粒径要小于Phi-X174，活性炭对MS2具有较高的吸附作用，故活性炭滤芯对MS2的过滤效率更高，但是随着累积净水量的不断增加，由于病毒颗粒物在活性炭表面不断吸附，降低了滤芯对水体中病毒颗粒的吸附作用，導致随着累积净水量的增加，烧结活性炭滤芯对饮用水中病毒的吸附能力逐渐降低。

3 结 论

综上所述，由于病毒粒径远小于细菌颗粒，对家用及类似用途饮用水处理装置的净化性能提出更高的要求，通过上述实验可知，在净水系统的前置过滤装置如PP棉滤芯及后置活性炭调节口感滤芯不具有饮用水中病毒的净化性能，不能精准净化饮用水中的病毒颗粒；烧结活性炭滤芯和超滤滤芯可以去除饮用水中99%以上的病毒颗粒，烧结活性炭滤芯基于活性炭的表面吸附作用，而超滤滤芯基于滤膜孔径过滤，所以随着累积净水量的增加，前者的净化效率不断下降，而后者呈上升趋势；纳滤滤芯及反渗透滤芯可以完全去除饮用水中的病毒颗粒。

参考文献

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骆海朋，瞿洪仁，任秀，等.诺如病毒检验用大肠杆菌噬菌体MS2标准物质的研制[J]，食品安全质量检测学报，2021，10：6788-6794.

王维军，李楠.用大肠杆菌噬菌体和细菌的检验评价饮用水的安全性[J].吉林造纸，1998，1：43-46.

作者简介

孙胜敏，本科，主要从事产品质量安全研究及实验室管理。

（责任编辑：袁文静）