1. 引言
露天煤矿疏干水的再生利用是解决煤矿开采水害问题和实现企业水循环利用的有效途径之一 [1]。疏干水是指在煤炭开采过程中从煤层涌出的污水 [2]，目前煤矿疏干水通常经过处理后达标排放，如能转变思路，视中水为一种稳定、具有潜在利用价值的可再生资源 [3]，引入“污水精炼技术”这一先进理念，转变现有基于污染物分解和去除的污水处理模式，通过精细化筛分和高效增值转化，能实现污水资源的安全和高效利用 [4] [5]。
疏干水经过再生处理后可以回用于企业的生产、生活杂用、复垦灌溉或养殖业等各方面 [6]。国家根据再生水用途不同分别制定了相应的标准 [7] [8] [9] [10]，其中包括卫生学指标，即对致病微生物提出限值要求。因此露天煤矿疏干水的再生利用必须要设计消毒工艺，以保障再生水的卫生安全。
目前国内广泛使用的氯消毒效果好、成本低，但氯消毒会产生卤代消毒副产物，给生态系统带来负面影响 [11]。因此需要一种具有广谱杀菌能力、副产物少且生态友好的消毒工艺。臭氧是一种强氧化剂，其消毒灭菌效果优于氯化消毒，其灭菌速度比氯消毒快1000倍左右 [12]，能够杀灭细菌和病毒，副产物少，还能有效去除水中有机污染物、色度、臭和味 [13] [14]，臭氧消毒是一种高效、环境友好的消毒工艺，但在煤矿疏干水的再生利用中应用不多。
本文考察了某露天矿疏干水经过混凝过滤处理工艺的中水及臭氧消毒对大肠杆菌的去除效果，为矿区中水臭氧消毒技术的应用奠定基础。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验方法
实验水样取自某露天矿疏干水和疏干水经过混凝过滤等工艺处理后的中水。实验采用序批式运行模式，每一批次水样体积为2 L，选用SY-100型臭氧消毒装置，臭氧发生量为8 g/h，原水样和经过消毒后的水样直接进行大肠杆菌检测。
为了控制煤矿再生水臭氧消毒的成本，要找到最优反应时间，即在最短的时间内实现最好的消毒效果。对水样进行臭氧消毒处理，反应时间分别为1 min、2 min、3 min、4 min和5 min。对消毒之后的水样进行滤膜过滤，用镊子将滤膜转移至固体培养基上进行培养，以此探究最优消毒反应时间。
本研究中的某露天矿所在地区季节温差较大，为了保证不同季节臭氧消毒效果，研究不同水温条件下的臭氧粪链球菌杀灭率是必须的。在最优反应时间条件下，模拟在5℃、18℃和28℃时对水样进行消毒处理以此模拟冬夏季水温对消毒效果的影响。
本研究涉及的某露天煤矿疏干水和中水的pH在6.9~7.2范围内，为了研究水样不同pH值是否对臭氧消毒效果产生负面效应，在最优反应时间条件下，调节水样PH值为6、7、8和9，对水样进行消毒以此探究pH对消毒效果的影响。
大肠菌群检测 [15]：
将培养基200 ml加热溶解，进行高压灭菌处理，并对实验中所用到的滤膜、镊子、培养皿、过滤器等实验器材进行灭菌处理。对灭菌后的培养基进行冷却，在50℃时分别加入配套试剂并倒入培养皿中让其凝固备用。
用灭菌镊子夹取灭菌滤膜边缘部分，将粗糙面向上，贴放在已灭菌的滤床上，固定好滤器，将100 mL水样(如水样含菌数较多，可减少过滤水样量，或将水样稀释)注入滤器中，打开滤器阀门，在−5.07 × 104 Pa (负0.5大气压)下抽滤。水样滤完后，再抽气约5 s，关上滤器阀门，取下滤器，用灭菌镊子夹取滤膜边缘部分，移放在品红亚硫酸钠培养基上，滤膜截留细菌面向上，滤膜应与培养基完全贴紧，两者间不得留有气泡，然后将平皿倒置，放入36℃ ± 1℃恒温箱内培养24 ± 2 h。
2.2. 实验仪器
FA2104N型电子分析天平、GZX-9140MBE型手提式压力蒸汽灭菌锅、100级超净工作台、DL-1型万用电炉、雷磁PHSJ-5型pH计、细菌恒温培养箱。
2.3. 药品
品红亚硫酸钠培养基，革兰氏染色液。
3. 结果与讨论
3.1. 不同反应时间对大肠杆菌臭氧杀灭率的影响
研究了臭氧消毒不同反应时间对实验水体中大肠杆菌杀灭情况。保持实验系统臭氧发生量为8 g/h，分别在保持反应时间为1 min、2 min、3 min、4 min和5 min，所得实验结果如下：
Table 1. Experimental results of different reaction times
表1. 不同反应时间实验结果
Figure 1. Effect of reaction time on bactericidal rate
图1. 反应时间对杀灭率的影响
由实验结果(表1和图1)可以看出，露天矿疏干水经过混凝和过滤后，中水中大肠杆菌含量为420 cfu/mL。根据国标《无公害食品畜禽饮用水水质》(NY 5027-2008)中畜禽饮用水水质安全指标的要求，大肠菌群超标。中水在臭氧消毒过程中，大肠杆菌含量随反应时间的延长而下降，在反应时间为1 min期间尤为明显，说明在此期间为氧自由基与细菌反应的活跃期。活性氧自由基能与大肠杆菌在短时间内反应，在反应时间为1 min时，大肠杆菌含量从420 cfu/mL降低至5 cfu/mL，杀灭率达到98.8%，反应时间为4 min时，大肠杆菌杀灭率达到100%，水样中细菌全部杀灭。由于活性氧自由基具有极强的氧化性和杀菌能力，因此可以在极短的时间内与水中的大肠杆菌发生反应，极大的缩短了反应时间。
3.2. 不同pH对大肠杆菌臭氧杀灭率的影响
煤矿疏干水pH值与煤的存在状态、煤含硫量、涌水量和涌水流经岩层等因素密切相关，本研究中的某露天煤矿疏干水和中水的pH在6.9~7.2范围内，属于中性范围，因此本研究在中性pH范围内展开实验水体灭菌实验，考察水体pH对灭菌效果的影响。保持实验系统臭氧发生量为8 g/h，反应时间为4 min，所得实验结果如下：
Table 2. Experimental results of different pH
表2. 不同pH实验结果
从实验结果(表2)来看，在实验水体pH分别为6、7、8、9时，保持反应时间为4 min，大肠杆菌的杀灭率均达到100%。即在pH为6~9的中性范围内，臭氧消毒在对某煤矿中水的灭菌效果不受pH变化的影响，高效实现细菌灭活。
3.3. 不同水温对大肠杆菌臭氧杀灭率的影响
某露天煤矿所在地区四季分明，露天矿疏干水和中水水温受季节影响变化较大，因此本部分研究考察不同水温对细菌杀灭率的影响。保持实验系统臭氧发生量为8 g/h，反应时间为4min，分别考察水温分别为5℃、18℃和28℃条件下细菌杀灭率的变化，研究结果如下：
Table 3. Experimental results of different water temperature
表3. 不同水温下的实验结果
分析实验结果(表3)，在水温分别是5℃、18℃和28℃条件下，保持反应时间为4 min，大肠杆菌杀灭率均达到100%。实验表明臭氧消毒设备在对露天矿中水的灭菌效果不受水温变化的影响，能够适应露天矿所在地区的季节变化。
4. 结论
臭氧消毒技术应用于某露天煤矿疏干水的灭菌，疏干水经过混凝和过滤后，大肠杆菌含量为420 cfu/mL。中水经过臭氧消毒后，大肠杆菌杀灭率可达100%，最佳实验条件为：臭氧发生量为8 g/h，反应时间4 min。对水温在5℃、18℃和28℃条件下，和pH为6、7、8、9条件下，臭氧消毒对大肠杆菌的杀灭率均可保持在100%。说明臭氧消毒能够高效实现露天矿疏干水和中水的消毒，保证其微生物安全性。