等离子体放电双重作用：粪肠球菌灭活与四环素降解及环境安全出水研究

《Water Research X》：Dual Action of Plasma discharge: E. faecalis Inactivation and Tetracycline Degradation with eco-safe effluents

本研究针对废水再生中病原微生物和新兴污染物的共存难题，开发了一种新型电晕等离子体放电技术。研究人员通过产生活性氧氮物种(RONS)，在15分钟内实现粪肠球菌(Enterococcus faecalis)4-5个对数值的灭活，同时降解85-99%的四环素。该技术能耗低至23 Wh，处理后的等离子体活化水(PAW)对萝卜、番茄等种子无植物毒性且具促生长效应，为农业废水回用提供了可持续解决方案。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，淡水资源的稀缺已成为严峻挑战。过度开发、农业污染以及低效的废水处理技术进一步加剧了水资源危机。传统的废水再生技术如氯消毒会产生有害副产物，紫外光处理则存在微生物再生风险。特别是病原微生物（如粪肠球菌）和新兴污染物（如抗生素）的共存，对现有处理工艺提出了更高要求。

在这项发表于《Water Research X》的研究中，西班牙马德里理工大学团队创新性地利用等离子体放电技术，实现了废水的高效净化和资源化利用。研究人员设计了一种独特的电晕放电反应器，通过在涡流中心产生4-8 kV的瞬态火花放电，将大气中的空气电离生成丰富的活性氧氮物种(RONS)。

研究团队采用多矩阵验证策略，分别在去离子水(DW)、自来水(TW)和模拟废水(SWW)中评估处理效果。关键实验技术包括：等离子体放电系统（配备高压探头和电流探头进行电学表征）、微生物培养与计数（采用平板涂布法和滴注法检测粪肠球菌ATCC? 29212TM）、高效液相色谱（HPLC分析四环素降解率）、离子色谱（测定NO₃^-/NO₂^-等离子浓度）以及植物毒性实验（通过种子发芽率评估生物安全性）。

3.1 粪肠球菌灭活

pH值是影响灭活效率的关键因素。研究发现等离子体处理能快速降低水体pH至4以下（DW和SWW仅需2.5分钟，TW需10分钟），酸性环境与RONS协同作用显著提升灭活效率。在最优条件下，DW、SWW和TW分别仅需5、10和15分钟即可实现粪肠球菌完全灭活（下降4-5个对数值）。值得注意的是，极端碱性条件（pH=11）反而会延缓灭活进程。

3.2 四环素和粪肠球菌同步去除

当两种污染物共存时，存在明显的竞争反应机制。四环素的降解率在DW、TW和SWW中分别达到97.7%、96.3%和91.6%，但粪肠球菌的灭活时间延长至30分钟（DW/SWW）和20分钟（TW）。这表明RONS会同时攻击污染物，导致降解效率重新分配。能量效率计算显示，该技术的单位处理能耗（1.92-9.6 kWh/m3）显著低于传统高级氧化工艺。

3.3 活性物种与PAW化学组成

通过清除剂实验鉴定出单线态氧(¹O₂)和羟基自由基(·OH)是降解过程的主要活性物种，分别贡献约45%和30%的四环素降解效率。等离子体活化后水体理化性质发生显著变化：硝酸盐浓度升至89-115 mg/L，过氧化氢和臭氧浓度分别达1.3-4.5 mg/L和1.32-2.0 mg/L，这些变化共同促使氧化还原电位(ORP)提升至400-500 mV。

3.5 植物毒性与肥效分析

最具应用价值的是，处理后的出水对萝卜和番茄种子无植物毒性，且表现出促生长特性。萝卜胚根生长提升85%-150%，番茄提升2%-64%。储存3-6天的PAW仍保持肥效，但随氮物种浓度衰减而效果减弱。这证实了PAW作为液态肥料的潜力，但需注意硝酸盐浓度可能超出欧盟标准，建议通过稀释后农用。

该研究成功验证了等离子体放电技术的双重环境效益：一方面通过RONS的高效氧化实现病原微生物和抗生素的同步去除，另一方面生成的氮营养盐可转化为农业肥料。这种"以废治废"的创新模式，为废水再生与农业回用提供了技术支撑，特别是其低能耗（23 Wh）和简单结构优势，为工程化放大奠定了坚实基础。未来研究需重点关注降解中间产物的毒理学评估，以及反应器结构的优化设计以控制氮污染物浓度。