消毒劑余量與AOC對(duì)管壁生物膜生長(zhǎng)控制的研究

魯巍¹，張曉健¹，何文杰²，韓宏大²
（1. 清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084; 2. 天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津 300040 ）

　　摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配水試驗(yàn)和小型動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的研究，確定了控制管壁生物膜生長(zhǎng)的消毒劑余量和AOC濃度。研究表明，0.05mg/L余氯量對(duì)管壁生物膜的生長(zhǎng)繁殖無(wú)顯著影響，與不投加消毒劑時(shí)生物膜的穩(wěn)態(tài)生物量無(wú)顯著差異。AOC濃度低于150µg/L，余氯量控制在0.3~0.5mg/L時(shí)，生物膜穩(wěn)態(tài)生物量低于103CFU/cm2，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。余氯量高于1.0mg/L時(shí)，生物膜基本不生長(zhǎng)。無(wú)消毒劑條件下，即使保證較低AOC濃度，膜細(xì)菌數(shù)量仍可達(dá)到104CFU/cm2量級(jí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效控制。研究證明了生物膜的脫落是懸浮菌數(shù)量的主要影響因素，膜脫落過(guò)程滿足一級(jí)動(dòng)力學(xué)。
　　關(guān)鍵詞：生物膜，飲用水，消毒，AOC

　　[2]給水管道表面細(xì)菌附著生長(zhǎng)形成生物膜，消毒劑與管道材料、表面沉積物、腐蝕產(chǎn)物間發(fā)生氧化反應(yīng)大量消耗，降低了其對(duì)細(xì)菌的滅活作用，導(dǎo)致細(xì)菌在管壁上仍可大量繁殖[1]。并且隨著生物膜的生長(zhǎng)，生物膜不斷脫落，細(xì)菌不斷進(jìn)入水體，重新引起飲用水的微生物風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，管壁生物膜的生長(zhǎng)是影響管網(wǎng)水中懸浮菌數(shù)量的重要因素。目前，國(guó)外在管壁生物膜的研究領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究，而我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究?jī)H處于起步階段，僅有對(duì)實(shí)際管網(wǎng)爆管后所取管垢進(jìn)行微生物種群分析的相關(guān)報(bào)道[3]，缺乏對(duì)管壁生物膜生長(zhǎng)特性及控制對(duì)策的系統(tǒng)研究。本文研究的目的是評(píng)價(jià)基質(zhì)條件、消毒劑濃度兩個(gè)主要因素對(duì)管壁生物膜生長(zhǎng)的影響，并確定生物膜脫落與懸浮菌量間的定量化關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 懸浮菌數(shù)量測(cè)試方法
　　異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)（HPC）：國(guó)內(nèi)均采用傳統(tǒng)牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，國(guó)外多采用R2A培養(yǎng)基進(jìn)行平板計(jì)數(shù)^[4]。后者的培養(yǎng)條件和營(yíng)養(yǎng)成分更加適合細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，其計(jì)數(shù)結(jié)果較傳統(tǒng)培養(yǎng)基高出約1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此本試驗(yàn)中均采用R2A培養(yǎng)基進(jìn)行平板計(jì)數(shù)。
　　R2A^[5]培養(yǎng)基基本組成為：酵母浸膏0.5g，蛋白胨0.5g，酸水解干酪素0.5g，葡萄糖0.5g，可溶性淀粉0.5g，丙酮酸鈉0.3g，K2HPO4 0.3g，MgSO4·7H2O 0.05g，瓊脂15g，pH 7.0~7.2，溶于1L水。培養(yǎng)溫度為22℃，培養(yǎng)時(shí)間7天。
1.2 生物膜剝離及定量的方法[6]
　　生物膜采用生物膜反應(yīng)器進(jìn)行培育，經(jīng)8天后，取出生物膜載片進(jìn)行測(cè)試。首先使用2根滅菌棉簽先后向下擦拭載片掛膜面各5次，擦拭完后將兩根棉簽一起放入盛有10mL緩沖溶液的試管中，使用超聲波清洗器清洗，超聲電功率500w，工作頻率40KHz。超聲波作用20分鐘左右后，從試管中取出100µL水樣稀釋?zhuān)M(jìn)行平板計(jì)數(shù)。
1.3 消毒劑濃度定量方法
　　試驗(yàn)采用提前配好的次氯酸鈉溶液和氯胺溶液進(jìn)行試驗(yàn)，余氯量采用DPD－FAS滴定法標(biāo)定有效氯，測(cè)定隨時(shí)間變化的氯胺消毒曲線時(shí)，步驟和氯消毒相似^[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)際給水管網(wǎng)懸浮菌數(shù)量調(diào)查
　　從2003年3月開(kāi)始至2004年6月從天津市芥園水廠配水管網(wǎng)不同取樣點(diǎn)測(cè)試了共78個(gè)水樣中的懸浮菌數(shù)量，圖1為懸浮菌數(shù)量的累積分布圖。從圖中可以看出，芥園管網(wǎng)細(xì)菌總數(shù)分布在10¹～10⁴量級(jí)，水樣中僅22%可達(dá)到<500CFU/mL的標(biāo)準(zhǔn)（USEPA），約21%水樣中細(xì)菌總數(shù)甚至>104CFU/mL。USEPA規(guī)定了HPC<500CFU/mL的標(biāo)準(zhǔn)，其中有關(guān)HPC危害的定義為：HPC不是評(píng)價(jià)健康風(fēng)險(xiǎn)的直接指標(biāo)，僅僅是測(cè)量水體中細(xì)菌數(shù)量的一種方法，但是飲用水中HPC數(shù)量越低說(shuō)明管網(wǎng)系統(tǒng)細(xì)菌生長(zhǎng)的控制情況越好。從對(duì)芥園管網(wǎng)細(xì)菌總數(shù)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，細(xì)菌數(shù)量普遍偏高，管網(wǎng)水水質(zhì)生物穩(wěn)定性差。

圖1 管網(wǎng)水中懸浮菌數(shù)量累積分布圖

　　水廠出水消毒后，在給水管網(wǎng)中仍然保持相對(duì)較高的余氯量以抑制懸浮細(xì)菌的重新生長(zhǎng)，但是由于胞外多聚物的形成使得生物膜微生物對(duì)外界不良環(huán)境的抗性明顯強(qiáng)于游離態(tài)的同種微生物（Wingender發(fā)現(xiàn)氧化性消毒劑Cl₂，可以通過(guò)與EPS反應(yīng)而被消耗掉^[8]）。因此，生物膜的生長(zhǎng)繁殖可能是芥園管網(wǎng)細(xì)菌數(shù)量較高的重要原因。
2.2 余氯量和AOC含量對(duì)生物膜生長(zhǎng)的影響
　　由于在實(shí)際管網(wǎng)中進(jìn)行生物膜生長(zhǎng)特性的研究存在取樣困難，試驗(yàn)條件不可控等難點(diǎn)，因此生物膜部分主要利用AR（Annular Reactor）反應(yīng)器模擬給水管道中的實(shí)際條件來(lái)培育生物膜。
　　圖2為采用化合氯作為消毒劑時(shí)，不同余氯量和AOC（Assimilable Organic Carbon）濃度對(duì)于穩(wěn)態(tài)生物膜生物量的影響。從圖2中可以看出，AOC和余氯量的雙重控制可以有效降低生物膜的穩(wěn)態(tài)生物量。0.05mg/L的余氯量無(wú)法滿足控制管壁生物膜生長(zhǎng)的要求，與不投加消毒劑時(shí)的生物膜穩(wěn)態(tài)生物量沒(méi)有顯著差異。隨著余氯量的增加，穩(wěn)態(tài)生物膜的生物量呈下降趨勢(shì)。余氯量高于1.0mg/L時(shí)，幾種AOC濃度下生物膜的生長(zhǎng)都得到了抑制。隨著AOC濃度的降低，穩(wěn)態(tài)生物膜的生物量也呈下降趨勢(shì)。當(dāng)AOC濃度低于150µg/L，余氯量控制在0.3～0.5mg/L時(shí)，生物膜穩(wěn)態(tài)生物量基本低于10³CFU/cm²，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。

圖2 不同AOC濃度下化合氯余量對(duì)穩(wěn)態(tài)生物膜生物量的影響

　　與化合氯消毒類(lèi)似，從0.05mg/L的自由氯余量條件下生物膜穩(wěn)態(tài)生物量與不投加消毒劑時(shí)的生物量無(wú)顯著差異。隨著余氯量的增加，穩(wěn)態(tài)生物膜的生物量呈下降趨勢(shì)。余氯量高于1.0mg/L時(shí)，幾種AOC濃度下生物膜的生長(zhǎng)都得到了抑制。隨著AOC濃度的降低，穩(wěn)態(tài)生物膜的生物量也呈下降趨勢(shì)。當(dāng)AOC濃度低于150µg/L，余氯量控制在0.3～0.5mg/L時(shí)，生物膜穩(wěn)態(tài)生物量基本低于10³CFU/cm²，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。

圖3 不同AOC濃度下游離氯余量對(duì)穩(wěn)態(tài)生物膜生物量的影響

2.3 生物膜脫落與懸浮菌數(shù)量的關(guān)系
　　對(duì)反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行物料衡算可得下式：

log（X_fe）=n·log（X_a）＋log（k_bd/（Q/A+k_fa·R））

　　式中Xfe表示出水中的懸浮菌量（CFU/mL），Q表示反應(yīng)器進(jìn)水量（mL/h），V為反應(yīng)器有效容積（mL），A表示反應(yīng)器中載片有效附著面積（cm²），kfa表示懸浮菌附著速率常數(shù)，R表示反應(yīng)器有效體積與生物膜有效附著面積的比值，kbd表示生物膜的脫落速率常數(shù)，Xa為生物膜生物量（CFU/cm²），n表示脫落過(guò)程為n級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
　　圖4為AR反應(yīng)器出水懸浮菌數(shù)量和反應(yīng)器中生物膜生物量的相關(guān)關(guān)系。從圖中可以看出，穩(wěn)態(tài)生物膜生物量和懸浮菌數(shù)量的對(duì)數(shù)值呈線性相關(guān)。結(jié)合上式可知生物膜的脫落符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，即式中n=1。

圖4 反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)條件下生物膜生物量與出水懸浮菌量的關(guān)系

3 結(jié)論

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配水試驗(yàn)研究了管壁生物膜的生長(zhǎng)特性及其生長(zhǎng)控制條件，主要結(jié)論如下：
　　（1）0.05mg/L的余氯量對(duì)于管壁生物膜的生長(zhǎng)繁殖無(wú)顯著影響，與不投加消毒劑時(shí)生物膜的穩(wěn)態(tài)生物量無(wú)顯著差異。我國(guó)目前飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的管網(wǎng)末梢余氯量<0.05mg/L的標(biāo)準(zhǔn)要求可能無(wú)法滿足控制管壁生物膜生長(zhǎng)的要求。
　　（2）在我國(guó)目前的飲用水水質(zhì)條件下，將余氯量控制在0.3mg/L以上時(shí)，生物膜穩(wěn)態(tài)生物量可基本在103CFU/cm2水平以下，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。
　　（3）從生物膜生物量與懸浮菌數(shù)量間的線性關(guān)系可以推斷，生物膜的脫落是影響懸浮菌數(shù)量的主要因素。

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魯巍，男，1978年生，博士，現(xiàn)工作于北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院， 100045
Tel：010－68024030，F(xiàn)ax：68024676，E-mail：luwei02@tsinghua.org.cn。

張曉健，男，博士，教授，博導(dǎo)，
Tel：010－62781779，F(xiàn)ax：62785687，E-mail：zhangxj@mail.tsinghua.edu.cn。