消毒劑余量與AOC對管壁生物膜生長控制的研究

魯巍¹，張曉健¹，何文杰²，韓宏大²
（1. 清華大學環境科學與工程系，北京 100084; 2. 天津市自來水集團有限公司，天津 300040 ）

　　摘要：通過實驗室配水試驗和小型動態試驗的研究，確定了控制管壁生物膜生長的消毒劑余量和AOC濃度。研究表明，0.05mg/L余氯量對管壁生物膜的生長繁殖無顯著影響，與不投加消毒劑時生物膜的穩態生物量無顯著差異。AOC濃度低于150µg/L，余氯量控制在0.3~0.5mg/L時，生物膜穩態生物量低于103CFU/cm2，可以實現有效控制。余氯量高于1.0mg/L時，生物膜基本不生長。無消毒劑條件下，即使保證較低AOC濃度，膜細菌數量仍可達到104CFU/cm2量級，無法實現有效控制。研究證明了生物膜的脫落是懸浮菌數量的主要影響因素，膜脫落過程滿足一級動力學。
　　關鍵詞：生物膜，飲用水，消毒，AOC

　　[2]給水管道表面細菌附著生長形成生物膜，消毒劑與管道材料、表面沉積物、腐蝕產物間發生氧化反應大量消耗，降低了其對細菌的滅活作用，導致細菌在管壁上仍可大量繁殖[1]。并且隨著生物膜的生長，生物膜不斷脫落，細菌不斷進入水體，重新引起飲用水的微生物風險[2]。因此，管壁生物膜的生長是影響管網水中懸浮菌數量的重要因素。目前，國外在管壁生物膜的研究領域已經進行了一定的研究，而我國在相關領域的研究僅處于起步階段，僅有對實際管網爆管后所取管垢進行微生物種群分析的相關報道[3]，缺乏對管壁生物膜生長特性及控制對策的系統研究。本文研究的目的是評價基質條件、消毒劑濃度兩個主要因素對管壁生物膜生長的影響，并確定生物膜脫落與懸浮菌量間的定量化關系。

1 試驗材料和方法

1.1 懸浮菌數量測試方法
　　異養菌平板計數（HPC）：國內均采用傳統牛肉膏蛋白胨培養基，國外多采用R2A培養基進行平板計數^[4]。后者的培養條件和營養成分更加適合細菌生長繁殖，其計數結果較傳統培養基高出約1~2個數量級，因此本試驗中均采用R2A培養基進行平板計數。
　　R2A^[5]培養基基本組成為：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。培養溫度為22℃，培養時間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器進行培育，經8天后，取出生物膜載片進行測試。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，進行平板計數。
1.3 消毒劑濃度定量方法
　　試驗采用提前配好的次氯酸鈉溶液和氯胺溶液進行試驗，余氯量采用DPD－FAS滴定法標定有效氯，測定隨時間變化的氯胺消毒曲線時，步驟和氯消毒相似^[7]。

2 試驗結果與討論

2.1 實際給水管網懸浮菌數量調查
　　從2003年3月開始至2004年6月從天津市芥園水廠配水管網不同取樣點測試了共78個水樣中的懸浮菌數量，圖1為懸浮菌數量的累積分布圖。從圖中可以看出，芥園管網細菌總數分布在10¹～10⁴量級，水樣中僅22%可達到<500CFU/mL的標準（USEPA），約21%水樣中細菌總數甚至>104CFU/mL。USEPA規定了HPC<500CFU/mL的標準，其中有關HPC危害的定義為：HPC不是評價健康風險的直接指標，僅僅是測量水體中細菌數量的一種方法，但是飲用水中HPC數量越低說明管網系統細菌生長的控制情況越好。從對芥園管網細菌總數的測量結果來看，細菌數量普遍偏高，管網水水質生物穩定性差。

圖1 管網水中懸浮菌數量累積分布圖

　　水廠出水消毒后，在給水管網中仍然保持相對較高的余氯量以抑制懸浮細菌的重新生長，但是由于胞外多聚物的形成使得生物膜微生物對外界不良環境的抗性明顯強于游離態的同種微生物（Wingender發現氧化性消毒劑Cl₂，可以通過與EPS反應而被消耗掉^[8]）。因此，生物膜的生長繁殖可能是芥園管網細菌數量較高的重要原因。
2.2 余氯量和AOC含量對生物膜生長的影響
　　由于在實際管網中進行生物膜生長特性的研究存在取樣困難，試驗條件不可控等難點，因此生物膜部分主要利用AR（Annular Reactor）反應器模擬給水管道中的實際條件來培育生物膜。
　　圖2為采用化合氯作為消毒劑時，不同余氯量和AOC（Assimilable Organic Carbon）濃度對于穩態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態生物量。0.05mg/L的余氯量無法滿足控制管壁生物膜生長的要求，與不投加消毒劑時的生物膜穩態生物量沒有顯著差異。隨著余氯量的增加，穩態生物膜的生物量呈下降趨勢。余氯量高于1.0mg/L時，幾種AOC濃度下生物膜的生長都得到了抑制。隨著AOC濃度的降低，穩態生物膜的生物量也呈下降趨勢。當AOC濃度低于150µg/L，余氯量控制在0.3～0.5mg/L時，生物膜穩態生物量基本低于10³CFU/cm²，可以實現有效控制。

圖2 不同AOC濃度下化合氯余量對穩態生物膜生物量的影響

　　與化合氯消毒類似，從0.05mg/L的自由氯余量條件下生物膜穩態生物量與不投加消毒劑時的生物量無顯著差異。隨著余氯量的增加，穩態生物膜的生物量呈下降趨勢。余氯量高于1.0mg/L時，幾種AOC濃度下生物膜的生長都得到了抑制。隨著AOC濃度的降低，穩態生物膜的生物量也呈下降趨勢。當AOC濃度低于150µg/L，余氯量控制在0.3～0.5mg/L時，生物膜穩態生物量基本低于10³CFU/cm²，可以實現有效控制。

圖3 不同AOC濃度下游離氯余量對穩態生物膜生物量的影響

2.3 生物膜脫落與懸浮菌數量的關系
　　對反應器達到穩態后的細菌數量進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表示反應器進水量（mL/h），V為反應器有效容積（mL），A表示反應器中載片有效附著面積（cm²），kfa表示懸浮菌附著速率常數，R表示反應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，Xa為生物膜生物量（CFU/cm²），n表示脫落過程為n級動力學過程。
　　圖4為AR反應器出水懸浮菌數量和反應器中生物膜生物量的相關關系。從圖中可以看出，穩態生物膜生物量和懸浮菌數量的對數值呈線性相關。結合上式可知生物膜的脫落符合一級動力學過程，即式中n=1。

圖4 反應器穩態條件下生物膜生物量與出水懸浮菌量的關系

3 結論

　　通過實驗室配水試驗研究了管壁生物膜的生長特性及其生長控制條件，主要結論如下：
　　（1）0.05mg/L的余氯量對于管壁生物膜的生長繁殖無顯著影響，與不投加消毒劑時生物膜的穩態生物量無顯著差異。我國目前飲用水水質標準中規定的管網末梢余氯量<0.05mg/L的標準要求可能無法滿足控制管壁生物膜生長的要求。
　　（2）在我國目前的飲用水水質條件下，將余氯量控制在0.3mg/L以上時，生物膜穩態生物量可基本在103CFU/cm2水平以下，可以實現有效控制。
　　（3）從生物膜生物量與懸浮菌數量間的線性關系可以推斷，生物膜的脫落是影響懸浮菌數量的主要因素。

參考文獻

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3.馬從容. 蚌埠市飲用水的生物穩定性研究. 工業用水與廢水，2001，32（4）：16-21
4.俞毓馨等. 環境工程微生物檢驗手冊. 北京: 中國環境科學出版社，1990. 136-144
5.Reasoner D J and Gleidrich E E. A new medium for the enumeration and subculture of bacteria from potable water. Appl. Environ. Microbiol., 1985, 49: 1-7
6.魯巍，王云等，BAR反應器中生物膜分離及定量方法的研究，中國給水排水，2005，21（2）：91～94
7.國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會. 水和廢水監測分析方法. 北京: 中國環境科學出版社，1989

Wingender J., Grobe S., Fieldler S., Flemming H.C. The effect of extracellular polysaccharides on the resistance of Pseudomonas aeruginosa to chlorine and hydrogen peroxide. In Biofilms in aquatic systems. W. Keevil, A.F. Godfree, D.M. Holt, C.S. Dow （eds.）, Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1999

魯巍，男，1978年生，博士，現工作于北京市市政工程設計研究總院， 100045
Tel：010－68024030，Fax：68024676，E-mail：luwei02@tsinghua.org.cn。

張曉健，男，博士，教授，博導，
Tel：010－62781779，Fax：62785687，E-mail：zhangxj@mail.tsinghua.edu.cn。