贮存饮用水生物稳定性影响因素的试验研究

作者：陈晓汪毅丁志斌李伟英张骏鹏李鑫杜山山

单位：陆军工程大学国防工程学院同济大学环境科学与工程学院 32182部队

摘要：以消毒剂、可同化有机碳(Assimilable Organic Carbon,AOC)、温度、初始细菌浓度等因素设计正交试验,基于单因素方差分析与主成分分析研究各因素对贮存饮用水生物稳定性的影响。研究表明,以消毒剂、AOC、温度为主成分的方差分别为42.64%、26.53%、13.32%,消毒剂与AOC对贮存饮用水生物稳定性的影响显著,温度通过影响生物化学反应速率间接影响其生物稳定性。基于Monod与Chick-Watson模型对消毒剂与AOC的动力学分析,可确定基于AOC控制的最低消毒剂浓度,随着环境温度升高,AOC对应的最低消毒剂浓度阈值随之上升。AOC在50～75μg乙酸碳/L(μg Ac C/L),实时自由氯不低于0.15～0.2 mg/L时,可满足贮存饮用水生物稳定的要求。

关键词：贮存饮用水生物稳定性影响因素正交试验动力学分析

作者简介：作者简介： *汪毅,通讯处:210007江苏省南京市秦淮区海福巷1号电话:(025)80825327E-mail:wyxqh97@126.com;
基金：基金：南海典型海岛主要废弃物资源化利用技术国家重点研发专项(2017YFC0506304); 军队后勤重点科研项目(BY115C002);

0 前言

贮存饮用水是防护工程、高层建筑内部重要的给水保障方式^[1],是农村偏远地区^[2]以及欠发达地区的主要饮用水来源^[3],在远洋航运、铁路航空^[4]、抢险救灾^[5]过程中也发挥着重要作用。生物稳定性是指水中有机营养质(碳、氮、磷等)成为生长限制因子时,支持异养细菌再生长的潜在能力^[6]。贮存饮用水贮存周期长、水力停留时间从几天到几十天^[7,8]不等,随着消毒剂的衰减与贮存环境的改变,水中细菌会利用残存营养物质修复再生,直接导致饮用水生物稳定性降低^[9],生物安全风险上升。

贮存饮用水的生物稳定性受消毒剂、营养物质、温度、细菌群落等因素影响。在实际水处理工艺中,为保证贮存饮用水的生物安全,最为常见的方法是向水中添加过量的含氯消毒剂^[10],抑制细菌生长。超量氯消毒存在的主要问题有:导致化学风险上升(如消毒副产物累积)^[11],加剧贮水构筑物腐蚀^[12],诱发抗性细菌与抗性基因富集,影响饮用水口感品质。Crider等^[13]研究表明,人体最大耐受浓度不超过2 mg/L,当水体自由氯浓度超过0.7 mg/L时,受用者会感受到明显的味道。因此,仅从消毒剂的角度无法有效解决贮存饮用水的生物安全问题。本文通过研究营养物质、消毒剂、温度、初始细菌浓度对贮存饮用水生物稳定性的综合影响,探究低剂量消毒保持贮存饮用水生物稳定性的方法,以期为提高贮存饮用水的生物安全性提供理论参考。

1 试验材料与方法

试验水样为乙酸碳标准溶液与自来水。自来水取自上海市某大学实验楼自来水龙头出水。水样的主要水质指标如下:余氯(0.05±0.02) mg/L;浊度(0.124±0.02) NTU;pH(7.6±0.1);TDS(0.45±0.01);AOC(90±10) μg乙酸碳/L(μg Ac C/L)(先后接种法);细菌总数(60±15) CFU/mL。

1.1 试验方法与步骤

为研究饮用水贮存过程中细菌再生长与生物稳定性的变化规律,设计L₉(3⁴)正交试验,将试验所需水样巴氏灭菌后接入自来水土著菌,存放于棕色试剂瓶,分别置于不同温度下培养。试验因素水平及正交试验设计见表1。

表1 贮存饮用水生物稳定性正交试验因素、水平与设计

Tab.1 Factors, levels and designs of biological stability orthogonal test for stored drinking water

因素水平		T/℃	C $_{s}^{0}$ $_{s}^{0}$ /μg Ac C /L	C $_{d}^{0}$ $_{d}^{0}$ /mg/L	C $_{Ι}^{0}$ $_{Ι}^{0}$ /个/mL
1		15	30	3	10³
2		25	60	2	10⁴
3		37	90	1	10⁵
正交试验设计	OT1	37	90	3	10⁵
	OT2	37	60	2	10³
	OT3	37	30	1	10⁵
	OT4	25	90	1	10³
	OT5	25	60	3	10⁵
	OT6	25	30	2	10⁴
	OT7	15	90	2	10⁴
	OT8	15	60	1	10⁵
	OT9	15	30	3	10⁴

注:T为温度,℃;C $_{s}^{0}$ $_{s}^{0}$ 为初始AOC;C $_{d}^{0}$ $_{d}^{0}$ 为初始消毒剂;C $_{Ι}^{0}$ $_{Ι}^{0}$ 为初始细菌浓度。

具体步骤如下:

(1)玻璃器皿于稀硝酸浸泡24 h后依次用自来水、纯水、去离子水冲洗3遍,烘干备用;测定AOC的三角瓶烘干后置于马弗炉内550 ℃烘烤2 h取出备用。

(2)用于测定AOC的P17与NOX的接种液制取方法^[14]¹⁴^]为:取100 μL驯化的纯种菌液接入2 000 μg Ac C/L溶液中,25 ℃培养5天,计算接种液浓度,置于4 ℃冰箱内保存备用。土著菌接种液的制取方法:自来水中和余氯后过2 μm滤膜,取50 mL滤后水于25 ℃培养5天,平板计数计算接种液浓度,置于4 ℃冰箱内保存备用。

(3)将400 mg/L标准乙酸碳溶液与去离子水分别配制30 μg Ac C/L、60 μg Ac C/L、90 μg Ac C/L溶液并加入0.01 mM矿物盐溶液作为模拟水样,使碳源成为细菌生长的限制因素。

(4)选取第1～10天、第14天、第20～21天、第28～30天水样对AOC、完整细胞浓度(intact cell concentration, ICC)、总细胞浓度(total cell concen-tration, TCC)、余氯进行平行检测。

图1 基于流式细胞术的AOC检测方法

Fig.1 AOC detection method based on flow cytometry

1.2 分析检测方法

(1)余氯:

通过HACH DR890测定仪,利用DPD法测定水样中的余氯。

(2)TCC/ICC:

待测水样中和余氯后,取500 μL水样,分别用5 μL SYBR Green Ⅰ、5 μL PI染色剂染色^[15]¹⁵^],借助流式细胞仪测得TCC与ICC值。

(3)AOC:

待测水样经0.22 μm滤膜过滤,取40 mL过滤出水装于50 mL三角瓶中,中和余氯、巴氏灭菌后冷却至室温,按照先后接种法将P17、NOX接种液接入待测水样,接种浓度10⁴个/mL,培养至稳定期,通过流式细胞仪测得ICC值并转换为AOC值,单位μg Ac C/L(见图1)。

2 结果与讨论

2.1 生物稳定性变化及影响

如图2所示,第一周后,除OT3以外,其余水样保持生物稳定;第二周后OT4、OT8水样细菌开始再生长;第三周后OT2、OT6水样细菌再生长,第四周后,除OT1、OT5、OT9保持生物稳定,其余水样均出现细菌再生长现象。

基于Growth-Dose-response^[16]¹⁶^]公式建立ICC增长关于时间t数学模型如式(1)所示,并通过Origin对数据进行拟合分析。

$C (t) = \frac{C_{1}}{1 + 10^{p (t_{0} - t)}} + C_{0}$ $C (t) = \frac{C_{1}}{1 + 10^{p (t_{0} - t)}} + C_{0}$ (1)

式中 C——细菌浓度;

t₀ ——进入对数期时间;

p ——生长系数。

Nescerecka等^[17]¹⁷^]研究发现,当水中ICC超过1.06×10⁵ cells/mL时,异养细菌会再生长。基于SPSS对再生长时间t_r做单因素方差分析(Analysis of Variance, ANOVA),其影响因子排序为:初始消毒剂浓度>温度>初始AOC>初始ICC(见图3)。

细菌再生长速率式(2)对p求偏导推得式(3),细菌再生长速率与p正相关,对系数p的ANOVA分析与细菌再生长速率具有一致性,可知,对细菌再生长速率的影响作用:初始消毒剂浓度>初始ICC>初始AOC>温度(见图3)。

$\begin{array}{l} C^{'}_{t} (t) = \frac{p C_{1} 10^{p (t_{0} - t)} \ln 10}{(1 + 10^{p (t_{0} - t)})^{2}} (2) \\ \frac{\partial^{'} C (t)}{\partial p} > 0 \Rightarrow C^{'}_{t} (t) \sim p (3) \end{array}$ $\begin{array}{l} C^{'}_{t} (t) = \frac{p C_{1} 10^{p (t_{0} - t)} \ln 10}{(1 + 10^{p (t_{0} - t)})^{2}} (2) \\ \frac{\partial^{'} C (t)}{\partial p} > 0 \Rightarrow C^{'}_{t} (t) \sim p (3) \end{array}$

图2 OT4组生物稳定性随时间变化曲线

Fig.2 Biological stability curve over time in OT4

图3 初始参数水平对生物稳定性变量影响方差分析
(T,C0s,C0d,C0l为初始参数;tr, p, kd, ks为变量)

图3 初始参数水平对生物稳定性变量影响方差分析 (T,C⁰_s,C⁰_d,C⁰_l为初始参数;t_r, p, k_d, k_s为变量)

Fig.3 Variance of initial parameter(T,C⁰_s,C⁰_d,C⁰_l) level for different biological stability variables(t_r, p, k_d, k_s)

2.2 消毒剂衰减与AOC消耗

基于一级反应^[18]¹⁸^]建立余氯衰减模型,如式(4)所示:

$C_{d} (t) = C_{d}^{0} e^{- k_{d} t} (4)$ $C_{d} (t) = C_{d}^{0} e^{- k_{d} t} (4)$

式中 C $_{d}^{0}$ $_{d}^{0}$ ——消毒剂初始浓度;

k_d ——消毒平均衰减速率。

k_d反映了在整个过程中消毒剂的平均衰减速率,基于一级动力学方程对各组试验中游离氯衰减曲线(见图4)拟合可得到其对应的k_d值。ANOVA分析表明对消毒剂衰减影响因子排序:初始消毒剂浓度>初始AOC>温度>初始ICC(见图3)。

图4 游离氯衰减曲线

Fig.4 Attenuation curves of free chlorine over time

$C^{'}_{d} (t) = \frac{d C_{d} (t)}{d t} = - k_{d} C_{d}^{0} e^{- k_{d} t}$ $C^{'}_{d} (t) = \frac{d C_{d} (t)}{d t} = - k_{d} C_{d}^{0} e^{- k_{d} t}$ (5)

$\ln | C^{'}_{d} (t) | = - k_{d} \ln | C_{d}^{0} k_{d} | t$ $\ln | C^{'}_{d} (t) | = - k_{d} \ln | C_{d}^{0} k_{d} | t$ (6)

式(5)对时间的一阶导数表示消毒剂的瞬时衰减速率,为方便分析初始条件对其影响,对式(5)求自然对数得式(6),消毒剂的瞬时衰减速率与系数 $- k_{d} \ln | C_{d}^{0} k_{d} |$ $- k_{d} \ln | C_{d}^{0} k_{d} |$ 相关,ANOVA分析结果表明,影响作用初始消毒剂浓度>温度>初始AOC>初始ICC,温度对于瞬时衰减速率的影响较初始AOC值影响更加显著。细菌利用营养物质再生长对AOC的消耗模型符合一级反应,如式(7)所示:

$C_{s} (t) = C_{s}^{0} e^{- k_{s} t} (7)$ $C_{s} (t) = C_{s}^{0} e^{- k_{s} t} (7)$

式中 C $_{s}^{0}$ $_{s}^{0}$ ——AOC初始浓度;

k_s ——消耗速率。

k_s反映了在整个过程中AOC的平均消耗速率,ANOVA的分析结果表明,对AOC消耗的平均速率与瞬时速率的影响,初始AOC>初始消毒剂浓度>初始ICC>温度。当初始消毒剂浓度较高时,AOC值在50 μg Ac C/L附近达到稳定;当初始消毒剂浓度较低时,AOC值在30 μg Ac C/L附近稳定(见图5),与文献[19,20]数据相一致。

图5 AOC消耗曲线

Fig.5 Consumption curves of AOC over time

2.3 生物稳定性指标的相关性分析

对正交试验的数据做相关性(见表2)与主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)(见图6)。分别以消毒剂、AOC、温度为主成分的方差占比为:成分1为 42.64%,成分2为26.53%,成分3为13.32%。结合ANOVA分析结果,对生物稳定性的综合影响,初始消毒剂浓度>初始AOC>温度>初始ICC。消毒剂与AOC对生物稳定性的影响显著。

表2 初始参数与生物稳定性变量的相关系数

Tab.2 Correlation coefficient between initial parameters and biological stability variables

参数	k_d	C_d,t	k_s	C_s,t	t_r	p
C $_{s}^{0}$ $_{s}^{0}$	0.142	0.142	-0.723	0.881	-0.043	0.140
T	-0.076	-0.076	0.006	-0.012	-0.181	0.011
C $_{d}^{0}$ $_{d}^{0}$	0.931	0.931	0.410	-0.220	0.977	-0.419
C $_{Ι}^{0}$ $_{Ι}^{0}$	-0.092	-0.092	0.341	-0.268	-0.031	0.354

2.4 AOC与消毒剂对生物稳定的动力学分析

Ohkouchi等^[21,22]^21,22^]的研究表明,AOC与消毒剂对生物稳定性的影响符合Monod与Chick-Watson动力学模型。AOC一定时,为保持水质生物稳定,对消毒剂浓度的最低需求如式(8)所示。当消毒剂对细菌生长的抑制作用弱于AOC对细菌生长的促进作用时,水样的ICC会表现为明显增长。

$C_{d, \min} \geq C_{d} = \frac{R C_{s}}{C_{s} + k_{s}}$ $C_{d, \min} \geq C_{d} = \frac{R C_{s}}{C_{s} + k_{s}}$ (8)

式中 C_d_,min——生物稳定的最低消毒剂浓度;

C_d ——消毒剂浓度;

C_S ——AOC浓度;

K_S ——AOC半峰值浓度;

R ——细菌最大增长率与失活率的比值。

图6 生物稳定影响因素与指标的主成分分析

Fig.6 PCA for impacting factors and indexed of biological stability

如图7所示,以25 ℃、AOC为50 μg Ac C/L条件为例,生物稳定的最低自由氯浓度不得低于0.15 mg/L。相同AOC条件下,维持水质生物稳定最低消毒剂阈值随温度上升而升高。其原因是温度对生物化学反应具有促进作用,消毒剂瞬时衰减速率与AOC瞬时消耗速率上升,加快消毒剂的衰减、AOC的消耗以及细菌的生长,消毒剂在氧化灭菌过程中产生的部分消毒副产物^[23]²³^]会被细菌重新利用。

图7 不同温度下消毒剂与AOC对生物稳定性的综合影响

Fig.7 Comprehensive effect of disinfectant and AOC on biological stability at different temperatures

余国忠等^[24]²⁴^]针对我国净水工艺实际,提出了生物稳定管网水AOC在200 μg Ac C/L 的近期指标与100 μg Ac C/L 的远期指标。在不添加消毒剂的贮存饮用水中,这一指标并不能完全满足贮存饮用水的生物稳定的要求,即使初始AOC在0～20 μg Ac C/L的低水平条件下,水力停留时间超过3天后细菌依然会进入对数增长期^[25]²⁵^],其原因是由于管网水与贮存水的水力停留时间差异显著,微生物群落在适应水环境后依然会利用AOC再生长。

张骏鹏等^[26]²⁶^]研究表明AOC控制在0～135 μg Ac C/L,碳是细菌再生长主导控制因子。研究表明,初始AOC在75～100 μg Ac C/L细菌的最大生长潜力有明显跃升^[27]²⁷^],结合对水厂实际水处理工艺的试验数据^[28]²⁸^]如表3所示,AOC的上升会明显增加消毒剂的投加需求量。目前的深度水处理工艺可将AOC控制在20～100 μg Ac C/L^[29]²⁹^]。综上所述,贮存饮用水生物稳定的条件为初始AOC应控制在50～75 μg Ac C/L,实时自由氯不低于0.15～0.2 mg/L。

表3 实际水厂出水基于生物稳定的AOC与消毒剂随时间变化的对应关系

Tab.3 Factors, levels and designs of biological stability orthogonal test for stored drinking water

C_d,min AOC/μg Ac C/L	贮存时间/d
C_d,min AOC/μg Ac C/L	0	7	14	30
50	0.15	0.57	1.06	>2
100	0.19	0.75	1.48	>2
相对增量/%	26.67	31.58	39.62	-

3 结论

(1)贮存饮用水生物稳定性ANOVA分析表明,消毒剂是决定细菌再生长时间和速率的主要因素,温度对细菌再生长时间是第二主要因素,AOC浓度是细菌再生长速率的第二主要因素。

(2)消毒剂的平均衰减速率与AOC平均消耗速率主要取决于其初始浓度影响,瞬时速率受温度影响明显。

(3)贮存饮用水生物稳定性的影响因素按其影响权重依次为初始消毒剂浓度>初始AOC>温度>初始ICC。消毒剂与AOC影响累积方差为69.17%。

(4)动力学分析表明,生物稳定的AOC浓度与消毒剂浓度,其倒数值之间呈线性关系,温度通过影响生物、化学反应速率间接影响生物稳定性变化。通过降低AOC,可实现低剂量消毒解决贮存饮用水生物稳定性降低的问题,AOC控制在50～75 μg Ac C/L,实时自由氯不低于0.15～0.2 mg/L。

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Study on impacting factors of bio-stability in stored drinking water

Chen Xiao Wang Yi Ding Zhibin Li Weiying Zhang Junpeng Li Xin Du Shanshan

(College of Defense Engineering, The Army Engineering University of PLA College of Environmental Science and Engineering,Tongji University 32182 Troops)

Abstract: An orthogonal test was designed to explore the integrated effects of disinfectant, assimiliable organic carbon, temperature and initial bacteria concentration on biological stability in drinking water for long-term storage. The effects of various factors were studied based on one-way analysis of variance and principal component analysis. The study showed that the variances of the main components represented by disinfectant concentration, AOC, temperature were 42.64%, 26.53%, and 13.32%, respectively. The disinfectant and AOC had significant effects on the biological stability of stored drinking water, and the temperature indirectly affected the biological stability by affecting the rate of biochemical reaction. Kinetic analysis of the disinfectant and AOC based on Monod and Chick-Watson model could well illustrate the comprehensive effect of the two impacting factors to confirm the minimized disinfectant dosage for biological stability. As the temperature rised, the AOC corresponding minimized disinfectant concentration threshold rised. When complying with AOC at the range of 50～75 μg Acetate C/L and real-time free chlorine is not lower than 0.15～0.2 mg/L, it can meet the requirements of biological stability of stored drinking water.

Keywords: Stored drinking water; Biological stability; Impacting factors; Orthogonal test; Kinetics analysis;

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