贮存饮用水生物稳定性影响因素的试验研究
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
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
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 /μg Ac C /L |
C /mg/L |
C /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
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
(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。
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
(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
式中 C——细菌浓度;
t0 ——进入对数期时间;
p ——生长系数。
Nescerecka等
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)。

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)
Fig.3 Variance of initial parameter(T,C0s,C0d,C0l) level for different biological stability variables(tr, p, kd, ks)
2.2 消毒剂衰减与AOC消耗
基于一级反应
式中 C
kd ——消毒平均衰减速率。
kd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kd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)。
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
式中 C
ks ——消耗速率。
ks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
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 |
kd | Cd,t | ks | Cs,t | tr | p |
C | 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 |
0.931 | 0.931 | 0.410 | -0.220 | 0.977 | -0.419 |
C |
-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
式中 Cd,min——生物稳定的最低消毒剂浓度;
Cd ——消毒剂浓度;
CS ——AOC浓度;
KS ——AOC半峰值浓度;
R ——细菌最大增长率与失活率的比值。
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

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
张骏鹏等
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
Cd,min AOC/μg Ac C/L |
贮存时间/d |
|||
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。
参考文献
[1] 张浩,杨艳玲,李星,等.高层建筑转输供水系统余氯衰减规律与补氯特点研究[J].给水排水,2018,44(1):115-121.
[2] 何自立,赵晓华,杨建国,等.农村供水系统不同贮水材质水质变化特性分析[J].长江科学院院报,2015,32(9):32-36.
[4] 姜恩明,陈晓东,姜恩荣,等.旅客列车二次供水补充加氯方法探讨[J].环境与健康杂志,2005,22(4):291-291.
[7] 侯悦,蒋兴锦.军队战时饮用水卫生标准[J].解放军预防医学杂志,1994,(2):90-93.
[8] 郑浩,于洋,费娟,等.突发饮用水污染事件应急供水水质卫生标准的探讨[J].环境与职业医学,2016,33(1):81-84.
[10] 张积洋,吴纯德,王林,等.二氧化氯应用于水箱二次供水安全消毒研究[J].水处理技术,2012,38(9):83-87.
[11] 刘佳蒙,孙兴滨,宋弼尧,等.饮用水中典型微生物消毒过程中消毒副产物的生成规律[J].中国环境科学,2016,36(12):3631-3638.
[12] 付军,周斌,滕曼.含氯胺水管网输配过程中红水现象的产生机理[J].环境化学,2016,35(12):2575-2581.
[14] 刘文君,王亚娟,张丽萍,等.饮用水中可同化有机碳(AOC)的测定方法研究[J].给水排水,2000,26(11):1-5.
[23] 谢鹏超,岳思阳,邹景,等.四种预氧化方式对AOC及消毒副产物影响的对比[J].中国给水排水,2015,31(7):6-9.
[24] 余国忠,王根凤,龙小庆,等.给水管网的细菌生长可能机制与防治对策[J].中国给水排水,2000,16(8):18-20.
[25] 陈晓,汪毅,丁志斌,等.AOC对贮存饮用水细菌生长影响的试验研究[J].给水排水,2018,54(10):26-30.
[27] 李鑫,汪毅,马颖,等.可同化有机碳(AOC)产率系数测定优化及接种方法对比研究[J].环境科学学报,2018,38(12):4745-4750.
[29] 华伟,张雪,张骏鹏,等.净水厂常规与深度处理工艺对饮用水生物稳定性控制研究[J].给水排水,2016,42(1):7-12.