基于生物稳定性的贮存水水质变化规律及消毒策略

李鑫; 汪毅; 马颖; 丁志斌; 陈晓; 董瑞程

doi:10.12030/j.cjee.201808173

基于生物稳定性的贮存水水质变化规律及消毒策略

1.
陆军工程大学国防工程学院，南京 210007
2.
91053部队，北京 100070
基金项目:
国家重点研发计划项目2017YFC0506304

军队后勤重点科研项目BY115C002国家重点研发计划项目(2017YFC0506304)

军队后勤重点科研项目(BY115C002)

Change regularity and disinfection strategy of storage water quality based on biological stability

1.
College of Defense Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, China
2.
1053 Troops, Beijing 100070, China
Fund Project:

摘要: 通过对贮存水中可同化有机碳(AOC)、微生物再生长潜能(BRP)及细菌总数(HPC)等微生物指标变化规律的了解，探究饮用水贮存过程中细菌二次生长、生物稳定性下降等问题。结果表明：在贮存过程中，HPC呈现先上升后下降的趋势；而AOC及BRP则在贮存初期(2 d内)出现上升，后基本保持稳定。通过向贮存水中投加不同浓度的氯或氯胺，研究了不同种类、不同浓度的消毒剂对贮存水HPC的影响及其衰减速率的变化规律。结果表明：随着氯或氯胺初始投加量的增加，HPC开始增加及达到峰值所需时间延长，且HPC峰值下降；当氯或氯胺初始投加量达到1.0 mg·L-1以上，贮存水中氯残留量>0.05 mg·L-1或氯胺残留量>0.5 mg·L-1时，即可保证贮存过程HPC-1。与氯消毒相比，氯胺消毒剂的衰减速率更为缓慢，可长期维持贮存水中较高的消毒剂残留，进而控制贮存水中HPC处于相对较低的范围，更有利于保证贮存水生物的稳定性。
- 贮存水水质变化规律 /
- 可同化有机碳 /
- 微生物生长潜力 /
- 消毒剂残留 /
- 消毒剂投放策略
Abstract: In this study, the change regulations of microbial indicators such as assimilable organic carbon (AOC), bacterial regrowth potential (BRP) and heterotrophic plate count (HPC) in storage water were determined, and the problems of bacteria secondary growth and biological stability decrease were investigated. The results showed that during the storage process, HPC presented an initial increase and then decrease trend, while AOC and BRP increased during the initial stages of storage (within 2 days), and maintained stable afterwards. Through dosing chlorine or chloramine with different concentrations to the storage water, the effects of different disinfectant types and concentrations on HPC and its decay rate were studied. The results showed that with the increase of the initial dosage of chlorine or chloramine, the time for initial increase and approaching peak value of HPC was prolonged, while the HPC peak value decreased. When the initial dosage of chlorine or chloramine was no less than 1.0 mg·L-1, then the residual contents of chlorine or chloramine in the storage water remained greater than 0.05 mg·L-1 or 0.5 mg·L-1, respectively, HPC could maintain less than 100 CFU·mL-1 during storage process. Compared with chlorine disinfection, the chloramine disinfectant demonstrated a slower decay rate and maintained a higher disinfectant residue in the storage water for a long time, which could control HPC in a relatively low range and ensure the biological stability of storage water.
- change regularity of storage water quality /
- assimilable organic carbon /
- bacterial regrowth potential /
- residual of disinfectant /
- disinfectant addition strategy

摘要

通过对贮存水中可同化有机碳(AOC)、微生物再生长潜能(BRP)及细菌总数(HPC)等微生物指标变化规律的了解，探究饮用水贮存过程中细菌二次生长、生物稳定性下降等问题。结果表明：在贮存过程中，HPC呈现先上升后下降的趋势；而AOC及BRP则在贮存初期(2 d内)出现上升，后基本保持稳定。通过向贮存水中投加不同浓度的氯或氯胺，研究了不同种类、不同浓度的消毒剂对贮存水HPC的影响及其衰减速率的变化规律。结果表明：随着氯或氯胺初始投加量的增加，HPC开始增加及达到峰值所需时间延长，且HPC峰值下降；当氯或氯胺初始投加量达到1.0 mg·L^-1以上，贮存水中氯残留量>0.05 mg·L^-1或氯胺残留量>0.5 mg·L^-1时，即可保证贮存过程HPC<100 CFU·mL^-1。与氯消毒相比，氯胺消毒剂的衰减速率更为缓慢，可长期维持贮存水中较高的消毒剂残留，进而控制贮存水中HPC处于相对较低的范围，更有利于保证贮存水生物的稳定性。

Abstract

In this study, the change regulations of microbial indicators such as assimilable organic carbon (AOC), bacterial regrowth potential (BRP) and heterotrophic plate count (HPC) in storage water were determined, and the problems of bacteria secondary growth and biological stability decrease were investigated. The results showed that during the storage process, HPC presented an initial increase and then decrease trend, while AOC and BRP increased during the initial stages of storage (within 2 days), and maintained stable afterwards. Through dosing chlorine or chloramine with different concentrations to the storage water, the effects of different disinfectant types and concentrations on HPC and its decay rate were studied. The results showed that with the increase of the initial dosage of chlorine or chloramine, the time for initial increase and approaching peak value of HPC was prolonged, while the HPC peak value decreased. When the initial dosage of chlorine or chloramine was no less than 1.0 mg·L^-1, then the residual contents of chlorine or chloramine in the storage water remained greater than 0.05 mg·L^-1 or 0.5 mg·L^-1, respectively, HPC could maintain less than 100 CFU·mL^-1 during storage process. Compared with chlorine disinfection, the chloramine disinfectant demonstrated a slower decay rate and maintained a higher disinfectant residue in the storage water for a long time, which could control HPC in a relatively low range and ensure the biological stability of storage water.

关键词

贮存水水质变化规律；可同化有机碳；微生物生长潜力；消毒剂残留；消毒剂投放策略

Keywords

change regularity of storage water quality; assimilable organic carbon; bacterial regrowth potential; residual of disinfectant; disinfectant addition strategy

随着我国水资源短缺与水环境污染问题的加重，贮存水的使用在人们的生活中越来越普遍。在一些特殊地区(例如边防海岛等市政管网无法直接供水的地区)，使用贮存水是解决特定环境下供水问题的重要措施^[1]。但贮存水在贮存过程中，受水中有机物含量、消毒剂残留量以及外界贮存条件等因素的影响，贮存水水质指标，尤其是微生物指标会发生较大的变化^[2,3]；贮存过程中可能存在微生物二次生长现象，从而引起各种水质问题，甚至导致水传播疾病的爆发，对使用人员的健康造成极大威胁^[4,5]。

贮存水水质安全保障关键在于控制水中微生物的二次生长，保证贮存水中的生物稳定性。贮存水生物稳定性是指贮存水中，可生物降解有机物支持异养细菌生长的潜力，其常用的评价指标包括可同化有机碳(AOC)、生物可降解溶解性有机碳(BDOC)及微生物再生长潜能(BRP)等。美国等许多国家通过在水中维持一定浓度的残留消毒剂来抑制微生物的生长并由此保证贮存水生物的稳定性^[6]；而在瑞士、荷兰、奥地利、德国等国家，则通过限制水中营养物质的浓度来保证饮用水生物的稳定性^[7]。基于我国贮存水的原水水质、处理工艺、贮存条件、贮水用途以及经济成本等方面的因素，我国大多数地区均采用向贮存水中多次投加消毒剂的方式来保证贮存水的生物稳定性^[8,9]。本研究选取15 d为贮存周期^[10]，研究了贮存过程中饮用水温度、pH、氧化还原电位(ORP)、AOC、BRP及细菌总数(HPC)的变化规律。并在此基础上，分别研究了不同浓度的氯及氯胺消毒剂对贮存水HPC的影响及其衰减规律，为贮存水消毒过程中消毒剂种类及投加浓度的选取提供理论依据。

1 材料与方法
1
1.1 实验试剂
1.1
0.1 mol·L^-1磷酸盐缓冲溶液；400 mg·L^-1乙酸碳溶液；矿物盐溶液；LLA固体培养基；氯消毒剂采用NaClO溶液稀释一定倍数制得。
1.2 测定方法
1.2
本研究采用先后接种法^[11]作为AOC的检测方法，所用菌种来自于中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)；BRP及HPC测定采用平板计数法^[12,13,14]；ORP采用Thermo Orion A 便携式pH/ISE离子浓度测量仪进行测定；余氯采用便携式余氯测定仪(HACH58700-00)测定。
1.3 实验用水及贮存条件的选择
1.3
本实验选用实验室自来水(Na₂S₂O₃中和余氯)作为实验过程贮存水原水，其基本水质参数见表1；本实验贮存容器采用不锈钢水箱，水箱容积为500 L(具盖及通气管)。
表1 实验所用原水基本水质参数
Table 1 Basic water quality parameters of raw water
pH ORP/mV HPC/(CFU·mL^-1) AOC-P17/(μg·L^-1) AOC-NOX/(μg·L^-1) AOC-TOP/(μg·L^-1) BRP/(CFU·mL^-1)
7.78 -38.5 94 66.44 47.14 113.58 1.02×10⁵
2 结果与讨论
2
2.1 贮存水化学指标变化规律
2.1
在每天固定时间对贮存水的温度、pH及ORP等化学指标进行测定，贮存过程变化规律见图1。由图1可知，在贮存过程中，水样的基本化学参数较为稳定，无明显变化。其中，水温在贮存过程中受天气因素及贮存环境温度的影响，在19~23 ℃的范围内上下浮动；水样pH基本无变化，保持在7.6~7.9的范围内；水样氧化还原电位(ORP)在贮存过程中保持在-45~-30 mV之间。
图1 贮存水温度、pH及ORP变化规律
Fig. 1 Change regularity of temperature, pH and ORP of storage water
AOC作为衡量饮用水生物稳定性的一个重要指标，其最容易被微生物直接利用同化，AOC浓度与细菌的繁殖有着密切关系^[15]。水样的AOC可分为AOC-P17与AOC-NOX 2部分(两者之和即为水样总的AOC，即AOC-TOP)；BRP作为评价饮用水生物稳定性的综合指标，其测定过程采用土著细菌作为接种液，对营养基质的利用更加充分，具有更好的适应能力，直接反映了水中微生物的再生长潜力^[16]。本实验以AOC及BRP作为贮存水生物稳定性的评价指标，研究了贮存过程中水样AOC及BRP的变化规律。
由图2,3,4可知，贮存水AOC-P17的初始浓度为66.44 μg·L^-1，约占AOC-TOP的58.50%；AOC-NOX的初始浓度为47.14 μg·L^-1，约占AOC-TOP的41.50%。由图2可知，在贮存初期(2 d内)，贮存水AOC-P17的浓度明显上升，由原来的66.44 μg·L^-1升至96.64 μg·L^-1，增加了45%；当贮存时间超过2 d时，贮存水AOC-P17的浓度稳定在95~105 μg·L^-1的范围内。
图2 贮存水AOC-P17变化规律
Fig. 2 Change regularity of AOC-P17 of storage water
图3 贮存水AOC-NOX变化规律
Fig. 3 Change regularity of AOC-NOX of storage water
图4 贮存水AOC-TOP变化规律
Fig. 4 Change regularity of AOC-TOP of storage water
由图3可以看出，贮存水AOC-NOX的浓度在整个贮存过程中无明显变化，稳定在47~57 μg·L^-1的范围内。图4中AOC-TOC的变化规律与AOC-P17变化规律相同，当贮存时间<2 d时，水样AOC的浓度出现明显增加，由最初的113.58 μg·L^-1升至147.40 μg·L^-1，增加幅度达到30%；当水样贮存时间>2 d时，AOC浓度保持稳定，约为145~160 μg·L^-1。由图2~图4可以看出，当水样贮存时间>2 d时，水样中AOC-P17与AOC-NOX分别占水样AOC-TOP的比例为65.56%与34.44%，与贮存原水相比，AOC-P17所占AOC-TOP的比例略有上升，而AOC-NOX所占AOC-TOP的比例略有降低，这表明饮用水贮存过程中可被P17细菌生长所利用的乙酸及其他羧酸类物质的浓度会增加^[11]。综上所述，在贮存过程中，水样AOC浓度及组分的变化主要集中在贮存初期(2 d内)，且主要表现为AOC-P17的变化；当贮存时间>2 d时，水样中AOC浓度及各组分所占比例保持稳定。
由图5贮存水BRP的变化规律可知，水样初始BRP为1.02×10⁵ CFU·mL^-1；在第1天的贮存过程中，水样BRP迅速上升；贮存1 d后，水样BRP上升至1.20×10⁶ CFU·mL^-1，约增加为原来的10倍；当贮存时间超过1 d后，贮存水BRP的浓度随贮存时间变化不大，稳定在1.0×10⁶~1.4×10⁶ CFU·mL^-1的范围内。
图5 贮存水BRP变化规律
Fig. 5 Change regularity of BRP of storage water
由以上分析可知，贮存水贮存过程中，BRP与AOC的变化规律基本保持一致，其增长均集中在贮存过程的前2 d，当贮存时间超过2 d时，AOC与BRP均可保持在一个较为稳定的范围。其增加的原因可能是，微生物在贮存初期将水中的一些大分子有机物氧化分解为更容易被微生物生长繁殖所利用的一些小分子有机物，从而导致贮存水AOC及BRP的上升，水质生物稳定性下降^[17]。
2.2 贮存水HPC变化规律
2.2
有研究表明，随着贮存时间的增加，水中HPC呈现先增加后降低的变化规律，当贮存时间约为7 d时，HPC将达到峰值^[8]；而且不同温度、不同贮存条件等因素均会对HPC变化规律产生一定影响^[18]。本研究在每1 d的固定时间对贮存水进行取样，采用平板计数法测定水样HPC值，结果如图6所示。由图6贮存水HPC变化规律可知，贮存过程水样HPC呈现先增加后减小的变化规律，与细菌生长曲线相一致；当贮存时间<5 d时，由于水样中无残留消毒剂的限制以及水样中有机物的存在，贮存水中微生物出现二次生长现象，HPC随着贮存时间的增加而增加，致使贮存水中细菌菌落指标超过国标(GB 5749-2006)规定的100 CFU·mL^-1；当贮存时间<2 d时，HPC增加速率较为缓慢；当贮存时间为2~ 5 d时，水样HPC迅速增加至最大值，约为1.0×10⁵ CFU·mL^-1；当贮存时间>5 d时，贮存水中微生物的生长受到水样中有机物浓度的限制及微生物本身生长特性的影响，微生物生长达到饱和状态，随着贮存时间的增加，水样HPC下降；而当贮存时间为15 d时，水样中HPC下降至5 000 CFU·mL^-1，但该值仍远超出《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中HPC小于100 CFU·mL^-1的限值。
图6 贮存水HPC变化规律
Fig. 6 Change regularity of HPC of storage water

2.3 不同浓度氯消毒对水样贮存过程HPC的影响

贮存水中微生物的再生长状况受水中营养物质浓度及消毒剂残留量两者共同作用的影响，其中投加消毒剂并保证其残留浓度是控制贮存水中微生物再生长的常用措施^[8,9]。本实验通过向贮存水中投加不同浓度的次氯酸钠消毒剂，研究了初始氯消毒剂的投加量对贮存水中HPC的影响及氯残留量的变化规律。

由图7可以看出，当初始氯消毒剂的投加量小于1.0 mg·L^-1时，贮存15 d后水样中余氯均衰减至0 mg·L^-1；当初始投加量大于1.0 mg·L^-1时，随初始投加量的不同，贮存15 d后水中不同程度的存在氯残留。由图8可以看出，当贮存水初始氯消毒剂投加量小于0.8 mg·L^-1时，随着贮存时间的增加，贮存水中HPC均呈现先增加后降低的变化规律。当初始氯投加量为0.2、0.4和0.6 mg·L^-1、分别贮存3、6和8 d后，贮存水中HPC将超过国标(GB 5749-2006)规定的100 CFU·mL^-1。由图9可知，当贮存水中初始氯投加量达到1.0 mg·L^-1及以上时，贮存过程中水样HPC基本可控制在100 CFU·mL^-1的范围内，满足生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)。表2总结了氯消毒剂在不同初始投加量的条件下，贮存水中HPC超过100 CFU·mL^-1时氯的残留量及贮存时间、HPC达到峰值所需时间以及HPC峰值的变化规律。由图7~图9及表2可以看出，当采用氯消毒时，氯初始投加量达到1.0 mg·L^-1，控制贮存水中氯的残留浓度>0.05 mg·L^-1，即可保证贮存水中HPC<100 CFU·mL^-1，满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)；当贮存水中氯残留量<0.05 mg·L^-1时，贮存过程中饮用水细菌总数均出现明显增加。

图7 氯残留量随贮存时间变化规律

Fig. 7 Change regularity of chlorine residue with storage timeS

图8 浓度0.2~0.8 mg·L^-1氯消毒后HPC变化规律

Fig. 8 Change regularity of HPC after chlorine disinfection at concentrations of 0.2~0.8 mg·L^-1

图9 浓度1.0~2.0 mg·L^-1氯消毒后HPC变化规律

Fig. 9 Change regularity of HPC after chlorine disinfection at concentrations of 1.0~2.0 mg· L^-1

表2 不同浓度氯消毒对贮存水HPC的影响

Table 2 Effect of chlorine disinfection at different concentrations on HPC

初始氯消毒剂投加量/(mg·L^-1)	HPC>100 CFU·mL^-1时氯残留浓度/(mg·L^-1)	HPC>100 CFU·mL^-1时所需贮存时间/d	HPC达到峰值时所需贮存时间/d	HPC峰值/(CFU·mL^-1)
0.2	0.04	4	11	388 000
0.4	0.03	7	13	238 000
0.6	0.04	8	14	86 000
0.8	0.04	13	—	—
1	0.05	15	—	—

2.4 不同浓度氯胺消毒对水样贮存过程HPC的影响

经氯消毒后的水中存在三卤甲烷(THMs)等消毒副产物，对人体健康存在潜在威胁。在美国已有30%左右的自来水厂采用氯胺消毒来代替传统的氯消毒模式^[19]；我国上海、成都以及深圳等地的一些水厂也采用氯胺消毒的方式^[20]。本实验通过向贮存水中投加不同浓度的氯胺消毒剂，研究了初始氯胺消毒剂的投加量对贮存水中HPC的影响及氯胺残留量的变化规律。

由图10可看出，与氯消毒相比氯胺衰减速率较慢。当氯胺初始投加量为0.4 mg·L^-1及以上时，贮存15 d后水样中均不同程度的存在氯胺残留；由图11及图12可以看出，当初始投加氯胺消毒剂的浓度<0.8 mg·L^-1时，贮存水中HPC均呈现出先增加后降低的变化规律；而当初始投加氯胺消毒剂的浓度达到1.0 mg·L^-1时，贮存期内水样HPC均可控制在100 CFU·mL^-1的范围内，满足生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)。其中，当氯胺初始投加量为0.2 mg·L^-1时，由于贮存过程中出现氯胺衰减为0 mg·L^-1的情况，故该组水样与其他水样相比，将出现HPC大幅度增加的现象；而对于氯胺初始投加量为0.4、0.6、0.8 mg·L^-1的水样，贮存过程氯胺均存在不同程度的残留，抑制了水样中微生物的生长，整个贮存过程HPC可控制在3 000 CFU·mL^-1的范围内。而且，随着初始氯胺投加量的增加，HPC出现明显上升、达到峰值所需时间增加、HPC峰值下降的现象。表3总结了氯胺消毒剂在不同初始投加量的条件下，贮存水中HPC达到100 CFU·mL^-1时氯胺的残留量及贮存时间、HPC达到峰值所需时间以及HPC峰值的变化规律。由表3可以看出，当采用氯胺消毒时，氯胺初始投加量达到1.0 mg·L^-1，控制贮存水中氯胺残留浓度>0.5 mg·L^-1，即可保证贮存水中HPC满足生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)。

图10 氯胺残留量随贮存时间变化规律

Fig. 10 Change regularity of chloramine residue with storage time

图11 0.2 mg·L-1氯胺消毒后HPC变化规律

Fig. 11 Change regularity of HPC after chloramine disinfection at 0.2 mg· L-1

图12 浓度0.4~2.0 mg·L^-1氯胺消毒后HPC变化规律

Fig. 12 Change regularity of HPC after chloramine disinfection at concentrations of 0.4~2.0 mg·L^-1

表3 不同浓度氯胺消毒对贮存水HPC的影响

Table 3 Effect of chloramine disinfection at different concentrations on HPC

初始氯胺消毒剂投加量/（mg·L^-1）	HPC＞100 CFU·mL^-1时氯胺残留浓度/（mg·L^-1）	HPC＞100 CFU·mL^-1时所需贮存时间/d	HPC达到峰值时所需贮存时间/d	HPC峰值/ （CFU·mL^-1）
0.2	0.15	4	12	35500
0.4	0.24	5	8	2790
0.6	0.31	7	12	2100
0.8	0.47	12	—	—
1	0.5	＞15	—	—

3 结论
3
1) 在饮用水贮存过程中，AOC及BRP等生物稳定性指标均会出现先上升后维持稳定的变化规律。其中AOC主要表现为AOC-P17的变化，且AOC及BRP的变化主要集中在贮存初期(2 d内)。
2) 贮存过程饮用水HPC的变化总体上呈现先增加后降低的变化规律，且随着水中氯或氯胺投加浓度的增加，贮存水中HPC开始增加及达到峰值所需时间延长，且HPC峰值下降。
3) 当初始投加氯或氯胺消毒剂的浓度达到1.0 mg·L^-1以上，贮存水中氯残留量>0.05 mg·L^-1或氯胺残留量>0.5 mg·L^-1时，即可保证整个贮存过程(15 d)水样HPC低于100 CFU·mL^-1。
4) 与氯消毒的方式相比，采用氯胺消毒时消毒剂的衰减速率较慢，可将贮存水中微生物浓度控制在一个更低的水平，更有利于保证贮存水生物的稳定性。
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关键词

贮存水水质变化规律；可同化有机碳；微生物生长潜力；消毒剂残留；消毒剂投放策略