ATP技術(shù)用于工業(yè)水廠微生物監(jiān)測的研究

張 寒，周 珉，張利華，李譯文

（上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)中法水務(wù)發(fā)展有限公司，上海201507）

ATP技術(shù)用于工業(yè)水廠微生物監(jiān)測的研究

張 寒，周 珉，張利華，李譯文

（上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)中法水務(wù)發(fā)展有限公司，上海201507）

通過中試實驗研究了ATP生物熒光技術(shù)用于工業(yè)水系統(tǒng)中微生物監(jiān)測的可行性。結(jié)果表明，ATP法可以快速、簡便地監(jiān)測工業(yè)水系統(tǒng)不同階段中微生物的生長情況，有效地評估系統(tǒng)運行狀況，可以為工業(yè)水廠微生物控制提供指導(dǎo)。

ATP；生物熒光法；工業(yè)水廠；微生物；監(jiān)測

微生物控制是工業(yè)水系統(tǒng)的重要研究方向。大量的微生物滋生不僅危害整個工業(yè)水處理系統(tǒng)的正常運行，影響處理效率，同時也會使濾池中產(chǎn)生生物黏膜，增加濾池的微生物負(fù)荷，另外還會增加水處理藥劑的消耗量。傳統(tǒng)的檢測工業(yè)水中微生物的方法是菌落總數(shù)法，該分析方法只能檢測出不到1%的微生物種類［1］，并且需要48h才能得到結(jié)果，不能快速反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物狀況并及時采取改善措施，致使整個系統(tǒng)中的微生物不能及時得到有效控制。

為了能及時監(jiān)測工業(yè)水廠系統(tǒng)中微生物的生長狀況并及時對工藝進行調(diào)整，從而確保工業(yè)水廠穩(wěn)定運行，本研究引入了ATP技術(shù)來輔助評估工業(yè)水中試系統(tǒng)中微生物的數(shù)量。該方法相較于菌落總數(shù)法在操作、耗時以及方便程度上都具有一定的優(yōu)勢。

三磷酸腺苷（ATP）存在于從微生物到高等動植物所有生物體細(xì)胞中，是所有活細(xì)胞中主要的能量載體，為細(xì)胞代謝提供所需能量。正常生物體細(xì)胞內(nèi)的ATP含量是相對穩(wěn)定的。對一種微生物，在一定環(huán)境條件下其ATP含量基本為常量［2］。通過測定ATP含量的多少，可以直接反映細(xì)胞活性以及微生物的數(shù)量［3］。由于該方法操作簡單快速，目前已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生以及食品行業(yè)，經(jīng)過近些年的發(fā)展而開始應(yīng)用于水處理領(lǐng)域［4-6］。本研究希望通過新興的ATP微生物檢測技術(shù)對工業(yè)水廠的中試系統(tǒng)運行進行監(jiān)測，為將ATP微生物控制指標(biāo)引入工業(yè)水廠的日常運行中提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 中試工藝及參數(shù)

中試裝置模擬工業(yè)水廠的常規(guī)工藝按比例縮小而成，主要包括三段，分別為進水段、工藝段和儲存段。進水段包括進水泵以及進水箱；反應(yīng)段包括反應(yīng)池、沉淀池和砂濾池；儲存段包括清水池。整個中試裝置流程圖如圖1。

該中試裝置的設(shè)計產(chǎn)水量為5m3／d，采取連續(xù)進水方式。河水通過泵打入進水箱后再通過流量計控制進入反應(yīng)池。液氯和混凝劑分別通過靜態(tài)混合器混合后進入反應(yīng)池中；反應(yīng)池為網(wǎng)格式折板反應(yīng)池，反應(yīng)時間為15min。反應(yīng)池出水流入折板平流式沉淀池，停留時間為1.2h。沉淀池出水進入V型濾池，濾池采用均質(zhì)石英砂濾料，有效粒徑為0.9～1.3mm，濾層厚度為1.4m，濾速為10m／h；濾池每隔48h進行一次反沖洗。經(jīng)砂濾后的水進入清水池儲存。清水池為封閉式的，存儲時間為1d。清水池前設(shè)置液氯補加點，以應(yīng)對系統(tǒng)中微生物大量繁殖的突發(fā)情況。

整個中試試驗周期為2014年4—9月，實驗過程中共設(shè)置3個取樣點，分別位于進水箱、砂濾池出水以及儲存池后，即分別對此中試系統(tǒng)的進水段、工藝段以及儲存段的水質(zhì)進行微生物檢測。取樣測試水樣中ATP含量的頻率為每周3次。

1.2 水質(zhì)特點

中試裝置進水取自某條河水，其水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 進水水質(zhì)指標(biāo)及測定方法

1.3 ATP檢測原理及方法

ATP的測定方法主要有物理法、化學(xué)法和酶法。其中，酶法測定是一種操作簡單、反應(yīng)靈敏的分析方法，如用還原性輔酶A的NADH法和熒光素酶法等。該實驗采用的檢測方法為生物熒光素酶法。其原理是熒光素在熒光素酶和Mg2＋的催化作用下產(chǎn)生熒光素-腺苷酸（adenylluciferin）。熒光素-腺苷酸和氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氧化熒光素（oxyluciferin）和單磷酸腺苷（AMP），當(dāng)激發(fā)態(tài)的氧化熒光素從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時會釋放光子，發(fā)出生物熒光（bioluminescence）。反應(yīng)所產(chǎn)生的光和ATP含量成正比，根據(jù)發(fā)光強弱就可以選擇性定量測定ATP的含量［7-8］。其反應(yīng)如下：

ATP的測定采用加拿大LuminUltraTMTechnologies Ltd.公司的Quench-Gone Aqueous（QGATM）測試包，該測試包主要包括熒光素酶試劑（LuminaseTM）、標(biāo)準(zhǔn)試劑（UltraCheckTM1）、cATP裂解液（UltraLyseTM7）、cATP萃取液（UltraLuteTM）、注射器過濾片（Quench-Gone）、注射器（80mL）、試管和參考指南等。檢測儀為LumitesterTM光度計C-110。

實驗步驟如下：

每次進行檢測前使用標(biāo)準(zhǔn)試劑對熒光素酶試劑進行校準(zhǔn)，以校準(zhǔn)光度計所測得的RLU值 （即RLUUC1）與實際ATP濃度的關(guān)系，并確保酶的活性符合實驗要求。

將50mL水樣用0.45μm的濾頭過濾，使水樣中的微生物細(xì)胞截留在濾膜上，然后加入1mL的裂解液使截留在濾膜上的細(xì)胞破裂，使細(xì)胞中的ATP釋放，再加入萃取液將ATP萃取出來。最后將熒光素酶注入含ATP的待測液使待測液發(fā)光，測定其發(fā)光度。測定結(jié)果以RLUcATP值顯示。水樣中的cATP計算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 ATP測試方法的精確度

實驗所用ATP測試方法根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會 （ASTM）的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法［9-10］制定。對于該試驗所用水樣，在相同的實驗條件下同一樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差＜0.156，說明該方法精確度較高。

2.2 ATP監(jiān)測結(jié)果

中試試驗過程中3個取樣點的水樣ATP檢測結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，4月16日—6月20日期間，該中試系統(tǒng)進水水質(zhì)較穩(wěn)定，ATP波動范圍較小。濾后水和出水的ATP值均＜10pg／mL，根據(jù)ATP檢測技術(shù)指導(dǎo)手冊，濾后水和出水的ATP值可以說明該中試系統(tǒng)的工藝段和儲存段中的微生物都得到了有效地控制。從6月20日—8月末，進水水質(zhì)波動較大，濾后水和出水的ATP值開始升高。濾后水ATP值在4～76pg／mL范圍內(nèi)波動，其平均ATP為25pg／mL，該數(shù)據(jù)表明工藝段中滋生的微生物已處于需要采取預(yù)防措施的階段。對出水而言，ATP值在5～112pg／mL范圍內(nèi)波動，其平均ATP為40pg／mL，連續(xù)多天出現(xiàn)出水ATP大于濾后水ATP值的現(xiàn)象。出水ATP升高說明由于工藝段的微生物沒有得到有效控制而進入到清水池中，并且由于清水池停留時間較長，出現(xiàn)了微生物在清水池中滋生的情況。其中有幾天出水ATP值高于100pg／mL，說明清水池需要立即采取 有效的微生物控制措施。

2.2.1 溫度對ATP的影響

溫度對ATP的影響情況如圖3所示。可以分為三個階段。在初始階段 （4—5月中旬），水源地溫度和濕度都處于相對較低的情況，溫度低于22℃，中試裝置的進水、濾后水和出水都較為穩(wěn)定，微生物總量較少。5月下旬—6月末，隨著溫度升高到22～24℃，以及雨水的到來，進水、濾后水和出水的ATP出現(xiàn)小范圍波動。從6月末開始，溫度升高超過24℃，ATP增長較快且增長趨勢與溫度上升趨勢大致相同。這說明水源地溫度的升高非常有利于微生物的增殖與代謝，這與微生物最適宜生長的溫度范圍的結(jié)論基本一致。所以溫度升高可能是導(dǎo)致進水ATP升高以及工藝段和儲存段中微生物滋生的重要原因之一。

2.2.2 紅蟲對ATP的影響

另外，導(dǎo)致7月份ATP升高的原因，除了氣候條件為微生物滋生提供有利條件外，還有可能由于中試系統(tǒng)運行至7月初時，裝置進水中出現(xiàn)了少量體長約10～30mm的紅蟲，至7月10日時，在清水池出水中也發(fā)現(xiàn)了少量紅蟲。該種紅蟲可能是隨原水進入中試裝置，經(jīng)液氯消毒和加藥混凝沉淀后進入沉淀池，然后隨水流進入濾池。紅蟲成蟲可以被濾池截留，但其蟲卵或體積微小的幼蟲可以穿越濾層，進而進入清水池中。由于紅蟲對氯有較強的抗性，且清水池的停留時間較長，紅蟲容易在清水池中生長繁殖。中試系統(tǒng)中紅蟲蟲卵的存在，可能也是造成工藝段和儲存段ATP升高的原因之一。對中試裝置ATP監(jiān)測以及對中試裝置的實際觀察說明，ATP可以反映裝置中微生物的生長情況。

2.3 微生物的控制

由于水源地進水水質(zhì)波動較大，無法對水質(zhì)進行有效控制，固實驗過程中僅對工藝段及儲存段實施了控制措施，并以ATP作為指標(biāo)對工藝段及儲存段液氯投加的處理效果進行評估。

工藝段的液氯投加點設(shè)置于反應(yīng)池前，是常規(guī)的液氯投加點。如圖4所示，4—6月期間，液氯投加量與濾后水ATP的數(shù)值較為穩(wěn)定；7—8月期間，濾后水的ATP值與工藝段液氯的投加量具有負(fù)相關(guān)性，其相關(guān)性系數(shù)為-0.18。從圖4中可以看出，當(dāng)液氯投加量降低時，濾后水ATP開始升高，當(dāng)液氯投加量增加時，濾后水ATP開始下降。這表明在工藝段投加液氯能較好地控制系統(tǒng)中的微生物，液氯的殺菌功效可以得到較好的體現(xiàn)。同時也說明ATP可以實時地監(jiān)測系統(tǒng)中微生物的控制狀況，對工藝段藥劑的投加量具有一定的指導(dǎo)意義。

儲存段液氯投加點位于濾池后清水池前，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)微生物問題時才開始投入使用。為了確保出水中的余氯滿足工業(yè)水的供水標(biāo)準(zhǔn)，清水池中液氯的投加量相對較小。通過圖5可以看出，7—8月，出水ATP值與清水池前液氯的投加量也具有一定的負(fù)相關(guān)性，其相關(guān)性系數(shù)為-0.1。但由于水在清水池中儲存的時間較長且清水池中有微生物繁殖生長，所以負(fù)相關(guān)性相較于工藝段來說較差。

對比工藝段和儲存段的液氯投加中試實驗可以發(fā)現(xiàn)，對于整個工業(yè)水凈水系統(tǒng)來說，最好是在工藝段前或工藝段對微生物進行有效控制，這樣不僅可以降低微生物在清水池以及管網(wǎng)中大量的生長和繁殖，還可以減少后續(xù)處理措施，有效地降低處理成本。

3 結(jié)論

總體而言，ATP生物熒光法可以對工業(yè)水供水系統(tǒng)中的微生物進行簡便、快速地檢測，并有效地評估系統(tǒng)的運行狀況，有助于系統(tǒng)遇到微生物大量滋生的情況時及時采取防范措施，最大限度地減小微生物對系統(tǒng)造成的危害，保證工業(yè)水系統(tǒng)能夠安全運行。但ATP技術(shù)的發(fā)展和運用目前還處于初期階段，仍受到成本控制的約束。希望未來ATP技術(shù)能夠成為簡單、安全、經(jīng)濟、有效的方法成功地運用于工業(yè)水及生活水的日常監(jiān)測中，為工業(yè)水廠及凈水廠的運行提供指導(dǎo)。

［1］O.K.Vang.ATPmeasurements for monitoring microbial drinking water quality［D］.Technical University of Denmark，2013，16-17.

［2］孫立新，蔣展鵬，師紹琪.ATP法測定有機物好氧生物降解性的研究［J］.環(huán)境科學(xué)，1996，17（1）：1-4.

［3］尹軍，桑磊，李琳.ATP檢測在活性污泥工藝中的應(yīng)用進展［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2007，24（3）：7-11.

［4］唐倩倩，葉尊忠，王劍平，等.ATP生物發(fā)光法在微生物檢驗中的應(yīng)用［J］.食品科學(xué)，2008，29（6）：460-465.

［5］余輝.新型水環(huán)境微生物檢測方法研究 ［D］.天津：南開大學(xué)，2012：30-36.

［6］馬波，朱琳.用ATP為參數(shù)優(yōu)化污水處理工藝［J］.城市建設(shè)理論研究，2013（3）.

［7］王龍耀，范利華，肖安風(fēng)，等.ATP的分析方法綜述［J］.天津化工，2003，17（2）：30-33.

［8］楊國棟，馬玉新，楊素萍.熒光素酶法測定活性污泥中ATP［J］.分析測試技術(shù)與儀器，1998，4（4）：241-244.

［9］ASTM D 4012.Standard Test Method for Adenosine Triphosphate（ATP）Content of Microorganisms in Water.

［10］ASTM E 2694-09.Standard Test Method for Measurementof A-denosine Triphosphate in Water-Miscible Metalworking Fluids.

Study on Application of ATP Technology in M icrobial M onitoring of IndustrialW ater Plant

ZHANG Han，ZHOU Min，ZHANG Li-hua，LIYi-wen
（Sino-French Water Development Limited Company，Shanghai Chemical Industry Park，Shanghai201507，China）

The feasibility of application of ATP bioluminescence technology inmicrobialmonitoring in industrialwater plantwas investigated by pilot tests.The results showed that ATPmethod could quickly and easily monitor the growth ofmicroorganism in different processes of industrialwater system.It could also effectively evaluate the operation performance of the system and provide guidance formicrobial control of industrialwater plant.

ATP；bioluminescencemethod；industrialwater plant；microorganism；monitor

X83

A

1673-9655（2015）05-0107-05 0 引言

2015-03-05

張寒，女，碩士，主要從事工業(yè)廢水處理研究。