SW303 殺生劑對再生水中異養(yǎng)菌的殺滅作用

周箏， 李亞紅， 趙小芳

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所， 天津 300192）

作為綠地灌溉用水的再生水， 雖經(jīng)再生處理，但其水質(zhì)相較地表水來說， 仍屬于營養(yǎng)較為豐富的水源， 其氨氮、 BOD5等指標(biāo)的限值均是地表水的10 倍以上， 在長距離輸送過程中極易滋生各種微生物。 基于生物安全性考慮， 在再生水的輸配過程中需對其進行殺菌處理， 控菌目標(biāo)主要是病源微生物［1-3］。 在再生水輸配中， 除了病源微生物的滋生可能帶來的生物安全問題外， 還存在因其他微生物， 如異養(yǎng)菌、 鐵細菌和硫酸鹽還原菌（SRB）等滋生可能引起的管網(wǎng)腐蝕和水質(zhì)二次污染等問題。李靜靜等［4］研究了再生水運輸過程中硫氧化菌對水泥材料的腐蝕影響。 萬劍梅等［5］采用再生水回用作循環(huán)冷卻水補水水源， 研究了從3 倍濃縮再生水中分離出的SRB 在培養(yǎng)基中的腐蝕行為， 認為SRB 通過形成生物膜， 使碳鋼表面粗糙并造成腐蝕深坑。 張靜［6］采用微觀形貌分析法表征了弗氏檸檬酸桿菌在銅合金表面的成膜特征， 認為再生水中的弗氏檸檬酸桿菌通過形成生物膜可對火電廠銅質(zhì)熱交換器局部腐蝕造成危害。 張超［7］通過模擬輸水試驗， 研究了鑄鐵管道腐蝕產(chǎn)物和水質(zhì)的沿程變化， 由于腐蝕作用， 再生水中磷酸鹽含量沿程減少， 但鐵沉淀物沿程增加， 且再生水水質(zhì)對腐蝕影響不明顯， 鑄鐵腐蝕可能由微生物作用引起。 目前， 在再生水輸送管道腐蝕和水質(zhì)變化等方面有一定研究， 但對如何防護還鮮有報道。 在工業(yè)生產(chǎn)中， 非氧化性殺生劑被廣泛用于防治因細菌繁殖而引起的各種腐蝕、 污堵等危害， 針對性的性能評價研究也有很多［8-10］， 但較少涉及非氧化性殺生劑在再生水輸送環(huán)境中的性能研究。

異養(yǎng)菌是一類生活于水中利用有機物分子作為能源的浮游細菌的總稱， 其存在和數(shù)量可以直接反映輸水系統(tǒng)的微生物污染程度。 本研究以異養(yǎng)菌為試驗菌種， 以A2O-MBR 出水為試驗用水， 考察了非氧化性殺生劑SW303 在再生水中的殺菌有效性，為今后在再生水長距離輸配中采取除加氯以外的有效的防生物附著措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用再生水取自山西晉陽污水處理廠， 經(jīng)A2O-MBR 一體化處理后， 水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 試驗用再生水水質(zhì)Tab. 1 Quality of experimental reclaimed water

1.2 試驗材料

試驗用非氧化性殺生劑SW303 為工業(yè)品，SW303 是一種以有機硫類非氧化性殺生劑為主劑，以無機鹽、 水等復(fù)合的復(fù)合型殺生劑， 主要通過破壞細胞蛋白質(zhì)來對細菌進行殺滅， 在工業(yè)水處理中有廣泛應(yīng)用［10-12］。

1.3 細菌接種物的制備

參照GB／T 34550.3—2017《海水冷卻水處理藥劑性能評價方法 第3 部分： 菌藻抑制性能的測定》附錄C， 取1 mL 再生水水樣， 接種到100 mL 異養(yǎng)菌液體培養(yǎng)基中， 在再生水回用輸送管道的運行溫度（20±0.2） ℃下培養(yǎng)48 ～72 h， 得到異養(yǎng)菌富集菌種。 異養(yǎng)菌液體培養(yǎng)基配方為： 牛肉膏3.0 g， 蛋白胨10.0 g， 氯化鈉5.0 g， 蒸餾水1 000 mL。

1.4 試驗方法

采用實驗室靜態(tài)試驗法， 測定不同濃度SW303在不同暴露時間下的殺菌率和最小殺菌濃度。 使用預(yù)先滅菌的再生水對異養(yǎng)菌富集菌液進行稀釋， 取稀釋液按體積比為1 ∶100 接種到預(yù)先滅菌的再生水中， 制備含菌量在1×105CFU／mL 數(shù)量級再生水菌懸液， 然后將菌懸液按每瓶100 mL 分裝到一系列250 mL 滅菌錐形瓶中。 分別移取0、 0.1、 0.2、 0.5和1 mL 現(xiàn)配現(xiàn)用的1 g／L SW303 儲備液至分裝后的系列100 mL 菌懸液中， 得到藥劑質(zhì)量濃度分別為0、 1、 2、 5 和10 mg／L 的試驗液。 將試驗液微振搖勻后， 移至（20±0.2）℃恒溫箱中靜置， 并分別于1、 4、 6、 24、 48 和72 h 后取樣測定試驗液的含菌量Bit。 其中， 0 mg／L 試驗樣為陰性對照樣， 將其移入恒溫箱前需先測定其含菌量記為初始含菌量B0。每種濃度的試驗樣制備3 個平行樣， 取平行樣的平均值作為試驗結(jié)果。 殺菌率計算公式如下：

式中： Kit為至t 時刻第i 試驗樣的殺菌率， %；Bit為至t 時刻第i 試驗樣的含菌量， CFU／mL； B0為陰性對照樣的初始含菌量， CFU／mL。

1.5 分析方法

pH 值采用玻璃電極法， TDS 采用重量法， 濁度采用分光光度法， 溶解氧采用碘量法， COD 采用重鉻酸鉀法， BOD5采用五日培養(yǎng)法， 異養(yǎng)菌總數(shù)采用平皿計數(shù)法。

2 結(jié)果與討論

2.1 異養(yǎng)菌在對照樣再生水中的生長趨勢

在未加藥的情況下， 當(dāng)異養(yǎng)菌被轉(zhuǎn)接到新鮮的再生水中后， 表現(xiàn)出明顯的生長趨勢， 結(jié)果如圖1所示。 在經(jīng)歷約6 h 的延遲期后， 異養(yǎng)菌總數(shù)開始增加， 24 h 增加了1.3 個數(shù)量級， 此后增長速度變緩， 但仍保持增長趨勢， 至72 h 增加了1.9 個數(shù)量級， 菌數(shù)從最初的105CFU／mL 數(shù)量級增加到接近107CFU／mL。 由此可見， 雖然經(jīng)A2O-MBR 一體化處理后再生水中BOD5和COD 濃度均不高， 且B／C值小于0.3， 但從試驗結(jié)果來看， 細菌在這種水質(zhì)情況下的生長繁殖趨勢仍很明顯， 張超［7］的研究結(jié)果表明異養(yǎng)菌在再生水的長距離輸送過程中存在沿程升高的趨勢。 如果對這種再生水不加處理， 輸配管道將存在形成生物黏泥堵塞和腐蝕管道的風(fēng)險。

圖1 對照樣（未加藥）再生水中異養(yǎng)菌生長趨勢Fig. 1 Growth curve of heterotrophic bacteria in reclaimed water of control sample（without biocide）

2.2 加藥濃度對SW303 殺菌效果的影響

20 ℃下向含菌量為1×105CFU／mL 數(shù)量級的再生水菌懸液中投加SW303， 考察不同濃度SW303對異養(yǎng)菌的殺滅效果， 探討其最小殺菌濃度， 結(jié)果如圖2 所示。 在相同的暴露時間下， SW303 對異養(yǎng)菌的殺菌率隨SW303 加藥濃度的增大而逐漸增大。 殺生劑的靜態(tài)殺菌試驗一般用于測其最小殺菌濃度， 而最小殺菌濃度是指在殺菌率達到90% 時所對應(yīng)的加藥濃度［13］。 由圖2 可知， 在1 h 和4 h的暴露時間下SW303 所有加藥濃度下的殺菌率均未能達到90%； 6 h 時低濃度SW303（1 mg／L 和2 mg／L）的殺菌率仍未能達到90%， 高濃度SW303（5 mg／L 和10 mg／L） 的 殺 菌 率 分 別 為91.9% 和99.3%； 24 h 時僅在SW303 加藥濃度為1 mg／L 時未能達到90%， 其余濃度的殺菌率均超過90%，最大值達到99.9%。 可見， 不同的暴露時間對應(yīng)不同的SW303 最小殺菌濃度， 當(dāng)暴露時間不超過4 h時， 若想對異養(yǎng)菌實現(xiàn)90% 的殺菌率， SW303 的最小殺菌濃度必須大于10 mg／L， 當(dāng)暴露時間分別為6 h 和24 h 時， 若想對異養(yǎng)菌實現(xiàn)90% 的殺菌率， SW303 的最小殺菌濃度分別為5 mg／L 和2 mg／L。 隨著暴露時間的延長， SW303 的最小殺菌濃度呈逐漸減少趨勢。

圖2 SW303 加藥濃度對再生水中異養(yǎng)菌的殺滅效果的影響Fig. 2 Effect of SW303 concentration on bactericidal efficiency of heterotrophic bacteria in reclaimed water

2.3 暴露時間對SW303 殺菌效果的影響

20 ℃下以含菌量為1×105CFU／mL 數(shù)量級的再生水菌懸液為研究對象， 考察暴露時間對SW303 的殺菌效果的影響， 結(jié)果如圖3 所示。 在不同的暴露時間下， 不同濃度的SW303 對異養(yǎng)菌的殺滅效果表現(xiàn)并不一致。 在未加藥的對照樣中異養(yǎng)菌有一個菌數(shù)相對穩(wěn)定的延遲期（6 h）， 隨后大幅增殖（見圖3（a））。 而各加藥處理樣沒有出現(xiàn)延遲期， 在1 h內(nèi)均已表現(xiàn)出明顯的殺菌效果， 殺菌率為19.6%～52.2%（見圖3（b））。 24 h 內(nèi)各處理樣的殺菌率均呈上升趨勢， 但隨著暴露時間的延長， 不同濃度SW303 的殺菌效果出現(xiàn)差異化趨勢， 即低濃度（如1 mg／L 和2 mg／L）SW303 的殺菌率呈下降趨勢， 高濃度（如5 mg／L 和10 mg／L）SW303 的殺菌率繼續(xù)呈上升趨勢， 直至達到并維持100%。

圖3 暴露時間對SW303 殺菌效果的影響Fig. 3 Effect of exposure time on bactericidal efficiency of SW303

異養(yǎng)菌在新鮮的接種環(huán)境中需要經(jīng)歷一個長約6 h 的延遲期， 這一延遲期也是SW303 對其進行殺滅的最佳時期， 各處理樣在1 ～6 h 間均表現(xiàn)出了殺菌率快速增長的趨勢， 但在6 h 后增長速度明顯放緩， 24 h 后更是出現(xiàn)2 種不同的趨勢： 一種逐漸下降并出現(xiàn)負值， 說明此時異養(yǎng)菌數(shù)已高于試驗開始時的菌數(shù)， 如SW303 加藥濃度分別為1 mg／L 和2 mg／L 的處理樣； 一種進入殺菌率為100%的穩(wěn)定期， 且這種狀態(tài)可以保持長達72 h 以上， 如SW303 加藥濃度分別為5 mg／L 和10 mg／L 的處理樣。 分析認為， 在暴露時間為6 h 時這種分化趨勢已有顯現(xiàn)， 即在6 h 時殺菌率能夠達到90% 以上的處理樣， 仍然可以對異養(yǎng)菌實現(xiàn)長時間（72 h 以上的）的完全殺滅， 否則， 即使在24 h 時能達到90% 的殺菌率， 剩余的10% 異養(yǎng)菌仍然可以在24 h 內(nèi)重新進入對數(shù)生長期， 如2 mg／L 處理樣。

SW303 是一種硫環(huán)化合物， 主要通過開環(huán)反應(yīng)破壞細菌胞內(nèi)蛋白質(zhì)， 使之發(fā)生不可逆失活， 從而發(fā)揮抗菌活性。 這種不可逆一方面針對細菌細胞， 一方面同樣適用于SW303 分子。 如果某一濃度的殺生劑在延遲期結(jié)束時殺菌率能達到90%，則其藥效持續(xù)時間可以相對較長（72 h 以上）， 否則， 即使其在延遲期后殺菌率能達到90%， 對異養(yǎng)菌的控制也將于短期內(nèi)失效（24 h 內(nèi)）。

2.4 SW303 起效速度和藥效持續(xù)時間

工業(yè)生產(chǎn)中， 在保證技術(shù)有效性的同時， 運營經(jīng)濟性也同樣需要考慮， 為此， 工業(yè)水處理的控菌處理目標(biāo)并不要求全運營時段下實現(xiàn)100% 的殺菌效果， 而只要求將異養(yǎng)菌數(shù)控制在一個不產(chǎn)生危害的水平下即可。 基于以上目標(biāo)， 水處理系統(tǒng)的異養(yǎng)菌數(shù)一般要求控制在1×105CFU／mL 以下。 為此，在靜態(tài)殺菌試驗中， 以1×105CFU／mL 菌數(shù)作為起始菌數(shù)， 檢測殺生劑的殺菌效果， 并以90%殺菌率作為殺生劑有效性達標(biāo)評價指標(biāo)［14］。 低濃度SW303（如1 mg／L 和2 mg／L）在較短的暴露時間（如1 h）下對異養(yǎng)菌增殖的控制效果較差， 殺菌率小于30%；而在較長的暴露時間（如48 h 和72 h）下對異養(yǎng)菌增殖無控制效果， 異養(yǎng)菌數(shù)不減反增， 甚至超過試驗初始菌數(shù)。 較高濃度SW303（如5 mg／L 和10 mg／L）， 在較短的暴露時間（如1 h）下對異養(yǎng)菌增殖的控制效果也不甚理想， 殺菌率均小于60%。雖然延長暴露時間可以提高SW303 的殺菌率， 但1 mg／L 的SW303 在72 h 的試驗周期內(nèi)始終未能達到90%以上的殺菌率， SW303 加藥濃度為2、 5 和10 mg／L 時分別需要暴露24 h、 6 h 和4 h 才能達到90% 的殺菌率， 達到有效性需要的時間隨加藥濃度增加而減少。 不同濃度的SW303 控制異養(yǎng)菌增殖的有效時間也不同， 1 mg／L SW303 在72 h 試驗周期中均未能對異養(yǎng)菌繁殖實現(xiàn)有效控制； 2 mg／L的有效控制時間在24 h 左右， 5 mg／L 和10 mg／L則在72 h 以上。 可見， SW303 的起效速度和藥效持續(xù)時間與加藥濃度和暴露時間均密切相關(guān)， 加藥濃度越高， SW303 起效越快， 藥劑有效的持續(xù)時間越長。 因此， 要實現(xiàn)對異養(yǎng)菌增殖的經(jīng)濟、 有效控制， 必須綜合考慮藥劑濃度和暴露時間， 即要采用合適的殺生劑加藥濃度， 并保證足夠的暴露時間。

3 結(jié)論

（1） 在不加藥的情況下， 異養(yǎng)菌在再生水中經(jīng)歷一段菌數(shù)相對穩(wěn)定的、 長約6 h 的延遲期后， 具有明顯的增殖趨勢， 因此， 要實現(xiàn)對輸配管網(wǎng)的腐蝕防護并穩(wěn)定再生水水質(zhì)， 必須采取殺菌處理。

（2） 非氧化性殺生劑SW303 在再生水中對異養(yǎng)菌的殺滅效果具有明顯的濃度效應(yīng)： ①在相同的暴露時間下， 隨著SW303 濃度增大， SW303 的殺菌率逐漸增大； ②不同的暴露時間對應(yīng)不同的SW303 最小殺菌濃度， 且隨暴露時間的延長， 達到90% 殺菌率所需最小殺菌濃度相應(yīng)減小， 暴露時間為4、 6、 24 h 時對應(yīng)的SW303 最小殺菌濃度分別為10、 5、 2 mg／L。

（3） 與不加藥的對照樣不同， 各濃度SW303的處理樣均未表現(xiàn)出延遲期特征， 且在6 h 內(nèi)殺菌率呈快速增長趨勢， 然后增長速度明顯放緩， 24 h后更是分化為2 種趨勢： 低濃度SW303（1 mg／L 和2 mg／L）殺菌率逐漸下降并出現(xiàn)負值， 高濃度SW303（5 mg／L 和10 mg／L）進入殺菌率為100%的穩(wěn)定期。這種分化與各濃度樣在延遲期（6 h）結(jié)束時的殺菌率是否能達到90% 密切相關(guān)， 若能達到90%， 則可進入一個相對較長的完全殺菌的穩(wěn)定期（72 h 以上），否則， 對異養(yǎng)菌的控制將于短期內(nèi)失效（24 h 內(nèi)）。

（4） 非氧化性殺生劑SW303 對異養(yǎng)菌的殺滅速度和藥效持續(xù)時間均與SW303 的加藥濃度和暴露時間密切相關(guān)， 加藥濃度為2、 5 和10 mg／L 時對應(yīng)需要24、 6 和4 h 的暴露時間才能達到90%的殺菌率， 1mg／L SW303 在72 h 試驗周期中均未能對異養(yǎng)菌增殖實現(xiàn)有效控制； 加藥濃度分別為2、 5 和10 mg／L 時對異養(yǎng)菌的有效控制時間對應(yīng)為小于24 h、 超過72 h 和超過72 h。 加藥濃度越大， 暴露時間越長， SW303 對異養(yǎng)菌的殺滅率越高。 因此， 要經(jīng)濟、 有效地控制再生水中異養(yǎng)菌的增殖， 必須綜合考慮采用合適的殺生劑加藥濃度以及保證足夠的暴露時間兩方面因素。