周筝， 李亚红， 赵小芳

（自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所， 天津 300192）

作为绿地灌溉用水的再生水， 虽经再生处理，但其水质相较地表水来说， 仍属于营养较为丰富的水源， 其氨氮、 BOD5等指标的限值均是地表水的10 倍以上， 在长距离输送过程中极易滋生各种微生物。 基于生物安全性考虑， 在再生水的输配过程中需对其进行杀菌处理， 控菌目标主要是病源微生物［1-3］。 在再生水输配中， 除了病源微生物的滋生可能带来的生物安全问题外， 还存在因其他微生物， 如异养菌、 铁细菌和硫酸盐还原菌（SRB）等滋生可能引起的管网腐蚀和水质二次污染等问题。李静静等［4］研究了再生水运输过程中硫氧化菌对水泥材料的腐蚀影响。 万剑梅等［5］采用再生水回用作循环冷却水补水水源， 研究了从3 倍浓缩再生水中分离出的SRB 在培养基中的腐蚀行为， 认为SRB 通过形成生物膜， 使碳钢表面粗糙并造成腐蚀深坑。 张静［6］采用微观形貌分析法表征了弗氏柠檬酸杆菌在铜合金表面的成膜特征， 认为再生水中的弗氏柠檬酸杆菌通过形成生物膜可对火电厂铜质热交换器局部腐蚀造成危害。 张超［7］通过模拟输水试验， 研究了铸铁管道腐蚀产物和水质的沿程变化， 由于腐蚀作用， 再生水中磷酸盐含量沿程减少， 但铁沉淀物沿程增加， 且再生水水质对腐蚀影响不明显， 铸铁腐蚀可能由微生物作用引起。 目前， 在再生水输送管道腐蚀和水质变化等方面有一定研究， 但对如何防护还鲜有报道。 在工业生产中， 非氧化性杀生剂被广泛用于防治因细菌繁殖而引起的各种腐蚀、 污堵等危害， 针对性的性能评价研究也有很多［8-10］， 但较少涉及非氧化性杀生剂在再生水输送环境中的性能研究。

异养菌是一类生活于水中利用有机物分子作为能源的浮游细菌的总称， 其存在和数量可以直接反映输水系统的微生物污染程度。 本研究以异养菌为试验菌种， 以A2O-MBR 出水为试验用水， 考察了非氧化性杀生剂SW303 在再生水中的杀菌有效性，为今后在再生水长距离输配中采取除加氯以外的有效的防生物附着措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验用水

试验用再生水取自山西晋阳污水处理厂， 经A2O-MBR 一体化处理后， 水质指标如表1 所示。

表1 试验用再生水水质Tab. 1 Quality of experimental reclaimed water

1.2 试验材料

试验用非氧化性杀生剂SW303 为工业品，SW303 是一种以有机硫类非氧化性杀生剂为主剂，以无机盐、 水等复合的复合型杀生剂， 主要通过破坏细胞蛋白质来对细菌进行杀灭， 在工业水处理中有广泛应用［10-12］。

1.3 细菌接种物的制备

参照GB／T 34550.3—2017《海水冷却水处理药剂性能评价方法 第3 部分： 菌藻抑制性能的测定》附录C， 取1 mL 再生水水样， 接种到100 mL 异养菌液体培养基中， 在再生水回用输送管道的运行温度（20±0.2） ℃下培养48 ～72 h， 得到异养菌富集菌种。 异养菌液体培养基配方为： 牛肉膏3.0 g， 蛋白胨10.0 g， 氯化钠5.0 g， 蒸馏水1 000 mL。

1.4 试验方法

采用实验室静态试验法， 测定不同浓度SW303在不同暴露时间下的杀菌率和最小杀菌浓度。 使用预先灭菌的再生水对异养菌富集菌液进行稀释， 取稀释液按体积比为1 ∶100 接种到预先灭菌的再生水中， 制备含菌量在1×105CFU／mL 数量级再生水菌悬液， 然后将菌悬液按每瓶100 mL 分装到一系列250 mL 灭菌锥形瓶中。 分别移取0、 0.1、 0.2、 0.5和1 mL 现配现用的1 g／L SW303 储备液至分装后的系列100 mL 菌悬液中， 得到药剂质量浓度分别为0、 1、 2、 5 和10 mg／L 的试验液。 将试验液微振摇匀后， 移至（20±0.2）℃恒温箱中静置， 并分别于1、 4、 6、 24、 48 和72 h 后取样测定试验液的含菌量Bit。 其中， 0 mg／L 试验样为阴性对照样， 将其移入恒温箱前需先测定其含菌量记为初始含菌量B0。每种浓度的试验样制备3 个平行样， 取平行样的平均值作为试验结果。 杀菌率计算公式如下：

式中： Kit为至t 时刻第i 试验样的杀菌率， %；Bit为至t 时刻第i 试验样的含菌量， CFU／mL； B0为阴性对照样的初始含菌量， CFU／mL。

1.5 分析方法

pH 值采用玻璃电极法， TDS 采用重量法， 浊度采用分光光度法， 溶解氧采用碘量法， COD 采用重铬酸钾法， BOD5采用五日培养法， 异养菌总数采用平皿计数法。

2 结果与讨论

2.1 异养菌在对照样再生水中的生长趋势

在未加药的情况下， 当异养菌被转接到新鲜的再生水中后， 表现出明显的生长趋势， 结果如图1所示。 在经历约6 h 的延迟期后， 异养菌总数开始增加， 24 h 增加了1.3 个数量级， 此后增长速度变缓， 但仍保持增长趋势， 至72 h 增加了1.9 个数量级， 菌数从最初的105CFU／mL 数量级增加到接近107CFU／mL。 由此可见， 虽然经A2O-MBR 一体化处理后再生水中BOD5和COD 浓度均不高， 且B／C值小于0.3， 但从试验结果来看， 细菌在这种水质情况下的生长繁殖趋势仍很明显， 张超［7］的研究结果表明异养菌在再生水的长距离输送过程中存在沿程升高的趋势。 如果对这种再生水不加处理， 输配管道将存在形成生物黏泥堵塞和腐蚀管道的风险。

图1 对照样（未加药）再生水中异养菌生长趋势Fig. 1 Growth curve of heterotrophic bacteria in reclaimed water of control sample（without biocide）

2.2 加药浓度对SW303 杀菌效果的影响

20 ℃下向含菌量为1×105CFU／mL 数量级的再生水菌悬液中投加SW303， 考察不同浓度SW303对异养菌的杀灭效果， 探讨其最小杀菌浓度， 结果如图2 所示。 在相同的暴露时间下， SW303 对异养菌的杀菌率随SW303 加药浓度的增大而逐渐增大。 杀生剂的静态杀菌试验一般用于测其最小杀菌浓度， 而最小杀菌浓度是指在杀菌率达到90% 时所对应的加药浓度［13］。 由图2 可知， 在1 h 和4 h的暴露时间下SW303 所有加药浓度下的杀菌率均未能达到90%； 6 h 时低浓度SW303（1 mg／L 和2 mg／L）的杀菌率仍未能达到90%， 高浓度SW303（5 mg／L 和10 mg／L） 的 杀 菌 率 分 别 为91.9% 和99.3%； 24 h 时仅在SW303 加药浓度为1 mg／L 时未能达到90%， 其余浓度的杀菌率均超过90%，最大值达到99.9%。 可见， 不同的暴露时间对应不同的SW303 最小杀菌浓度， 当暴露时间不超过4 h时， 若想对异养菌实现90% 的杀菌率， SW303 的最小杀菌浓度必须大于10 mg／L， 当暴露时间分别为6 h 和24 h 时， 若想对异养菌实现90% 的杀菌率， SW303 的最小杀菌浓度分别为5 mg／L 和2 mg／L。 随着暴露时间的延长， SW303 的最小杀菌浓度呈逐渐减少趋势。

图2 SW303 加药浓度对再生水中异养菌的杀灭效果的影响Fig. 2 Effect of SW303 concentration on bactericidal efficiency of heterotrophic bacteria in reclaimed water

2.3 暴露时间对SW303 杀菌效果的影响

20 ℃下以含菌量为1×105CFU／mL 数量级的再生水菌悬液为研究对象， 考察暴露时间对SW303 的杀菌效果的影响， 结果如图3 所示。 在不同的暴露时间下， 不同浓度的SW303 对异养菌的杀灭效果表现并不一致。 在未加药的对照样中异养菌有一个菌数相对稳定的延迟期（6 h）， 随后大幅增殖（见图3（a））。 而各加药处理样没有出现延迟期， 在1 h内均已表现出明显的杀菌效果， 杀菌率为19.6%～52.2%（见图3（b））。 24 h 内各处理样的杀菌率均呈上升趋势， 但随着暴露时间的延长， 不同浓度SW303 的杀菌效果出现差异化趋势， 即低浓度（如1 mg／L 和2 mg／L）SW303 的杀菌率呈下降趋势， 高浓度（如5 mg／L 和10 mg／L）SW303 的杀菌率继续呈上升趋势， 直至达到并维持100%。

图3 暴露时间对SW303 杀菌效果的影响Fig. 3 Effect of exposure time on bactericidal efficiency of SW303

异养菌在新鲜的接种环境中需要经历一个长约6 h 的延迟期， 这一延迟期也是SW303 对其进行杀灭的最佳时期， 各处理样在1 ～6 h 间均表现出了杀菌率快速增长的趋势， 但在6 h 后增长速度明显放缓， 24 h 后更是出现2 种不同的趋势： 一种逐渐下降并出现负值， 说明此时异养菌数已高于试验开始时的菌数， 如SW303 加药浓度分别为1 mg／L 和2 mg／L 的处理样； 一种进入杀菌率为100%的稳定期， 且这种状态可以保持长达72 h 以上， 如SW303 加药浓度分别为5 mg／L 和10 mg／L 的处理样。 分析认为， 在暴露时间为6 h 时这种分化趋势已有显现， 即在6 h 时杀菌率能够达到90% 以上的处理样， 仍然可以对异养菌实现长时间（72 h 以上的）的完全杀灭， 否则， 即使在24 h 时能达到90% 的杀菌率， 剩余的10% 异养菌仍然可以在24 h 内重新进入对数生长期， 如2 mg／L 处理样。

SW303 是一种硫环化合物， 主要通过开环反应破坏细菌胞内蛋白质， 使之发生不可逆失活， 从而发挥抗菌活性。 这种不可逆一方面针对细菌细胞， 一方面同样适用于SW303 分子。 如果某一浓度的杀生剂在延迟期结束时杀菌率能达到90%，则其药效持续时间可以相对较长（72 h 以上）， 否则， 即使其在延迟期后杀菌率能达到90%， 对异养菌的控制也将于短期内失效（24 h 内）。

2.4 SW303 起效速度和药效持续时间

工业生产中， 在保证技术有效性的同时， 运营经济性也同样需要考虑， 为此， 工业水处理的控菌处理目标并不要求全运营时段下实现100% 的杀菌效果， 而只要求将异养菌数控制在一个不产生危害的水平下即可。 基于以上目标， 水处理系统的异养菌数一般要求控制在1×105CFU／mL 以下。 为此，在静态杀菌试验中， 以1×105CFU／mL 菌数作为起始菌数， 检测杀生剂的杀菌效果， 并以90%杀菌率作为杀生剂有效性达标评价指标［14］。 低浓度SW303（如1 mg／L 和2 mg／L）在较短的暴露时间（如1 h）下对异养菌增殖的控制效果较差， 杀菌率小于30%；而在较长的暴露时间（如48 h 和72 h）下对异养菌增殖无控制效果， 异养菌数不减反增， 甚至超过试验初始菌数。 较高浓度SW303（如5 mg／L 和10 mg／L）， 在较短的暴露时间（如1 h）下对异养菌增殖的控制效果也不甚理想， 杀菌率均小于60%。虽然延长暴露时间可以提高SW303 的杀菌率， 但1 mg／L 的SW303 在72 h 的试验周期内始终未能达到90%以上的杀菌率， SW303 加药浓度为2、 5 和10 mg／L 时分别需要暴露24 h、 6 h 和4 h 才能达到90% 的杀菌率， 达到有效性需要的时间随加药浓度增加而减少。 不同浓度的SW303 控制异养菌增殖的有效时间也不同， 1 mg／L SW303 在72 h 试验周期中均未能对异养菌繁殖实现有效控制； 2 mg／L的有效控制时间在24 h 左右， 5 mg／L 和10 mg／L则在72 h 以上。 可见， SW303 的起效速度和药效持续时间与加药浓度和暴露时间均密切相关， 加药浓度越高， SW303 起效越快， 药剂有效的持续时间越长。 因此， 要实现对异养菌增殖的经济、 有效控制， 必须综合考虑药剂浓度和暴露时间， 即要采用合适的杀生剂加药浓度， 并保证足够的暴露时间。

3 结论

（1） 在不加药的情况下， 异养菌在再生水中经历一段菌数相对稳定的、 长约6 h 的延迟期后， 具有明显的增殖趋势， 因此， 要实现对输配管网的腐蚀防护并稳定再生水水质， 必须采取杀菌处理。

（2） 非氧化性杀生剂SW303 在再生水中对异养菌的杀灭效果具有明显的浓度效应： ①在相同的暴露时间下， 随着SW303 浓度增大， SW303 的杀菌率逐渐增大； ②不同的暴露时间对应不同的SW303 最小杀菌浓度， 且随暴露时间的延长， 达到90% 杀菌率所需最小杀菌浓度相应减小， 暴露时间为4、 6、 24 h 时对应的SW303 最小杀菌浓度分别为10、 5、 2 mg／L。

（3） 与不加药的对照样不同， 各浓度SW303的处理样均未表现出延迟期特征， 且在6 h 内杀菌率呈快速增长趋势， 然后增长速度明显放缓， 24 h后更是分化为2 种趋势： 低浓度SW303（1 mg／L 和2 mg／L）杀菌率逐渐下降并出现负值， 高浓度SW303（5 mg／L 和10 mg／L）进入杀菌率为100%的稳定期。这种分化与各浓度样在延迟期（6 h）结束时的杀菌率是否能达到90% 密切相关， 若能达到90%， 则可进入一个相对较长的完全杀菌的稳定期（72 h 以上），否则， 对异养菌的控制将于短期内失效（24 h 内）。

（4） 非氧化性杀生剂SW303 对异养菌的杀灭速度和药效持续时间均与SW303 的加药浓度和暴露时间密切相关， 加药浓度为2、 5 和10 mg／L 时对应需要24、 6 和4 h 的暴露时间才能达到90%的杀菌率， 1mg／L SW303 在72 h 试验周期中均未能对异养菌增殖实现有效控制； 加药浓度分别为2、 5 和10 mg／L 时对异养菌的有效控制时间对应为小于24 h、 超过72 h 和超过72 h。 加药浓度越大， 暴露时间越长， SW303 对异养菌的杀灭率越高。 因此， 要经济、 有效地控制再生水中异养菌的增殖， 必须综合考虑采用合适的杀生剂加药浓度以及保证足够的暴露时间两方面因素。