使用聚環(huán)氧琥珀酸水處理劑時(shí)水中異養(yǎng)菌繁殖的影響因素

傅曉萍，李本高，劉小平

（1中國石油化工有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京100083；2中國石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南京210048）

研究開發(fā)

使用聚環(huán)氧琥珀酸水處理劑時(shí)水中異養(yǎng)菌繁殖的影響因素

傅曉萍1，李本高1，劉小平2

（1中國石油化工有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京100083；2中國石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南京210048）

采用微生物培養(yǎng)菌落計(jì)數(shù)法研究了使用聚環(huán)氧琥珀酸水處理劑時(shí)水中PESA、磷、通氣量、初始菌數(shù)及pH值對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響，結(jié)果表明：PESA使用濃度較低時(shí)對(duì)異養(yǎng)菌繁殖影響較小，濃度增加促進(jìn)異養(yǎng)菌生長期繁殖；磷酸鹽促進(jìn)異養(yǎng)菌穩(wěn)定期繁殖；通氣對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖影響不明顯；初始菌數(shù)對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的穩(wěn)定期影響不明顯；pH值對(duì)異養(yǎng)菌的生長繁殖影響較大。

聚環(huán)氧琥珀酸；異養(yǎng)菌；影響因素

Abstract：The effects of polyepoxysuccinic acid（PESA），phosphorus，ventilation，initial amount of heterotrophic bacteria and pH value on the growth of heterotrophic bacteria in the water using PESA as a water treatment agent were studied by the flat-dish numeration method. The results showed that PESA had little influence on the breeding of heterotrophic bacteria at a low concentration，while it promoted the growth rate of heterotrophic bacteria as its concentration increased. The higher the concentration of phosphate，the more the amount of heterotrophic bacteria in the stable breeding period. Ventilation had no effect on the growth of heterotrophic bacteria. The initial amount of heterotrophic bacteria had little influence on the amount during the balance period. The pH value had a significant impact on the breeding of heterotrophic bacteria.

Key words：polyepoxysuccinic；heterotrophic bacteria acid；influence factors

日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，推動(dòng)水處理劑向易生物降解、環(huán)境友好性方向發(fā)展[1]。易生物降解水處理劑對(duì)環(huán)境友好，使用后能在自然環(huán)境中生物降解，對(duì)環(huán)境不造成負(fù)面影響，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。20世紀(jì) 90年代以來，相繼研究開發(fā)出如聚天冬氨酸、聚環(huán)氧琥珀酸等環(huán)保型水處理劑并逐漸得到廣泛應(yīng)用。然而在工業(yè)應(yīng)用中，使用環(huán)保型水處理劑的循環(huán)水系統(tǒng)微生物繁殖加快，控制難度加大。

異養(yǎng)菌是循環(huán)冷卻水中數(shù)量和種類最多的一類微生物，代謝產(chǎn)物容易形成生物黏泥，導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)惡化，設(shè)備腐蝕和結(jié)垢，是循環(huán)水系統(tǒng)控制的主要微生物。通常將微生物繁殖過程分為延遲期、生長期、穩(wěn)定期、衰亡期。PESA為易生物降解水處理劑[3]，探索使用PESA水處理劑時(shí)水中異養(yǎng)菌繁殖的影響因素，對(duì)于降低環(huán)保型水處理劑使用過程中產(chǎn)生的負(fù)面影響，正確有效控制好循環(huán)水中的微生物具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

KH2PO4、K2HPO4·3H2O、Na2HPO4·12H2O、CaCl2、MgSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、NaOH、HCl、Ba(OH)2·8H2O，葡萄糖均為AR級(jí)；蛋白胨（大豆）、牛肉膏、瓊脂粉均為生化試劑；PESA為工業(yè)品。

1.2 菌種

菌種選取循環(huán)水系統(tǒng)中大量存在的異養(yǎng)菌，分析其中的優(yōu)勢菌種，由13種細(xì)菌混合而成，包括5種革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌、枯草桿菌黑色變種芽孢菌、地衣芽孢桿菌、藤黃八疊球菌、枯草芽孢桿菌）和8種革蘭氏陰性菌（大腸埃希氏菌、施氏假單胞菌、嗜水氣單胞菌、乙酸鈣不動(dòng)桿菌、糞產(chǎn)堿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、銅綠假單胞菌、弗氏檸檬酸細(xì)菌），菌種購于中科院生物研究所。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法見中國石化《冷卻水分析和試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)溶液為北京自來水：NH4+的質(zhì)量濃度為60 mg/L，pH值為8或根據(jù)需要，PO43－的質(zhì)量濃度為20 mg/L 或根據(jù)需要，初始菌數(shù)為(1.0×104)～(1.0×105)cfu/mL或根據(jù)需要，加入質(zhì)量濃度200 mg/L或根據(jù)需要的PESA后放入30 ℃恒溫槽，用乳膠管接上曝氣器，通入壓縮空氣。采用菌落計(jì)數(shù)法每24 h測定試驗(yàn)溶液中異養(yǎng)菌數(shù)，以菌數(shù)對(duì)時(shí)間作圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 PESA的濃度對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響

碳源是構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的物質(zhì)，是構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)、產(chǎn)生維持生命所需能量的物質(zhì)。在循環(huán)冷卻水條件下，PESA的使用為微生物提供了優(yōu)質(zhì)有機(jī)碳源。試驗(yàn)條件：pH值為8的北京水中NH4+的質(zhì)量濃度為60 mg/L，PO43－的質(zhì)量濃度為 20 mg/L，初始菌數(shù)為(1.0×104)～(1.0×105) cfu/mL，通入壓縮空氣20 mL/min，加入不同濃度的PESA后放入30 ℃恒溫槽，水中異養(yǎng)菌的繁殖情況隨PESA的濃度變化如圖1所示。由圖1可以看出，隨PESA濃度增加，異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期的菌數(shù)增多；當(dāng)濃度從0增加到200 mg/L時(shí)，異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)從 3.4×105cfu/mL增加到3.6×106cfu/mL，細(xì)菌數(shù)量增加近10倍，說明異養(yǎng)菌能較好降解PESA而利于自身的繁殖；當(dāng)濃度為16 mg/L時(shí)，異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)約為3.6×105cfu/mL，比濃度為0時(shí)雖然也有所增加，但增加不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)說明：較低濃度使用無磷易生物降解水處理劑時(shí)不會(huì)導(dǎo)致微生物大量繁殖。

圖1 不同濃度PESA對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖的影響

2.2 磷元素對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響

P、S、Mg、K等無機(jī)營養(yǎng)元素是構(gòu)成細(xì)胞的組成成分，是酶的活性部分和酶的激活劑，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、酸堿度、氧化還原電位和能量轉(zhuǎn)移，還可以為少數(shù)微生物提供能量。在特定情況下，當(dāng)碳源和氮源充足而磷源缺乏時(shí)，磷將對(duì)微生物的生長起到限制作用。在磷充足的好氧條件下，微生物可以貯存聚合磷酸鹽作為能量儲(chǔ)備，貯存的聚合磷酸鹽可以轉(zhuǎn)化為 ATP（三磷酸腺苷），ATP的利用又可以釋放出磷。當(dāng)外部環(huán)境中的磷不足時(shí)，異養(yǎng)菌就可以通過激酶利用貯藏的磷來合成核酸和磷脂。試驗(yàn)條件：pH值為8的北京水中NH4+的質(zhì)量濃度為60 mg/L，PESA的質(zhì)量濃度為200 mg/L，初始菌數(shù)為(1.0×104)～(1.0×105)cfu/mL，通入壓縮空氣 20 mL/min，加入不同濃度的磷酸鹽后放入30 ℃恒溫槽，磷元素對(duì)使用PESA的水中異養(yǎng)菌繁殖的影響如圖2。由圖2可見，細(xì)菌數(shù)隨磷酸鹽濃度增加而增加；當(dāng)磷酸鹽從0增加到5 mg/L時(shí)，異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)增加約4倍，磷酸鹽增加到10 mg/L時(shí)，異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)最多，增加磷含量到 15 mg/L時(shí)異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)增加不明顯。這與微生物生長繁殖過程中C∶N∶P存在最佳值有關(guān)，當(dāng)C∶N∶P在最佳比值附近時(shí)，異養(yǎng)菌的生長繁殖最旺盛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也說明：使用無磷易生物降解水處理劑時(shí)，降低循環(huán)水中磷含量可有效地控制循環(huán)水中異養(yǎng)菌的生長繁殖。

2.3 通氣量對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響

圖2 磷含量對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖的影響

試驗(yàn)條件：pH值為8的北京水中NH4+的質(zhì)量濃度為 60 mg/L，PO43－的質(zhì)量濃度為 20 mg/L，PESA 的質(zhì)量濃度為 200 mg/L，初始菌數(shù)為(1.0×104)～(1.0×105) cfu/mL，保持不同的通氣量放入30 ℃恒溫槽。通氣量對(duì)使用PESA水中異養(yǎng)菌繁殖的影響結(jié)果如圖 3，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)溶液的溶解氧濃度如表1。結(jié)果顯示：當(dāng)通氣量為0時(shí)，溶解氧濃度呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，而通氣量改變時(shí)，溶解氧濃度差別不明顯；當(dāng)通氣量從0增加到140 mL/min，異養(yǎng)菌繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)從2.5×106cfu/mL增加到3.2×106cfu/mL，細(xì)菌數(shù)隨通氣量增加略有上升。

圖3 通氣量對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖的影響

表1 通氣量與溶解氧濃度的關(guān)系

通氣量對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖影響不明顯的主要原因在于試驗(yàn)溶液中異養(yǎng)菌繁殖對(duì)氧的消耗量較少，擴(kuò)散進(jìn)入試驗(yàn)溶液的氧氣濃度完全能夠滿足異養(yǎng)菌繁殖的需要，即使在通氣量為0時(shí)，試驗(yàn)溶液中的溶解氧濃度也能達(dá)到飽和濃度。由于從空氣擴(kuò)散進(jìn)入試驗(yàn)溶液的氧氣量穩(wěn)定，異養(yǎng)菌的生長曲線決定了異養(yǎng)菌繁殖生長消耗的氧氣需要量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，因此通氣量為0時(shí)試驗(yàn)溶液的溶解氧濃度出現(xiàn)先降低后增加的現(xiàn)象。

2.4 初始菌數(shù)對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響

微生物在生長期是以幾何級(jí)數(shù)快速增長，因而異養(yǎng)菌初始菌數(shù)對(duì)穩(wěn)定期菌數(shù)影響不明顯，但異養(yǎng)菌初始菌數(shù)影響它的生長期，如果營養(yǎng)物質(zhì)量足夠，異養(yǎng)菌繁殖很快能夠達(dá)到穩(wěn)定期。試驗(yàn)條件：pH值為 8的北京水中NH4+的質(zhì)量濃度為60 mg/L，PO43－的質(zhì)量濃度為20 mg/L，PESA的質(zhì)量濃度為200 mg/L，通入壓縮空氣20mL/min，加入不同的初始菌數(shù)后放入30 ℃恒溫槽。使用PESA的水中初始菌數(shù)對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響結(jié)果如圖4。可以看出，初始菌數(shù)對(duì)異養(yǎng)菌生長期有一定的影響，對(duì)異養(yǎng)菌穩(wěn)定期繁殖影響不明顯。

2.5 pH值對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響

研究表明，pH值對(duì)異養(yǎng)菌繁殖影響主要有三方面的作用：第一，pH值的變化可使異養(yǎng)菌表面電荷發(fā)生變化，進(jìn)而影響異養(yǎng)菌對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程；第二，pH值升高將使酶的活性降低，影響異養(yǎng)菌細(xì)胞的生物化學(xué)過程；第三，pH值的升高將使異養(yǎng)菌體內(nèi)的氨基酸的電離受到抑制，影響蛋白質(zhì)的合成過程。因而，微生物的生長繁殖都有最合適的 pH值范圍，大多數(shù)自然環(huán)境的微生物最適合生長繁殖的pH值為5～9。

圖4 初始菌數(shù)對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖的影響

圖5 pH值對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖的影響

試驗(yàn)條件：北京水中 NH4+的質(zhì)量濃度為 60 mg/L，PO43－的質(zhì)量濃度為20 mg/L，PESA的質(zhì)量濃度為 200mg/L，初始菌數(shù)為 1.0×104～1.0 ×105cfu/mL，通入壓縮空氣20 mL/min，調(diào)整溶液pH值后放入30 ℃恒溫槽。使用PESA水中pH值對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的影響結(jié)果如圖5。由圖5可見，當(dāng)pH值為9時(shí)，異養(yǎng)菌繁殖菌數(shù)穩(wěn)定增長，穩(wěn)定期菌數(shù)為2.7 ×106cfu/mL。而當(dāng)pH值為10時(shí)，異養(yǎng)菌初期生長較緩慢，菌數(shù)略有下降，從初始的4.0×104cfu/mL減少到2.7×104cfu/mL，隨后快速增加，48 h菌數(shù)達(dá)到2.6×106cfu/mL。這可能是空氣中的CO2溶解于試驗(yàn)溶液中，使試驗(yàn)溶液的pH值下降，同時(shí)，異養(yǎng)菌對(duì)較高pH值環(huán)境有一定適應(yīng)，因而繁殖加快。當(dāng)pH值為11時(shí)，菌數(shù)從初始菌數(shù)的4.0×104cfu/mL下降到1.2×104cfu/mL，隨后緩慢增加，到96 h時(shí)異養(yǎng)菌數(shù)為4.8×104cfu/mL。當(dāng)pH值為12時(shí)，異養(yǎng)菌快速死亡，菌數(shù)從初始4.0×104cfu/mL減少到10 cfu/mL。pH值越高，異養(yǎng)菌生長繁殖就越低。當(dāng)pH值為11左右時(shí)，異養(yǎng)菌數(shù)基本不變，而當(dāng)pH值達(dá)到12時(shí)，異養(yǎng)菌不僅停止生長繁殖，并且死亡很快。可見，控制循環(huán)水pH值能較好地控制使用PESA循環(huán)水中異養(yǎng)菌的生長繁殖。

3 結(jié) 論

使用PESA水處理劑的水中微生物的生長繁殖與 PASE、磷、通氣量、初始菌數(shù)及 pH 值具有以下關(guān)系。

（1）PESA濃度小于16 mg/L時(shí)，異養(yǎng)菌繁殖的穩(wěn)定期菌數(shù)與空白試液相差不明顯，對(duì)異養(yǎng)菌繁殖促進(jìn)作用不明顯；當(dāng)濃度增加時(shí)，異養(yǎng)菌生長期菌數(shù)增加較明顯。

（2）磷酸鹽對(duì)異養(yǎng)菌繁殖起促進(jìn)作用，異養(yǎng)菌繁殖的生長期細(xì)菌數(shù)隨磷酸鹽濃度增加而增加，異養(yǎng)菌繁殖的穩(wěn)定期菌數(shù)隨磷酸鹽濃度增加到一定值后穩(wěn)定。

（3）通氣量對(duì)異養(yǎng)菌生長繁殖的影響不明顯。

（4）初始菌數(shù)不同，對(duì)異養(yǎng)菌繁殖的生長期有一定的影響，而對(duì)微生物生長繁殖穩(wěn)定期菌數(shù)影響不明顯。

（5）pH值對(duì)異養(yǎng)菌的生長繁殖影響較大。pH值為11時(shí)異養(yǎng)菌數(shù)基本保持不變； pH值為12異養(yǎng)菌基本不再生長繁殖而很快死亡。

[1] 陸柱.水處理藥劑的現(xiàn)狀、進(jìn)展與建議[J].凈水技術(shù)，2000，18（1）：4-8.

[2] Ross R J，Low K C，Shannon J E.Polyaspartate scale inhibitors biodegradable alternatives to polyacrylates[J]. Materials Performance，1997（2）：53-57.

[3] 劉小平，傅曉萍，李本高.水處理劑生物降解特性與異養(yǎng)菌繁殖的關(guān)系[J]. 工業(yè)用水與廢水，2008，39（5）：33-35，44.

Influence factors on growth of heterotrophic bacteria in water using PESA as water treatment agent

FU Xiaoping1，LI Bengao1，LIU Xiaoping2
（1Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC，Beijing 100083，China；2Nanjing Chemical Industry Co. Ltd.，SINOPEC，Nanjing 210048，Jiangsu ，China）

X 703.1

A

1000–6613（2011）04–0838–04

2010-10-23；修改稿日期：2010-12-13。

及聯(lián)系人：傅曉萍（1971—），女，高級(jí)工程師。E-mail fuxp.shky@sinopec.com。