使用聚环氧琥珀酸水处理剂时水中异养菌繁殖的影响因素

傅晓萍，李本高，刘小平

（1中国石油化工有限公司石油化工科学研究院，北京100083；2中国石化集团南京化学工业有限公司，江苏 南京210048）

研究开发

使用聚环氧琥珀酸水处理剂时水中异养菌繁殖的影响因素

傅晓萍1，李本高1，刘小平2

（1中国石油化工有限公司石油化工科学研究院，北京100083；2中国石化集团南京化学工业有限公司，江苏 南京210048）

采用微生物培养菌落计数法研究了使用聚环氧琥珀酸水处理剂时水中PESA、磷、通气量、初始菌数及pH值对异养菌繁殖的影响，结果表明：PESA使用浓度较低时对异养菌繁殖影响较小，浓度增加促进异养菌生长期繁殖；磷酸盐促进异养菌稳定期繁殖；通气对异养菌生长繁殖影响不明显；初始菌数对异养菌繁殖的稳定期影响不明显；pH值对异养菌的生长繁殖影响较大。

聚环氧琥珀酸；异养菌；影响因素

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

日益严格的环境保护法规，推动水处理剂向易生物降解、环境友好性方向发展[1]。易生物降解水处理剂对环境友好，使用后能在自然环境中生物降解，对环境不造成负面影响，成为国内外研究的热点[2]。20世纪 90年代以来，相继研究开发出如聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸等环保型水处理剂并逐渐得到广泛应用。然而在工业应用中，使用环保型水处理剂的循环水系统微生物繁殖加快，控制难度加大。

异养菌是循环冷却水中数量和种类最多的一类微生物，代谢产物容易形成生物黏泥，导致循环水系统水质恶化，设备腐蚀和结垢，是循环水系统控制的主要微生物。通常将微生物繁殖过程分为延迟期、生长期、稳定期、衰亡期。PESA为易生物降解水处理剂[3]，探索使用PESA水处理剂时水中异养菌繁殖的影响因素，对于降低环保型水处理剂使用过程中产生的负面影响，正确有效控制好循环水中的微生物具有重要意义。

1 实验部分

1.1 试剂

KH2PO4、K2HPO4·3H2O、Na2HPO4·12H2O、CaCl2、MgSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、NaOH、HCl、Ba(OH)2·8H2O，葡萄糖均为AR级；蛋白胨（大豆）、牛肉膏、琼脂粉均为生化试剂；PESA为工业品。

1.2 菌种

菌种选取循环水系统中大量存在的异养菌，分析其中的优势菌种，由13种细菌混合而成，包括5种革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、枯草杆菌黑色变种芽孢菌、地衣芽孢杆菌、藤黄八叠球菌、枯草芽孢杆菌）和8种革兰氏阴性菌（大肠埃希氏菌、施氏假单胞菌、嗜水气单胞菌、乙酸钙不动杆菌、粪产碱菌、产气肠杆菌、铜绿假单胞菌、弗氏柠檬酸细菌），菌种购于中科院生物研究所。

1.3 试验方法

试验方法见中国石化《冷却水分析和试验方法》，试验溶液为北京自来水：NH4+的质量浓度为60 mg/L，pH值为8或根据需要，PO43－的质量浓度为20 mg/L 或根据需要，初始菌数为(1.0×104)～(1.0×105)cfu/mL或根据需要，加入质量浓度200 mg/L或根据需要的PESA后放入30 ℃恒温槽，用乳胶管接上曝气器，通入压缩空气。采用菌落计数法每24 h测定试验溶液中异养菌数，以菌数对时间作图。

2 实验结果与分析

2.1 PESA的浓度对异养菌繁殖的影响

碳源是构成微生物细胞和代谢产物中碳架来源的物质，是构成细胞物质、产生维持生命所需能量的物质。在循环冷却水条件下，PESA的使用为微生物提供了优质有机碳源。试验条件：pH值为8的北京水中NH4+的质量浓度为60 mg/L，PO43－的质量浓度为 20 mg/L，初始菌数为(1.0×104)～(1.0×105) cfu/mL，通入压缩空气20 mL/min，加入不同浓度的PESA后放入30 ℃恒温槽，水中异养菌的繁殖情况随PESA的浓度变化如图1所示。由图1可以看出，随PESA浓度增加，异养菌繁殖稳定期的菌数增多；当浓度从0增加到200 mg/L时，异养菌繁殖稳定期菌数从 3.4×105cfu/mL增加到3.6×106cfu/mL，细菌数量增加近10倍，说明异养菌能较好降解PESA而利于自身的繁殖；当浓度为16 mg/L时，异养菌繁殖稳定期菌数约为3.6×105cfu/mL，比浓度为0时虽然也有所增加，但增加不大。实验结果同时说明：较低浓度使用无磷易生物降解水处理剂时不会导致微生物大量繁殖。

图1 不同浓度PESA对异养菌生长繁殖的影响

2.2 磷元素对异养菌繁殖的影响

P、S、Mg、K等无机营养元素是构成细胞的组成成分，是酶的活性部分和酶的激活剂，调节细胞渗透压、酸碱度、氧化还原电位和能量转移，还可以为少数微生物提供能量。在特定情况下，当碳源和氮源充足而磷源缺乏时，磷将对微生物的生长起到限制作用。在磷充足的好氧条件下，微生物可以贮存聚合磷酸盐作为能量储备，贮存的聚合磷酸盐可以转化为 ATP（三磷酸腺苷），ATP的利用又可以释放出磷。当外部环境中的磷不足时，异养菌就可以通过激酶利用贮藏的磷来合成核酸和磷脂。试验条件：pH值为8的北京水中NH4+的质量浓度为60 mg/L，PESA的质量浓度为200 mg/L，初始菌数为(1.0×104)～(1.0×105)cfu/mL，通入压缩空气 20 mL/min，加入不同浓度的磷酸盐后放入30 ℃恒温槽，磷元素对使用PESA的水中异养菌繁殖的影响如图2。由图2可见，细菌数随磷酸盐浓度增加而增加；当磷酸盐从0增加到5 mg/L时，异养菌繁殖稳定期菌数增加约4倍，磷酸盐增加到10 mg/L时，异养菌繁殖稳定期菌数最多，增加磷含量到 15 mg/L时异养菌繁殖稳定期菌数增加不明显。这与微生物生长繁殖过程中C∶N∶P存在最佳值有关，当C∶N∶P在最佳比值附近时，异养菌的生长繁殖最旺盛。实验结果同时也说明：使用无磷易生物降解水处理剂时，降低循环水中磷含量可有效地控制循环水中异养菌的生长繁殖。

2.3 通气量对异养菌繁殖的影响

图2 磷含量对异养菌生长繁殖的影响

试验条件：pH值为8的北京水中NH4+的质量浓度为 60 mg/L，PO43－的质量浓度为 20 mg/L，PESA 的质量浓度为 200 mg/L，初始菌数为(1.0×104)～(1.0×105) cfu/mL，保持不同的通气量放入30 ℃恒温槽。通气量对使用PESA水中异养菌繁殖的影响结果如图 3，试验过程中试验溶液的溶解氧浓度如表1。结果显示：当通气量为0时，溶解氧浓度呈现出先降低后增加的趋势，而通气量改变时，溶解氧浓度差别不明显；当通气量从0增加到140 mL/min，异养菌繁殖稳定期菌数从2.5×106cfu/mL增加到3.2×106cfu/mL，细菌数随通气量增加略有上升。

图3 通气量对异养菌生长繁殖的影响

表1 通气量与溶解氧浓度的关系

通气量对异养菌生长繁殖影响不明显的主要原因在于试验溶液中异养菌繁殖对氧的消耗量较少，扩散进入试验溶液的氧气浓度完全能够满足异养菌繁殖的需要，即使在通气量为0时，试验溶液中的溶解氧浓度也能达到饱和浓度。由于从空气扩散进入试验溶液的氧气量稳定，异养菌的生长曲线决定了异养菌繁殖生长消耗的氧气需要量呈现先增加后降低的趋势，因此通气量为0时试验溶液的溶解氧浓度出现先降低后增加的现象。

2.4 初始菌数对异养菌繁殖的影响

微生物在生长期是以几何级数快速增长，因而异养菌初始菌数对稳定期菌数影响不明显，但异养菌初始菌数影响它的生长期，如果营养物质量足够，异养菌繁殖很快能够达到稳定期。试验条件：pH值为 8的北京水中NH4+的质量浓度为60 mg/L，PO43－的质量浓度为20 mg/L，PESA的质量浓度为200 mg/L，通入压缩空气20mL/min，加入不同的初始菌数后放入30 ℃恒温槽。使用PESA的水中初始菌数对异养菌繁殖的影响结果如图4。可以看出，初始菌数对异养菌生长期有一定的影响，对异养菌稳定期繁殖影响不明显。

2.5 pH值对异养菌繁殖的影响

研究表明，pH值对异养菌繁殖影响主要有三方面的作用：第一，pH值的变化可使异养菌表面电荷发生变化，进而影响异养菌对营养物质的吸收过程；第二，pH值升高将使酶的活性降低，影响异养菌细胞的生物化学过程；第三，pH值的升高将使异养菌体内的氨基酸的电离受到抑制，影响蛋白质的合成过程。因而，微生物的生长繁殖都有最合适的 pH值范围，大多数自然环境的微生物最适合生长繁殖的pH值为5～9。

图4 初始菌数对异养菌生长繁殖的影响

图5 pH值对异养菌生长繁殖的影响

试验条件：北京水中 NH4+的质量浓度为 60 mg/L，PO43－的质量浓度为20 mg/L，PESA的质量浓度为 200mg/L，初始菌数为 1.0×104～1.0 ×105cfu/mL，通入压缩空气20 mL/min，调整溶液pH值后放入30 ℃恒温槽。使用PESA水中pH值对异养菌繁殖的影响结果如图5。由图5可见，当pH值为9时，异养菌繁殖菌数稳定增长，稳定期菌数为2.7 ×106cfu/mL。而当pH值为10时，异养菌初期生长较缓慢，菌数略有下降，从初始的4.0×104cfu/mL减少到2.7×104cfu/mL，随后快速增加，48 h菌数达到2.6×106cfu/mL。这可能是空气中的CO2溶解于试验溶液中，使试验溶液的pH值下降，同时，异养菌对较高pH值环境有一定适应，因而繁殖加快。当pH值为11时，菌数从初始菌数的4.0×104cfu/mL下降到1.2×104cfu/mL，随后缓慢增加，到96 h时异养菌数为4.8×104cfu/mL。当pH值为12时，异养菌快速死亡，菌数从初始4.0×104cfu/mL减少到10 cfu/mL。pH值越高，异养菌生长繁殖就越低。当pH值为11左右时，异养菌数基本不变，而当pH值达到12时，异养菌不仅停止生长繁殖，并且死亡很快。可见，控制循环水pH值能较好地控制使用PESA循环水中异养菌的生长繁殖。

3 结 论

使用PESA水处理剂的水中微生物的生长繁殖与 PASE、磷、通气量、初始菌数及 pH 值具有以下关系。

（1）PESA浓度小于16 mg/L时，异养菌繁殖的稳定期菌数与空白试液相差不明显，对异养菌繁殖促进作用不明显；当浓度增加时，异养菌生长期菌数增加较明显。

（2）磷酸盐对异养菌繁殖起促进作用，异养菌繁殖的生长期细菌数随磷酸盐浓度增加而增加，异养菌繁殖的稳定期菌数随磷酸盐浓度增加到一定值后稳定。

（3）通气量对异养菌生长繁殖的影响不明显。

（4）初始菌数不同，对异养菌繁殖的生长期有一定的影响，而对微生物生长繁殖稳定期菌数影响不明显。

（5）pH值对异养菌的生长繁殖影响较大。pH值为11时异养菌数基本保持不变； pH值为12异养菌基本不再生长繁殖而很快死亡。

[1] 陆柱.水处理药剂的现状、进展与建议[J].净水技术，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] 刘小平，傅晓萍，李本高.水处理剂生物降解特性与异养菌繁殖的关系[J]. 工业用水与废水，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。

及联系人：傅晓萍（1971—），女，高级工程师。E-mail fuxp.shky@sinopec.com。