ATP技术用于工业水厂微生物监测的研究

张 寒，周 珉，张利华，李译文

（上海化学工业区中法水务发展有限公司，上海201507）

ATP技术用于工业水厂微生物监测的研究

张 寒，周 珉，张利华，李译文

（上海化学工业区中法水务发展有限公司，上海201507）

通过中试实验研究了ATP生物荧光技术用于工业水系统中微生物监测的可行性。结果表明，ATP法可以快速、简便地监测工业水系统不同阶段中微生物的生长情况，有效地评估系统运行状况，可以为工业水厂微生物控制提供指导。

ATP；生物荧光法；工业水厂；微生物；监测

微生物控制是工业水系统的重要研究方向。大量的微生物滋生不仅危害整个工业水处理系统的正常运行，影响处理效率，同时也会使滤池中产生生物黏膜，增加滤池的微生物负荷，另外还会增加水处理药剂的消耗量。传统的检测工业水中微生物的方法是菌落总数法，该分析方法只能检测出不到1%的微生物种类［1］，并且需要48h才能得到结果，不能快速反应系统内微生物状况并及时采取改善措施，致使整个系统中的微生物不能及时得到有效控制。

为了能及时监测工业水厂系统中微生物的生长状况并及时对工艺进行调整，从而确保工业水厂稳定运行，本研究引入了ATP技术来辅助评估工业水中试系统中微生物的数量。该方法相较于菌落总数法在操作、耗时以及方便程度上都具有一定的优势。

三磷酸腺苷（ATP）存在于从微生物到高等动植物所有生物体细胞中，是所有活细胞中主要的能量载体，为细胞代谢提供所需能量。正常生物体细胞内的ATP含量是相对稳定的。对一种微生物，在一定环境条件下其ATP含量基本为常量［2］。通过测定ATP含量的多少，可以直接反映细胞活性以及微生物的数量［3］。由于该方法操作简单快速，目前已经应用于医药卫生以及食品行业，经过近些年的发展而开始应用于水处理领域［4-6］。本研究希望通过新兴的ATP微生物检测技术对工业水厂的中试系统运行进行监测，为将ATP微生物控制指标引入工业水厂的日常运行中提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 中试工艺及参数

中试装置模拟工业水厂的常规工艺按比例缩小而成，主要包括三段，分别为进水段、工艺段和储存段。进水段包括进水泵以及进水箱；反应段包括反应池、沉淀池和砂滤池；储存段包括清水池。整个中试装置流程图如图1。

该中试装置的设计产水量为5m3／d，采取连续进水方式。河水通过泵打入进水箱后再通过流量计控制进入反应池。液氯和混凝剂分别通过静态混合器混合后进入反应池中；反应池为网格式折板反应池，反应时间为15min。反应池出水流入折板平流式沉淀池，停留时间为1.2h。沉淀池出水进入V型滤池，滤池采用均质石英砂滤料，有效粒径为0.9～1.3mm，滤层厚度为1.4m，滤速为10m／h；滤池每隔48h进行一次反冲洗。经砂滤后的水进入清水池储存。清水池为封闭式的，存储时间为1d。清水池前设置液氯补加点，以应对系统中微生物大量繁殖的突发情况。

整个中试试验周期为2014年4—9月，实验过程中共设置3个取样点，分别位于进水箱、砂滤池出水以及储存池后，即分别对此中试系统的进水段、工艺段以及储存段的水质进行微生物检测。取样测试水样中ATP含量的频率为每周3次。

1.2 水质特点

中试装置进水取自某条河水，其水质指标见表1。

表1 进水水质指标及测定方法

1.3 ATP检测原理及方法

ATP的测定方法主要有物理法、化学法和酶法。其中，酶法测定是一种操作简单、反应灵敏的分析方法，如用还原性辅酶A的NADH法和荧光素酶法等。该实验采用的检测方法为生物荧光素酶法。其原理是荧光素在荧光素酶和Mg2＋的催化作用下产生荧光素-腺苷酸（adenylluciferin）。荧光素-腺苷酸和氧气发生氧化反应，产生激发态的氧化荧光素（oxyluciferin）和单磷酸腺苷（AMP），当激发态的氧化荧光素从激发态回到基态时会释放光子，发出生物荧光（bioluminescence）。反应所产生的光和ATP含量成正比，根据发光强弱就可以选择性定量测定ATP的含量［7-8］。其反应如下：

ATP的测定采用加拿大LuminUltraTMTechnologies Ltd.公司的Quench-Gone Aqueous（QGATM）测试包，该测试包主要包括荧光素酶试剂（LuminaseTM）、标准试剂（UltraCheckTM1）、cATP裂解液（UltraLyseTM7）、cATP萃取液（UltraLuteTM）、注射器过滤片（Quench-Gone）、注射器（80mL）、试管和参考指南等。检测仪为LumitesterTM光度计C-110。

实验步骤如下：

每次进行检测前使用标准试剂对荧光素酶试剂进行校准，以校准光度计所测得的RLU值 （即RLUUC1）与实际ATP浓度的关系，并确保酶的活性符合实验要求。

将50mL水样用0.45μm的滤头过滤，使水样中的微生物细胞截留在滤膜上，然后加入1mL的裂解液使截留在滤膜上的细胞破裂，使细胞中的ATP释放，再加入萃取液将ATP萃取出来。最后将荧光素酶注入含ATP的待测液使待测液发光，测定其发光度。测定结果以RLUcATP值显示。水样中的cATP计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 ATP测试方法的精确度

实验所用ATP测试方法根据美国材料与试验协会 （ASTM）的标准试验方法［9-10］制定。对于该试验所用水样，在相同的实验条件下同一样品的标准偏差＜0.156，说明该方法精确度较高。

2.2 ATP监测结果

中试试验过程中3个取样点的水样ATP检测结果如图2所示。从图2可以看出，4月16日—6月20日期间，该中试系统进水水质较稳定，ATP波动范围较小。滤后水和出水的ATP值均＜10pg／mL，根据ATP检测技术指导手册，滤后水和出水的ATP值可以说明该中试系统的工艺段和储存段中的微生物都得到了有效地控制。从6月20日—8月末，进水水质波动较大，滤后水和出水的ATP值开始升高。滤后水ATP值在4～76pg／mL范围内波动，其平均ATP为25pg／mL，该数据表明工艺段中滋生的微生物已处于需要采取预防措施的阶段。对出水而言，ATP值在5～112pg／mL范围内波动，其平均ATP为40pg／mL，连续多天出现出水ATP大于滤后水ATP值的现象。出水ATP升高说明由于工艺段的微生物没有得到有效控制而进入到清水池中，并且由于清水池停留时间较长，出现了微生物在清水池中滋生的情况。其中有几天出水ATP值高于100pg／mL，说明清水池需要立即采取 有效的微生物控制措施。

2.2.1 温度对ATP的影响

温度对ATP的影响情况如图3所示。可以分为三个阶段。在初始阶段 （4—5月中旬），水源地温度和湿度都处于相对较低的情况，温度低于22℃，中试装置的进水、滤后水和出水都较为稳定，微生物总量较少。5月下旬—6月末，随着温度升高到22～24℃，以及雨水的到来，进水、滤后水和出水的ATP出现小范围波动。从6月末开始，温度升高超过24℃，ATP增长较快且增长趋势与温度上升趋势大致相同。这说明水源地温度的升高非常有利于微生物的增殖与代谢，这与微生物最适宜生长的温度范围的结论基本一致。所以温度升高可能是导致进水ATP升高以及工艺段和储存段中微生物滋生的重要原因之一。

2.2.2 红虫对ATP的影响

另外，导致7月份ATP升高的原因，除了气候条件为微生物滋生提供有利条件外，还有可能由于中试系统运行至7月初时，装置进水中出现了少量体长约10～30mm的红虫，至7月10日时，在清水池出水中也发现了少量红虫。该种红虫可能是随原水进入中试装置，经液氯消毒和加药混凝沉淀后进入沉淀池，然后随水流进入滤池。红虫成虫可以被滤池截留，但其虫卵或体积微小的幼虫可以穿越滤层，进而进入清水池中。由于红虫对氯有较强的抗性，且清水池的停留时间较长，红虫容易在清水池中生长繁殖。中试系统中红虫虫卵的存在，可能也是造成工艺段和储存段ATP升高的原因之一。对中试装置ATP监测以及对中试装置的实际观察说明，ATP可以反映装置中微生物的生长情况。

2.3 微生物的控制

由于水源地进水水质波动较大，无法对水质进行有效控制，固实验过程中仅对工艺段及储存段实施了控制措施，并以ATP作为指标对工艺段及储存段液氯投加的处理效果进行评估。

工艺段的液氯投加点设置于反应池前，是常规的液氯投加点。如图4所示，4—6月期间，液氯投加量与滤后水ATP的数值较为稳定；7—8月期间，滤后水的ATP值与工艺段液氯的投加量具有负相关性，其相关性系数为-0.18。从图4中可以看出，当液氯投加量降低时，滤后水ATP开始升高，当液氯投加量增加时，滤后水ATP开始下降。这表明在工艺段投加液氯能较好地控制系统中的微生物，液氯的杀菌功效可以得到较好的体现。同时也说明ATP可以实时地监测系统中微生物的控制状况，对工艺段药剂的投加量具有一定的指导意义。

储存段液氯投加点位于滤池后清水池前，当系统中出现微生物问题时才开始投入使用。为了确保出水中的余氯满足工业水的供水标准，清水池中液氯的投加量相对较小。通过图5可以看出，7—8月，出水ATP值与清水池前液氯的投加量也具有一定的负相关性，其相关性系数为-0.1。但由于水在清水池中储存的时间较长且清水池中有微生物繁殖生长，所以负相关性相较于工艺段来说较差。

对比工艺段和储存段的液氯投加中试实验可以发现，对于整个工业水净水系统来说，最好是在工艺段前或工艺段对微生物进行有效控制，这样不仅可以降低微生物在清水池以及管网中大量的生长和繁殖，还可以减少后续处理措施，有效地降低处理成本。

3 结论

总体而言，ATP生物荧光法可以对工业水供水系统中的微生物进行简便、快速地检测，并有效地评估系统的运行状况，有助于系统遇到微生物大量滋生的情况时及时采取防范措施，最大限度地减小微生物对系统造成的危害，保证工业水系统能够安全运行。但ATP技术的发展和运用目前还处于初期阶段，仍受到成本控制的约束。希望未来ATP技术能够成为简单、安全、经济、有效的方法成功地运用于工业水及生活水的日常监测中，为工业水厂及净水厂的运行提供指导。

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

［2］孙立新，蒋展鹏，师绍琪.ATP法测定有机物好氧生物降解性的研究［J］.环境科学，1996，17（1）：1-4.

［3］尹军，桑磊，李琳.ATP检测在活性污泥工艺中的应用进展［J］.吉林建筑工程学院学报，2007，24（3）：7-11.

［4］唐倩倩，叶尊忠，王剑平，等.ATP生物发光法在微生物检验中的应用［J］.食品科学，2008，29（6）：460-465.

［5］余辉.新型水环境微生物检测方法研究 ［D］.天津：南开大学，2012：30-36.

［6］马波，朱琳.用ATP为参数优化污水处理工艺［J］.城市建设理论研究，2013（3）.

［7］王龙耀，范利华，肖安风，等.ATP的分析方法综述［J］.天津化工，2003，17（2）：30-33.

［8］杨国栋，马玉新，杨素萍.荧光素酶法测定活性污泥中ATP［J］.分析测试技术与仪器，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

张寒，女，硕士，主要从事工业废水处理研究。