線上監測工業和環境水中的微生物負荷量(microbial load)
監測工業和環境水中的微生物負荷量
Monitoring of microbial load in industrial and environmental water analysis
生物螢光分析法揭開一種全新的、安全的水處理過程技術
Fireflies shed light on safe water treatment processes
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在原水取水，冷卻水系統，反滲透脫礦質和飲用水分配等應用中，水中的生物污染對於植物，設備和人類健康是主要的風險。 因此，水務公司，石油和天然氣設施，化學品製造商，海水淡化廠，數據中心，裝瓶廠和發電站測量微生物負荷量，進而盡量將腐蝕減少到最低，優化工廠效能並防止病原體的爆發，如軍團菌。
傳統上，這牽涉到實驗室分析的抽樣，但新的線上技術（根據螢火蟲用以吸引交配的化學過程）正顯著提高監測的有效性，速度和價值。
在以下的文章中，我們概述了監控的原因，新技術的工作原理以及不同於傳統方法的優勢。 隨後是三個簡短的案例研究，使用者透過Hach®的EZ7300線上ATP全自動分析儀（世界上第一個使用ATP生物光學分析的微生物分析儀）利用連續監測微生物負荷的優勢。
監測微生物負荷的原因
Reasons for monitoring microbial load
對於水純度為優先的各種產業來說，水中微生物的存在是一個問題。 這是因為微生物的繁殖會影響工廠的效率，而當釋放到空氣中也會影響人體健康。水處理系統，特別是那些涉及到再循環的系統，為微生物的生長提供了有利的環境，導致生物膜和粘液的發展。 生物膜是表面上有機和無機，生物和非生物材料的集合。 這些生物膜可以降低消毒劑殘留物，增加細菌，降低溶氧，並且在這些水供人們飲用的情況下引起味道和氣味問題。 生物膜會包括細菌，真菌和高等生物，如線蟲，幼蟲，甚至甲殼綱動物。
生物膜會累積並導致過濾器和其他系統堵塞。 然而，生物膜的存在改變了污垢表面的環境，導致厭氧和陽極。 這會在定殖位點和非定殖位點之間產生差異，進而促進可能導致腐蝕的電化學差異。 生物膜通常會形成局部低氧區域，當中發酵微生物產生有機酸並降低pH。 然而，硫化物副產物可能具有腐蝕性，或者可能進一步促進污垢和未污染區域之間的電化學差異。
持續監測微生物負荷量- 如何運作?
Continuous monitoring of microbial load – how it works
生物螢光測試方法是一種更快，更有效的替代傳統微生物測試方法，如細胞標記，平板計數和濁度。 它透過監測三磷酸腺苷（ATP），快速，靈敏地檢測水和廢水中細菌的活生物量，清潔和衛生應用。
ATP是生命的能量貨幣，提供生物體的可靠指標。 ATP的測量模擬螢火蟲進行的化學反應，其中ATP和螢光素在由螢光素酶催化的反應中產生光。 產生的光與水樣中的ATP量成比例。
EZ7300線上全自動分析儀連續抽取水樣，分析週期為10 - 15分鐘，每台分析儀最多可以有8個水樣流。 在測量過程的第一階段，測量“原始”水樣中的ATP值 - 這代表細胞外（或“非生命”）ATP。 在第二階段，使用超音波（非化學）測試方法裂解水樣中的細胞並釋放“活的”ATP。 然後進行第二次測量，得到水樣中的“總ATP”。 這兩次測量間的差異代表“活”ATP，並且與水樣中的活微生物量成比例。
EZ7300線上分析儀的檢出限值為每毫升0.05 picograms的ATP，能夠測量非常低的數值（0.05 pg ≈ 50大腸桿菌大小的細菌），測量範圍很寬，超過200 pg / mL *。
有利用ATP方法開發出來的攜帶式儀器，不過Hach EZ7300線上分析儀是第一台在連續監測儀中成功提供這項技術的儀器。
連續監控的優勢
The advantages of continuous monitoring
在討論連續監測的明顯優勢之前，重要的是要了解ATP測試方法與通常涉及培養目標或指標生物的傳統技術之間的差異。這些方法通常在水樣中培養不到1％的細菌，因此不能提供細菌負荷的良好指標。 而這些方法還仰賴操作員的技能，並假設不會產生人為錯誤或可變性的影響。
實驗室分析會在取樣之後到送交結果中間存在明顯的時間延遲。 相較之下，EZ7300線上ATP分析儀能夠在不到15分鐘的時間內完成分析; 一年到頭; 一天24小時。 這種的數據連續性為線上監控開啟了新的可能性。 提供幾乎即時的數據意味著程序操作人員能夠針對狀況的任何變化立即應變。 這種快速的反應通常比收到抓取水樣結果後可能更快，更便宜。
連續監測的一個最重要的優點是它能夠記錄數據中尖峰的時間和嚴重程度。 結合其他線上數據，這有助於確定此類峰值的原因，進而為適合的緩解措施提供資訊。 在某些條件下（例如殺菌劑加藥設備失效），微生物負荷量可以非常快速地增加，而與連續監測器的幾乎立即反應相比，實驗室水樣的時間延遲帶來高風險。
EZ7300線上分析儀能夠以每小時6次的頻率採樣，產生大量數據集，大幅提高結果的統計顯著性，進而根本地改善研發活動和趨勢分析。 隨著公用事業開始從“大數據”中萃取真正的價值，這對於預測算法，智慧系統和人工智能的開發具有重要價值。
微生物學家通常都是高素質，一般來說他們較少時間運用在處理傳統例行性的實驗室測試。 因此，連續監視儀器可以讓這些人員有時間去處理更重要的工作 - 例如程序優化，研發以及根據監視儀器提供的數據進行因果關係的分析。 此外，與實驗室分析相關的人工和材料數量意味著傳統形式分析每個樣本的成本比EZ7300線上ATP分析儀採用的方法高幾倍。
成功案例 : 美國印第安納州電廠
Case Study: Power Generation, Indiana, USA
影響發電站冷卻塔殺菌劑投放劑量策略的主要因素有兩個。 首先，排放許可能限制加藥的速度或時間，其次，加藥策略需要滿足水中的微生物負荷量，會根據來源和是否採用再循環而有所變化。
印第安納州發電廠的操作人員需要即時的資訊來優化殺菌劑處理作業。 需要即時數據來確定間歇加藥或連續加藥（具有較低濃度的氯胺）是否更有效且成本有效。 同時還有必要減少冷卻水迴路和冷卻塔中的總微生物負荷; 減少生物膜的形成以及從大型冷卻塔中爆發軍團菌的相關風險。
Hach EZ7300線上ATP自動分析儀安裝後，在兩個月的時間內清楚地展示連續監測的優勢。 例如，間歇性殺菌劑劑量的數據顯示出對ATP值以及因此微生物負荷量的顯著影響，比較加藥與無加藥期（參見圖表）。
根據工廠的結果，現在可持續監測兩個水樣品流，幫助優化殺菌劑劑量並減緩任何潛在風險。近期又另外購買第二台分析儀來監測姊妹發電廠的低水頭服務水系統。
成功案例 : 美國內華達州飲用水處理廠
Case Study: Drinking Water Treatment Plants, Nevada, USA
源水可能含有微生物，如細菌、病毒和原生動物，如果不進行有效處理和消毒，會對人類健康構成威脅。成功的水處理牽涉到病原微生物的去除和/或使其不活躍，以防止水傳播疾病的擴散。透過混凝，然後沉降和過濾，以及透過其他過濾方法，如膜過濾，來去除病原生物。相反地，病原體的不活躍牽涉到消毒劑破壞微生物的細胞結構或破壞其代謝、生物合成或生長和繁殖能力的作用。至於使細菌不活性化，是透過不能分裂和形成菌落來測量的 - 傳統的測試因而測量'菌落形成單位'。對於病毒，使其不活躍意味著不能在宿主細胞中形成噬菌斑。對於原生動物隱孢子蟲卵囊，不活躍意味著不能繁殖，進而防止隱孢子蟲感染宿主。
飲用水法規要求進行標準實驗室測試。 然而，很明顯地，消毒的成功仰賴所有微生物的不活性化; 不只是那些按照指標生物而進行測試的。 因此，透過測量所有“活”生物的能力，連續監測ATP為測量消毒效率提供有用的工具。
2017年，一個大型水處理設施（每天230萬立方米）將Hach EZ7300線上分析儀安裝於其臭氧消毒設施上，處理湖泊原水。 操作人員對結果非常滿意，因為連續的數據讓他們能夠更深入地了解過程，並讓他們能夠優化消毒過程; 確保最大極限的消毒，同時降低成本。
由於安裝非常成功，又再購買另一台儀器，用於成品飲用水進行氯氣消毒。 此EZ7300線上ATP自動監測儀現在提供連續的消毒優化，也證明能成功使得微生物不活性化。
成功案例 : 美國明尼蘇達州 生物過濾優化-飲用水
Case Study: Biological Filter Optimization – Drinking Water, Minnesota, USA
生物過濾以三種方式去除污染物：生物降解、微污染物的吸附、過濾。 過濾介質上的微生物消耗有機物質，產生包括二氧化碳、水、生物質和更簡單的有機分子的最終產物。
生物處理去除各式各樣的污染物，在過濾或沉澱之前無需進行化學處理，因此也就沒有與副產品相關的問題。 與其他污染物隔離的飲用水處理技術相比，生物處理可同時破壞和去除多種污染物，減少污泥產生。
生物過濾降低化學成本，但只能在過濾介質上與健康的微生物群體有效地發揮作用。 生物過濾的功能可以透過間接測量參數（例如pH和溶氧）來估算，但是直接測量進水和出水中的微生物是更有用。
2015年11月，EZ7300線上ATP監測儀的原型為明尼蘇達州一家屢獲殊榮的水處理廠所採用以監控生物過濾。 透過同時監測進水和出水，監測儀能夠在一系列不同條件下測量過濾的生物質去除效率。 重要的是，透過測量游離和細胞內ATP，分析儀還能夠證明去除活微生物的效率。
水處理廠操作人員對分析儀的功能印象深刻，並於2017年5月再安裝一台新儀器，並自那時起一直在連續運行，監測生物過濾的效能。 此外，水廠的工作人員利用儀器的抓取水樣功能，讓他們能從水廠的其他地方採集水樣，得以在同一台儀器上進行分析。 例如，這讓他們能夠研究微生物所引起的腐蝕。
Summary
來自Hach EZ7300線上ATP自動監測儀使用者的反饋非常積極，大多數的評論都表示因為連續監控而產生新的機會。 對於程序狀況，ATP監測儀提供比以往任何時候都更加深入的洞察力; 有助於優化程序控制並減輕微生物負荷帶來的風險......這一切都歸功於新的”光學測試方法” 技術。
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| Application Notes (點進下方文章標題即可瀏覽原文) | Type | Language | Size | Date | Edition |
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Fireflies shed light on safe water treatment processes: Monitoring of microbial load in industrial and environmental water analysis DOC043.53.30477 |
English US | 249 KB | 2018-12 | Nov18 |