（市政工程专业论文）饮用水生物稳定性及其影响因素研究.pdf

摘要 摘要 饮用水净化过程中所用的各种氧化剂会使管网中细菌生长所需的营养基质 发生变化，改变饮用水的生物稳定性。生物稳定性较低水进入配水管网将导致细 菌的再生长，形成生物膜，引起饮用水二次污染。本论文通过三部分试验进行了 有关氧化剂对配水系统中细菌再生长及饮用水水质生物稳定性影响的研究。 研究结果表明，模拟管网系统中余氯、管材对生物膜形成的有一定的影响。 在不投加消毒剂的情况下，铜挂片上生物膜中微生物量明显低于不锈钢挂片的。 氯胺对管壁生物膜上和水中的h p c 都有一定的控制作用，有抑制细菌再生长的 作用。氯胺可将不锈钢挂片上附着的最大生物量降低近1 倍，将铜质挂片附着的 生物膜中最大生物量降低到1 0e f u c m 2 。铜质挂片生物膜h p c 低于不锈钢的，与 其自身的杀菌能力有关，h p c 的灭活是消毒剂和材质的协同作用的结果。但是， 0 5 0 7 5 m g l 的余氯量不能有效的控制模拟管网系统中细菌的再生长。 水样a o c 浓度的消减是氯氧化过程的主导反应，与先前的研究结果不同， 可能由于本试验原水中的大分子量有机物较低分子量有机物更难被氧化分解。 氯、氯胺、高锰酸钾和过氧化氢作用时，有机物被氧化后，水样的a o c 组成中 a o c - n o x 占优势，而紫外线对a o c - n o x 影响较小。 试验所用各氧化剂对水样m a p 浓度的影响远小于其对a o c 浓度的影响。 氯、氯胺、高锰酸钾和过氧化氢四种氧化剂对水样m a p 浓度的影响程度均大于 紫外线的。过氧化氢对水样m a p 浓度的增加值均为负向，因此在控制出水m a p 浓度上，采用过氧化氢较为适合。 各种氧化方法对a o c 和m a p 的影响并不是随着氧化剂的投加量增加而变 大，即氧化剂投加量与其对水样生物稳定性的影响不是成正相关性。 关键词：氧化剂；生物稳定性；生物膜：a o c ；m a p ； a b s t r a c t i l l l v i i, 一一 ! ! 鼍 a bs t r a c t b i o l o g i c a ls t a b i l i t yo fd r i n k i n gw a t e rw o u l db ec h a n g e db yo x i d a n t sw h i c ha r e u s e di nw a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s e s t h eo x i d a n t sc a i lc a u s ev a r i e t yo fo r g a n i cm a t t e r s w h i c hc a l lb eu s e db yb a c t e r i a s t h ep r e s e n c eo fo r g a n i cm a t t e r si nf i n i s h e dw a t e r w o u l dp r o m o t eb a c t e r i a lr e g r o w t ht h a ti nt u r nc o u l dl c a dt od e v e l o p m e n to fb i o f i l m s ， a n dt h e nw a t e rq u a l i t yw o u l db ep o l l u t e da g a i n t l l i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h e i m p a c to ft h eo x i d a n to nb a c t e r i a lr e g r o w t hw i t h i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m sa n db i o l o g i c a l s t a b i l i t yi nd r i n k i n gw a t e rt h r o u g ht h r e ep a r t st e s t s ， 砀er e s u l t ss h o wt h a tc h l o r a m i n ea n dp i p e l i n em a t e r i a l sc o u l di m p a c tt h e d e v e l o p m e n to fb i o f i l m sw i t h i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m st oac e r t a i ne x t e n t n l eb i o m a s s o nt h ec o p p e rs l i d ei sl o w e rt h a nt h es t a i n l e s ss t e e lw i t l l o u tc h l o r a m i n e s c h l o r a m i n e s c o u l dr e s t r a i nt h er e g r o w t ho fb a c t e r i a s t h em a x i m u mb i o m a s so nt h es l i d er e d u c e m o i e t ya n dt h eb i o m a s so nt h es l i d em a i n t a i na tal o w e rv a l u e ( 10 c f u c m z l b e c a u s e c o p p e rh o l ds t e r i l i z a t i o nc o m p e t e n c e ，t h eb i o m a s so nt h ec o p p e rs l i d ei sl o w e rt h a n t h es t a i n l e s ss t e e lw i t hc l a l o r a m i n e s s ot h ec o n t r o lo fh p co w et ob o t hc h l o l a m i n e s a n dp i p e l i n em a t e r i a l s b u tc h l o r a m i n e s ( 0 5 0 7 5 m g l ) c o u l dn o tc o n t r o lt h er e g r o w t h o fb a c t e r i a sw i t h i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m se f f e c t i v e l y 硒er e d u c t i o no fa o cc o n c e n t r a t i o ni st h ed o m i n a n tr e a c t i o ni nc h l o r i n a t i o n p r o c e s sw h i c hi sd i f f e r e n t 、i t l lt h ep r e v i o u sf i n d i n g s p e r h a p sb e c a u s et h eo r g a n i c m a t t e ro fw e i g h tm o l e c u l a ro x i d a t e di se v e nm o r ed i f f i c u l tt h a nl o wm o l e c u l a ri nl a w w a t e r w h e nt h ew a t e rs a m p l e sa r er e a c t e dw i t hc h l o r i n e ，c h l o l a m i n e s ，p o t a s s i u m p e r m a n g a n a t ea n dh y d r o g e np e r o x i d e ，a o c - n o xi st h ed o m i n a t i n gr e s u l t a n ti na o c h o w e v e r , u l t r a v i o l e ta f f e c ta o c n o xl e s s 。 n 坨i m p a c to fo x i d a n to n 脚i sf a rl e s st h a na o c mi m p a c to fc h l o r i n e ， c h l o r a m i n e s ，p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ea n dh y d r o g e np e r o x i d e o nm a po fw a t e r s a m p l e si sg r e a t e rt h a nu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n h y d r o g e np e r o x i d ec o u l dd e c r e a s em a p c o n c e n t r a t i o n , s oi fy o uw a n t e dt oc o n t r o lt h em a pc o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n t , u s i n gh y d r o g e np e r o x i d ei sm o r ea p p r o p r i a t e 1 1 l ei m p a c to fv a r i o u so x i d a n t so na o co rm a pi sn o ta g g r a n d i z e m e n ta st h e i n c r e a s i n go ft h eo x i d a n td o s a g e ，t h a ti st os a y , t h eo x i d a n td o s a g ea n di t si m p a c to n b i o l o g i c a ls t a b i l i t yi nd r i n k i n gw a t e ra r en o td i r e c tp r o p o r t i o n k e y w o r d ：o x i d a n t ，b i o l o g i c a ls t a b i l i t y ，b i o f i m ，a o c ，m a p i l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 。 签名：赵巡 导师签名：日期： 第1 章绪论 1 1 我国饮用水水质现状 1 1 1 饮用水水源污染 第1 章绪论 二十世纪八十年代以来，我国饮用水源的污染问题日益显现，以地表水为水 源的饮用水源9 5 以上均不同程度遭受污染。虽然国家各级政府采取了许多措施 来加以解决，但饮用水源的污染状况并没有得到根本改善。2 0 0 6 年，在国家环 境监测网( 简称国控网) 实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面 5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别 为4 0 、3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等i l 】。 从地面水环境状况可以看出，随着工业化的迅速发展，水污染也变得越来越 严重，符合标准、水质稳定的饮用水水源地呈缩减趋势，水污染已经成为中国最 主要的环境问题。作为供水行业而言，水体污染带来的负面影响直接波及到了安 全供水问题，给人民的身体健康，生活、社会安定都带来很多问题，也引起了越 来越多的水处理工作者的注意1 2 1 。 1 1 2 饮用水二次污染 当前，我国大多数的城市供水企业把提高饮用水水质的大量工作用于水源保 护、净水厂的水处理工艺和消毒技术等方面，往往忽略了供水的最后一个环节即 供水管网。饮用水供水过程中，水在净水厂经过严格处理后，各项水质指标达到 国家生活饮用水卫生标准。当饮用水经过供水管网被输送到用户终端时，庞大的 地下管网就如同一个大型的反应器，出厂水在管网中均有一定的停留时间，水在 这样的反应器内发生着复杂的物理、化学和生物变化，从而导致饮用水水质发生 变化，造成管网水质二次污染。 我国饮用水卫生专家分析近年来的饮用水二次污染后发现，出厂水经供水管 网和二次供水设施后水质合格率下降了近2 0 。据相关资料报道【3 5 1 ，对国内4 5 个城市的调研函件结果分析，管网水浑浊度比出厂水增加0 3 8 n t u ，色度增加 0 4 5 c u ，铁浓度增加0 0 4 m g l ，锰浓度增加0 0 2 m g l ，细菌总数增加1 8 c f u l ， 大肠杆菌增加0 4 个l ，这些数据表明我国城市供水已经存在管网水质恶化、二 次污染的问题，降低了居民饮用水的质量，影响了居民的身体健康。由此可见， 在保证出厂水水质达标的基础上，防止管网水质恶化，并将优质饮用水安全输送 北京丁业大学工学硕士学位论文 到终端用户，是城镇供水企业急需解决的问题。 1 1 3 饮用水水质标准 饮用水水质关系到人们的生活质量和身体健康，因此，各个国家都对生活饮 用水的质量制定了相关的标准，我国也不例外。 1 9 5 4 年我国卫生部拟订了一个自来水水质暂行标准草案，有1 6 项指标，1 9 5 9 年经国家建设部和卫生部批准，定名为生活饮用水卫生规程。1 9 7 6 年国家卫 生部组织制定了我国第一个国家饮用水标准，共有2 3 项指标，定名为生活饮 用水卫生标准( t j2 0 7 6 ) ，经国家基本建设委员会和卫生部联合批准。1 9 8 5 年 卫生部对生活饮用水卫生标准进行了修订，指标增加至3 5 项，编号改为g b 5 7 4 9 8 5 ，于1 9 8 6 年1 0 月起在全国实施【6 】。2 0 0 5 年6 月1 日实施的城市供水 水质标准( c j 厂r 2 0 6 2 0 0 5 ) 中有9 6 项水质指标，其中常规检验项目4 2 项，非 常规检验项目5 1 列。7 1 。卫生部和国标委2 0 0 6 年发布了最新的生活饮用水卫生 标准( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) 【8 j ，自2 0 0 7 年7 月1 日起实施。该标准主要是比2 0 0 5 年的标准中规定的毒理学、细菌学指标项目增加较多，有害物质检测项目标准限 值要求有所提高。 我国的饮用水水质标准在不断地修改和补充，指标的数量随着时间不断增 加。生活饮用水卫生标准( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) 与生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 相比主要变化有：微生物指标由2 项增至6 项，增加了大肠埃希氏菌、 耐热大肠菌群、贾第鞭毛虫和隐孢子虫；修订了总大肠菌群；饮用水消毒剂由1 项增至4 项，增加了一氯胺、臭氧和二氧化氯；毒理指标中无机化合物由1 0 项 增至2 l 项，毒理指标中有机化合物由5 项增至5 3 项，感官性状和一般理化指标 由1 5 项增至2 0 项。其中，为准备水质净化和水质检验条件，贾第鞭毛虫、隐孢 子虫、三卤甲烷和微囊藻毒素l r 等4 项指标延至2 0 0 8 年7 月1 日起执行。最 新标准增加了较多的有机物检测项目和几项细菌学指标，体现我国饮用水水质标 准的发展趋势和对毒理学指标、细菌学指标标准的重视。我国饮用水标准的不断 发展更新，也是与国际接轨的一项重大举措。 1 2 饮用水生物稳定性研究 1 2 1 饮用水的微生物风险 饮用水符合标准并不仅仅在于水厂的出水，同时也要保证居民能够喝到符合 标准的饮用水。但是，饮用水从水厂经过配水系统到达用户，通常水质会变差， 给人体健康带来危害。 2 第1 章绪论 饮用水水质的微生物风险和化学物风险是对人体健康影响的最主要的两个 方面。微生物风险是由于饮用水中致病菌引起的，通过饮用水传播的病源微生物 主要有细菌、病毒、原生动物和肠虫等队。其中，病原菌有传染伤寒的沙门氏 菌、传染细菌性痢疾的致贺氏菌和传染霍乱的霍乱弧菌等。从7 0 年代起，饮用 水中不断发现新的病源微生物，如微小似病毒、贾第虫、军团菌和隐孢子虫等。 饮用水中越来越多的致病微生物种类对饮用者健康构成直接威胁。 1 2 2 饮用水生物稳定性概念的提出 大量针对给水管网内生物膜的生长、管网细菌再生长和大肠杆菌爆发的研究 表明：出厂水中存在的可生物降解的有机物是管网中异养菌再生长的主要原因， 并为此提出了饮用水生物稳定性的概念。饮用水生物稳定性是指饮用水中可生物 降解有机物支持异养菌生长的潜力，即当有机物成为异养菌生长的限制因素时， 水中有机营养物支持细菌生长的最大可能性。饮用水稳定性越高，则表明水中细 菌生长所需的有机营养物质含量低，细菌不易在其中生长，反之亦然。 自上世纪8 0 年代，欧洲学者率先开展了饮用水生物稳定性的研究，并逐渐 受到各国水处理工作者关注，现已成为全球给水领域的研究热点。 目前，国内外对饮用水生物稳定性的评价通常采用两类指标：二类是针对饮 用水中有机营养基质浓度进行评价的可生物降解有机碳，主要以生物可同化有机 碳( a s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ，a o c ) 和生物可降解溶解性有机碳( b i o d e g r a d a b l e d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ，b d o c ) 作为评价饮用水生物稳定性的指标；另一类 是综合了生物量、可生物降解有机碳浓度以及管网中的余氯等因素的综合指标。 1 2 3 管网中微生物再生长影响因素 要有效的控制给水管网中细菌的生长，保持水质不在管道中恶化，首先应弄 清楚影响细菌在管网中生长的因素。这些影响因素很多，但总体说来，有下列一 些： 1 、余氯。出厂水通过加氯或氯胺消毒并保持管网内有一定的余氯以控制细 菌生长是目前普遍采用的方法。但是，加氯量过高会引起氯化消毒副产物的生成， 使饮用水中“三致物质增加，对人体健康造成威胁。因此仅靠增加余氯来控制 管网细菌生长显然是不可取的。 2 、营养。细菌的生长必须靠营养基质的支持，减少水中b d o c 或a o c 等 营养物质以控制异养细菌生长，能取得决定性的效果。 3 、水力因素。管网中水流速度对细菌生长的影响有以下几个方面：增加流 速可以将更多的营养基质带到管壁生物膜处，同时也增加了氯量和对管壁生物膜 的冲刷作用。水流骤开骤停能使管壁生物膜冲刷下来，水中细菌量急剧上升。上 3 北京工业大学工学硕士学位论文 述几方面的作用是相互影响的，对于具体问题应具体分析。 4 、颗粒物的影响。水中颗粒物易成为细菌生长的载体，并降低氯对细菌的 杀灭作用。因此应严格控制出厂水中颗粒物的数量，有条件时可定时或不定时对 管网进行冲洗。 5 、温度。水温能直接或间接影响所有影响细菌生长的因素，如水处理流程 的处理效率、微生物的生长速度、消毒效率、余氯消耗、管网腐蚀速度、管网水 力条件和人们对水量的需求等等。 1 2 4 管壁生物膜 “生物膜”通常用来形容水环境中在聚合载体上连接在一起的一层微生物 膜，聚合载体通常附着于像管道、小的块状物或者沉淀淤积等基质上，成功地依 附以及随后微生物在表面上的生长导致了生物膜的生长【l 。配水系统中生物膜的 形成，主要经过下面的过程：聚居的细菌附着在固体表面；微生物群落形成，产 生胞外聚合物；群落向上或向外扩展，形成规则和不规则的结构；生物膜成熟， 新的菌种进入生物膜并生长，有机和无机的碎片被结合，并且溶液梯度形成，导 致了生物膜空间的异相结构；成熟的生物膜可以脱落，使这种循环交替地重复进 行；形成一种顶级群落。 1 2 4 1 给水管壁生物膜的影响因素 影响管壁生物膜的形成与生长有许多因素：管网水中的营养物质、管道的材 料、水中的消毒剂浓度、水温、水力条件等。 许多研究对管壁生物膜生长与管网水中基质浓度的关系进行了探讨。k o o i j 等在玻璃容器生物膜生长试验中l l 引，对比了低浓度a o c 的饮用水和外加微量碳 源后反应器中生物膜形成速率，发现后者远远大于前者，而且饮用水中微量的 a o c ( 1 0 肛g l ) 足以能够形成生物膜。 c h a n d y 等研究了基质浓度对生物膜形成的影响以及生物膜对管网水中消毒 剂余量的影响【l3 1 。研究发现悉尼饮水中碳源是生物膜生长的限制因素；在氯胺存 在的条件下生物膜仍然可以生长，生物膜的形成加剧了氯胺的衰减。而在低基质 浓度的条件下，加氯消毒，没有观测到生物膜生长的现象。他建议饮用水处理与 管理应该将有机物去除、控制生物膜生长和管网水中余氯量的维持有机结合起 来。 o l l o s 等对生物膜形成与基质浓度、消毒剂、水力条件、管材、温度的关系 进行了研究【h l 。在试验条件下，消毒剂对于生物膜的形成影响最大；不添加营养 基质条件下，温度对生物膜形成影响很小，而水流剪切力影响最大；低水流剪切 力条件下，提供有机营养，温度成为生物膜形成的最大影响因素；高营养基质与 4 第l 章绪论 低消毒剂余量，使得生物膜细菌数量大大升高。 李爽对给水管壁生物膜进行了初步研究【1 5 】，指出不同管材对于生物膜的发育 过程影响很大，主要是因为不同管材内壁粗糙度和受腐蚀情况有所不同。p v c 管与镀锌钢管相比，由于管壁粗糙度较小；受腐蚀程度较轻，p v c 管不利于生 物膜发育。通水六个月之后p v c 管的生物膜活菌数比镀锌钢管低一个数量级， 当生物膜发育日趋成熟时，管材的影响作用减小，不同管材之间生物膜活性相差 不大。 1 2 4 2 管壁生物膜对供水安全性的影晌 管壁生物膜给饮用水带来许多负面影响：管壁生物膜的细菌成为高级微生物 的食料，使得高级微生物能够在管网水中生存；配水管网中生物膜中细菌死亡及 生物膜脱落会导致水的浊度、味道和嗅味上升；造成生物腐蚀，使得配水管网的 摩擦阻力升高【1 6 】；生物膜提供了致病菌存在与生长的场所，并且增加了病毒与寄 生虫存在的可能性。生物膜同样也提高了细菌对消毒剂的抵抗能力【1 7 】。 一般来说，水源水经过自来水厂的处理，其细菌指标都能符合水质标准的要 求。但是，在给水输送的过程中，生物膜在管网中生长发育。而附着生物膜中存 在有各种各样的微生物，其中不乏病原体和机会病原体。 马从容对蚌埠市饮用水的生物稳定性进行了研究【1 8 1 ，通过管道垢样的扫描电 镜观察发现管道中细菌的繁殖已极为严重，有杆菌、球菌、丝状菌等，它们藏匿、 附着并栖息于管垢的颗粒物之中。菌种鉴定为管壁繁殖的细菌中有两种革兰氏阴 性异养杆菌，其中一种是条件致病菌。 美国学者n o r t o n 等在他们的给水管道模拟系统中的管壁生物膜中分离出了 鸟【型】结核分支杆菌( m y c o b a c t e r i u ma v i u m ) ：这是一种非常严重的致病菌，可 以引起结核病和麻风病【1 9 】。 1 2 5 磷与生物稳定性 长期以来，有机碳被认为是控制饮用水中异养菌生长繁殖的最主要营养物 质。尤其是易被微生物降解的a o c ，被普遍认为是评价饮用水生物稳定性的主 要指标，无机元素对微生物生长的影响关注非常少。然而最近几年有研究表明， 在北半球( 例如北欧、俄罗斯和北美洲) ，森林和泥炭地中含有丰富的有机碳。 从而在这些地区，自然水体中含有大量的有机碳。饮用水中微生物生长不是受到 a o c 的限制，而是受到无机元素磷的限制 2 0 2 1 1 。 一般来说碳、氮、磷是微生物生长所需要的最重要的营养元素。对于不同的 微生物，它们所需要的营养元素的比例是不相同的。就一般微生物而言，微生物 所需要的碳、氮、磷的比例在一定的范围之内。在特定情况下，当碳源和氮源充 北京工业大学工学硕十学位论文 足而磷源缺乏时，磷就会对微生物的生长起到限制性作用。 c o v e n e y 等以贫营养的湖水作为研究对象，研究了添加有机和无机营养对微 生物生长速率的影响【2 2 1 。他以细菌数量和菌体体积作为控制指标，加入有机基质 后，细菌生长速率没有显著变化，而加入无机磷酸盐后，细菌生长速率明显加快， 再次加入有机基质后，生长速率再次加快。 在日本，s a t h a s i v a n 等】做了七组对照配水试验( 空白加入没有磷的无 机盐营养加入1 2 p g p 0 4 3 - p l 磷酸盐加入1 0 5 m g l 的醋酸钠加入含有磷的 无机盐营养加入1 0 5 m g l 的醋酸钠和没有磷的无机盐营养加入0 6 m g l 的 醋酸钠和无机盐营养) 。结果表明，第七组异样菌平板计数明显高于其他六组， 得出细菌在只有易降解有机碳的情况下难以生长，无机元素磷是微生物生长的限 制性因子。 ， 1 2 6 ；争水工艺在控制饮用水生物稳定性方面研究 现有水厂常规工艺一般由混凝、沉淀( 澄清) 、过滤三部分组成，其主要去除 对象为大分子量的有机物；对a o c 去除十分有限且波动较大，并受水源水水质、 水温以及采用的单元构筑物影响较大。 鲁巍利用现场中试装置1 2 4 ，系统地比较了预处理单元、常规处理单元及深度 处理单元中可生物降解有机物b d o c 和a o c 的生成和去除特性。结果表明：以 控制生物稳定性为目的时，氧化剂的投加会增加a o c 和b d o c 浓度，降低生物 稳定性。不投加氧化剂，直接采用常规工艺+ 普通活性炭过滤可将出水a o c 含 量控制在5 0 p g l 以下。 鉴于a o c 与饮用水生物稳定性的密切关系，国内外学者在水处理工艺对 a o c 去除效果方面进行了大量的研究工作，结果表明1 2 弼8 】，常规处理工艺对a o c 的去除效果波动较大，为7 8 4 8 8 ，多数情况下小于3 0 ；强化混凝可提高 混凝工艺对有机物的去除效率，对a o c 的去除率比原工艺提高o 2 9 ；生物活 性炭对a o c 去除效果较好，去除率达6 0 ；纳滤膜对a o c 的去除率为8 0 ； 臭氧+ 活性炭工艺对a o c ；的去除率为8 3 。因而对于水质较好的水源水( h o c 在2 0 0 3 0 0 “g l ) ，可采用常规处理+ 生物活性炭工艺或臭氧+ 活性炭工艺等深度处 理工艺，从而得到生物稳定的饮用水。， 由此可见，为降低a o c 含量，使饮用水具有良好的生物稳定性，必须对水 进行深度处理，但处理成本高、操作复杂。从我国给水厂目前的实际情况看，由 于水处理工艺技术落后、原水水质污染严重、资金有限等多方面原因，要达到 a o c 含量低于5 0 p g l 的限定值是非常困准的，即使是对技术发达的美国和加拿 大的给水厂进行调查，结果也显示，9 5 的地表水水厂和5 0 的地下水水厂不能 达到5 0 “玑的标准。针对这一实际情况，提出的近期a o c 建议控制值仅为 6 第1 荦绪论 2 0 0 i t g l ，这对于少数水源水质很好的给水厂有可能达到，但绝大多数给水厂仍 很难实现，而且2 0 0 腭几限定值实际上已经完全可以造成微生物的再生长。 因此，从目前已有的研究情况看，仅通过简单的控制a o c 含量使水保持良 好的生物稳定性是相当困难的，探索和研究其它控制因素是具有极大意义的前沿 课题。最近几年有研究表明，在水体中有机碳丰富的地区，饮用水中微生物生长 不是受到a o c 的限制，而是受到无机元素磷的限制【2 0 _ 1 1 。因此，饮用水中磷对 微生物生长的限制作用的研究在国内外逐渐开展。 桑君强利用一种新的微生物学分析方法 2 9 1 ，研究了原水中微生物可利用磷 ( m i c r o b i a l l ya v a i l a b l ep h o s p h o r u s ，m a p ) 以及总磷( t p ) 溶解性正磷酸盐( s r p ) 在净 水工艺中的去除情况。结果表明，生物预处理生物活性炭及常规的混凝沉淀砂滤 工艺均使水中的m a p 、t p 及s r p 大大降低；生物预处理和生物活性炭对水中 m a p 的去除效率高于对t p 的去除效率；常规处理对原水中m a p 的去除率超过 9 0 ，t p 的去除率在8 0 以上。臭氧氧化对水中t p 和s r p 的影响不大，但是 使m a p 增加。试验原水经过净水处理后，水中可供细菌利用的磷源降低到很低 的水平，说明处理后的水中磷源可能成为水中细菌生长的限制因子。 姜登岭等对某市某水厂水源水和出厂水中磷的存在形式、m a p 的去除等进 行了研究【j 0 。结果表明：水源水中的磷主要以非溶解性形式存在，溶解性总磷酸 盐约占总磷3 0 ；s r p 只在个别月份检出，且浓度很低；水源水中m a p 浓度一 般高于s r p 浓度，说明微生物也可以利用非溶解性磷；出厂水中溶解性总磷酸 盐占总磷的比例较水源水中溶解性总磷酸盐占总磷的比例升高，说明其去除较非 溶解性的磷困难；常规处理工艺对总磷和微生物可利用磷去除效果较好，平均去 除率分别为6 6 和6 9 ，混凝沉淀单元和过滤单元对总磷去除效果均较好。强 化混凝工艺，降低出厂水中的m a p ，有可能保证饮用水生物稳定性。 芬兰l e h t o l a 等研究了臭氧氧化对m a p 的影响f 3 1 】，发现臭氧氧化能够使m a p 增加，原因是臭氧能够氧化大分子的有机物为小分子物质，而磷经常与大分子有 机物结合在一起，从而臭氧氧化过程中能够释放出容易被微生物利用的磷，使得 脚增加。 1 3 研究的目的和意义 水是生命之源，采用安全、高效的饮用水净化处理方法是保证人们获得质好 量足的饮用水的根本前提。近年来随着人民生活水平的日渐提高，人们对现有饮 用水的安全日益重视和关切，对水质的健康性要求也越来越高。这种健康性主要 指的是水中不含微生物和导致生理副作用的矿物质和有机物质，水的外观应无明 显的混浊，颜色、气味、温度均无异常。1 9 世纪末人类历史上第一次将水质与 7 北京工业大学工学硕士学位论文 健康直接联系起来【3 2 1 ，正是认识到严重危害生命的霍乱、伤寒和痢疾等传染病是 微生物通过饮用水传播的。另外，水质标准的不断提高对饮用水净化处理方法提 出了新的挑战。 一方面，可以用于饮用水净化的氧化剂已有多种( 以消毒剂为主) ，例如氯、 氯胺、臭氧和紫外线等。不论是化学的方法还是物理的方法，主要是利用其较强 的氧化能力，因此，在水处理反应过程中会同水中的一些有机物发生反应，使出 厂水a o c 和m a p 变化，即使得管网中细菌生长所需的营养基质发生了变化， 影响了出厂水的生物稳定性。各种氧化剂使用所引起的水的a o c 和m a p 变化 是生物稳定性研究中发现的新问题，有必要进行深入研究。 另一方面，城市管网与其输送的水构成一个复杂的化学、生物化学反应系统。 当饮用水经过供水管网被输送到用户终端时，庞大的地下管网就如同一个大型的 反应器，饮用水在输送途中，水中这些微量可生物降解有机物将引起给水管网中 细菌的再生长，在管壁形成生物膜，生物膜老化脱落会使管网水色度和浊度上升， 细菌数增加，从而使饮用水生物稳定性降低。目前，对管网水中悬浮菌的生长特 性及影响其生长繁殖的关键因素还不十分清楚，还不了解管壁生物膜的形成特性 及其与管材、基质、管网水中的悬浮菌之间的关系，不能够准确判断和评价管网 水是否处于生物稳定，以及如何去控制管网水中微生物的生长和繁殖。因此，研 究余氯等因素对管壁生物膜的影响及在保障供水卫生领域也具有重要意义。 1 4 研究的内容和目标 课题研究的内容有： ( 1 ) 以东北某市自来水为水源，使用环状生物膜挂片反应器b a r ( b i o f i l m a n n u l a rr e a c t o r ) 模拟给水管网的运行特性，考察了在加氯胺和不加氯胺两种条 件下铜和不锈钢挂片上生物膜中生物量的变化，分析不同材质挂片生物膜上h p c 的生长规律；同时考察出水悬浮菌、余氯、浊度的变化： ( 2 ) 以上海杨树浦水厂进厂水为研究对象( 黄浦江上游水) ，通过静态烧杯 实验，分别考察了在不同反应时间和投加剂量下五种氧化剂对水样的a o c 、m a p 的影响。 通过以上研究，希望能为指导给水水处理工艺、给水处理中正确使用氧化剂、 认识氧化剂，尤其是氧化剂投加与生物稳定性的关系提供一些依据，也为更好的 发现与揭示给水管网中生物稳定性的变化规律提供理论支持，从而更好的保障饮 用水的安全，保护饮用者的身体健康和生活质量。 8 第2 章试验装置及测定方法 第2 章试验装置及测定方法 2 1 试验装置与方法 2 1 1 环状生物膜挂片反应器 环状生物膜挂片反应器b a r ( b i o f i l ma n n u l a rr e a c t o r ) 如图2 - 1 所示，是一 种用于模拟饮用水管网中各种水质参数和水力条件对管壁生物膜影响的实验室 物理模型口3 1 。该反应器可安装不同材料制作的生物膜载片，供生物膜附着生长。 进 进 往片转子转 插僧 中心子 加进 药水 口口 图2 - 1b a r 反应器示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fb a r 挂取 片祥 口 2 1 2 准平行光束仪 准平行光束仪，可以准确定量传递到微生物表面的紫外线剂量，装置如图 2 - 2 所示。该装置按照国际紫外协会的标准设计，选用低压汞灯作为光源，紫外 灯管安装在一个封闭的圆柱体内，在筒体的底部中央开口，下方接一段长度为 6 0 e r a ，直径为8 8 c m 的圆管，其作用是产生平行紫外线，使得紫外线能够垂直 到达样品的表面。紫外灯管的功率4 0 w ，其中输出2 5 4 n m 波长紫外线的功率为 1 3 8 w 。通过改变装置下方平行光管的长度，调节到达微生物的不同紫外线强度。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 2 紫外线试验装置准平行光束仪 f i g 2 - 2c o l i m a t e db e a md e v i c ef o ru ve x p e r i m e n t s 2 2 试验分析方法 2 2 1a o c 测定方法 ， a o c 的概念和测定方法在1 9 7 9 年由荷兰的k o o i j 博士首先提出瞰l ，其后国 际上有很多学者在此基础上进行了这方面的研究。a o c 测定方法的原理是细菌 培养到稳定期的数量与水中限制性营养物的量成正比。以荧光假单胞菌p 1 7 菌和 螺旋菌n o x 菌作为测试菌，以乙酸钠作为营养基质，将p 1 7 菌和n o x 菌分别 接种至标准浓度的乙酸钠溶液中，在2 2 2 4 下培养，在培养过程中对培养液进 行细菌平板计数，得出在一定乙酸钠浓度下两种菌生长稳定期的最大菌落数，计 算出产率系数( c f u l x g 乙酸碳) 。对待测水样，在7 0 水浴中巴氏灭菌3 0 m i n ， 以杀死非芽孢细菌和原生动物，冷却后分别接种p 1 7 茵和n o x 菌，在2 2 2 4 下培养，在培养过程中对培养液进行细菌平板计数，得出水样中两种菌生长稳定 期的最大菌落数，根据产率系数计算出a o c ( p g l ，以乙酸碳计) 。 1 、试验器皿处理方法 采集水样及试验过程中所有玻璃器皿( 除培养皿) 按照如下方法处理： 1 ) 在稀硝酸洗液中浸泡2 4 h ； 2 ) 先后用去离子水、超纯水分别洗涤3 遍； 1 0 第2 苹试验装置及测定方法 3 ) 在马弗炉中5 5 0 无碳化处理8 h 。 试验中使用的塑料制品( 如塑料吸头) 采用如下方法处理： 1 ) 在稀硝酸洗液中浸泡2 4 h ； 2 ) 先后用去离子水、超纯水分别洗涤3 遍； 3 ) 在高压锅中1 2 1 灭菌2 0 r a i n 。 2 、接种液准备 斜面上分别挑取p 1 7 和n o x 菌株各一环，分别放入4 0 m l 经0 2 “m 滤膜过 滤及高压灭菌处理过的水样中培养7 d ，使菌种适应低营养条件生长，并恢复其 天然代谢状态。 取1 0 0 肛l 上述培养的p 1 7 和n o x 菌液分别移至4 0 m l2 m g 乙酸碳l 的乙酸 钠溶液中，室温下培养至稳定期，使其耗尽接种液中的有机碳。将培养后的细菌 进行平板计数，测定接种液的浓度，依次确定加入到待测水样中的接种液体积。 通常，其加入量应保持待测水样接种后的菌落数为1 0 4c f u m l 左右。用公式( 2 1 ) 计算接种液体积： 接种液体积= 吾甬4 0 孺m l 孺x 诱10 r 4 c 忑f u 瓦m 石l 西 ( 2 - 1 ) 3 、细菌的采集、接种和培养 水样收集于预先处理好的2 5 0 m l 取样瓶中，如果水样中含有余氯，加入适 量硫代硫酸钠( 按照摩尔比硫代硫酸钠：余氯= 1 2 ：1 ) 以中和水中的余氯。水 样7 h 内送回实验室分析，试验1 2 h 内进行。 a o c 测定的接种方法主要三种，同时接种法、先后接种法和分别接种法【3 5 】。 本研究中采用先后接种法，该方法主要特点是菌落计数方便。即取水样4 0 m l ， 在7 0 c 水浴中巴氏灭菌3 0 m i n 以破坏植物细胞和灭活非芽孢细菌，水浴后冷却 至室温，然后按照1 0 4 c f u m l 的接种浓度接种p 1 7 ，在2 2 士2 条件下黑暗培养， 培养2 d 后对水样中的p 1 7 进行细菌平板计数。然后水样在7 0 ( 2 水浴中巴氏灭菌 3 0 m i n 以杀死水样中的p 1 7 菌，冷却后按照1 0 4 c f u m l 的接种浓度接种n o x ，在 2 2 _ 4 2 c 条件下黑暗培养，培养3 d 后对水样中的n o x 进行细菌平板计数。 4 、细菌平板计数 从培养好的样品中取l o o l 上l ，用无机盐溶液稀释1 0 3 1 0 4 倍。取l o o l 上l 涂布 于l l a 培养基平板上，置于2 2 2 5 生化培养箱中培养，p 1 7 培养2 4 h 、n o x 培 养7 2 h 即可计数。p 1 7 外观呈淡黄色，粒径2 - 3 r a m ；n o x 外观呈乳白色，粒径 1 - 2 r a m 。l l a 培养基成分【3 6 】：5 9 蛋白胨、3 9 牛肉浸膏和1 2 9 琼脂粉，1 0 0 0 m l 超纯水，高压1 2 1 灭菌2 0 m i n 。 5 、空白对照和产率对照 。 为了消除试验过程的有机物污染及产率系数不同对试验结果的影响，试验中 分别做空白对照和产率对照。 北京工业大学工学硕士学位论文 空白对照：取4 0 m l 超纯水加入l o l l 矿物盐溶液，若水样加入硫代硫酸钠 以去除游离氯，则在空白对照中也应加入等量的硫代硫酸钠。巴氏灭菌后，按与 待测水样相同的步骤接种、培养和细菌计数。 产率对照：取4 0 m l 含1 0 0 9 9 乙酸碳l 的乙酸钠溶液，并加入1 0 止无机盐 溶液。巴氏灭菌后，按与待测水样相同的步骤接种、培养和细菌计数。 6 、产率系数 根据产率对照和空白对照培养稳定期的最大菌落数，按照公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可以计算出p 1 7 和n o x 的产率系数。 p - 7 产率系数= 堡旦兰主型堡- 鱼旦尘笔暑惹芝薏磊芋塑坠皇垒型 ( 2 2 ) n 。x 产率系数= 型旦堑兰至堕墨堑型号等盂誉罢冀蓑塑鲨堕量堑型 ( 2 3 ) a o c 的计算：将待测水样的菌落数减去空白对照的菌落数，利用产率系数， 按照公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) 即可求得a o c 值。 觥m c 枷= 螳盟塑掣器蓊产塑丝业 ( 2 - 4 ) 们c 小咖= 螳塑坠罂黑篙署坠型 水样总a o c ( a g l ) = a o c p l 7 + a o c n o x 2 2 2m a p 测定方法 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 目前饮用水较多采用的磷测定方法普遍存在以下两个问题：一是测定精度达 不到饮用水生物稳定性研究的要求；二是这些测定方法测得磷的浓度，难以区分 出哪一部分是可以被微生物利用的磷。可溶性的磷酸盐能被微生物直接吸收，而 有机结合的磷酸盐和不溶性的磷酸盐不能够被微生物直接利用【3 7 3 引。因此，为 了考查饮用水中可以被微生物利用的磷，芬兰学者l e h t o l a 等提出了水中微生物 可利用磷的测定方法1 3 9 】。m a p 测定方法是一种生物检测技术，是在消除除磷外 其他元素对微生物生长限制的情况下，以p 1 7 菌为测试菌，以磷酸盐( n a 2 h p 0 4 ) 为磷源，对生长至稳定期时的细菌进行平皿计数，根据不同浓度的磷与该浓度下 p 1 7 菌达到生长稳定期的数量n m a x 做标准曲线，得到一条有较好线性相关性的直 1 2 第2 章试验装置及测定方法 线，求出m a p 产率系数。测试水样时，同样要消除其他元素对微生物生长限制， 水样接种p 1 7 菌，培养至生长稳定期，得到最大菌落数n m 戤，根据m a p 的产率 系数可以计算出水样中微生物可利用磷的浓度( i | g p 0 4 3 - p l ) 。 试验工作中研究细化了m a p 测定方法，采用配水试验得出了磷与最大菌落 数n m 舣的剂量反映关系；计算得出了m a p 产率系数和测定范围；同时简化m a p 测定过程，减少了测定工作量。 1 、试验器皿