（市政工程专业论文）饮用水生物稳定性与消毒剂作用的相互关系.pdf

摘要 摘要 在饮用水中采用各种消毒剂会造成生物膜性状改变，改变饮用水的生物稳定 性。生物稳定性较低将导致给水管网中细菌的再生长，引起饮用水二次污染。本 文进行了消毒剂作用对生物膜的影响和水质生物稳定性的研究，考查了硝化作用 的影响因素。 研究结果表明，液氯和氯胺对大肠杆菌生物膜都有较好的灭活效果。投加足 够量的消毒剂时，经较长接触时间，灭活率能达到9 8 以上。消毒时间较短时， 氯氮比低的氯胺的灭活效果更弱。消毒时间较长时，消毒效果则反之。 不同浓度液氯和高氯氮比氯胺作用生物膜时，a o c 、m a p 和b r p 值均最低； 采用低氯氮比氯胺消毒，在反应较短时各指标值最低，对水质造成的影响相对最 小。 硝化细菌影响因素的研究表明，有机物较多时，氯胺衰减幅度大；在提供更 多氮营养的氯胺作用下，各类管材挂片生物膜中a o b 和异养菌更易繁殖，发生硝 化作用的机率较大。管材对生物膜的成长有较大影响，生物膜中a o b 和异养菌数 量总体表现为p v c 最高。s s 为比较理想的金属管材。在正常水温范围内，温度越 高，a o b 和异养菌越容易生长繁殖；p h 值对饮用水中三氮含量的影响不大。在 硝化细菌存在的情况下，氯胺对微生物并没有起到控制作用。从温度和管材影响 因素的试验研究发现，a o b 生长相对于n 0 2 - n 含量的变化有滞后性。 因此，采用氯胺消毒时，要有效控制管网硝化反应的发生，应提高氯氮比值。 但只有解决水源污染问题，改进水厂运行工艺，降低出厂水有机物含量，才能真 正保障饮用水生物安全性。 关键词：饮用水；消毒；生物稳定性；生物膜：硝化作用；氯；氯胺 a b s t r a c t a bs t r a c t t h et r a i t so fb i o f i l mw o u l db ec h a n g e di nd r i n k i n gw a t e ra n dt h eb i o l o g i c a l s t a b i l i t yo fd r i n k i n gw a t e rb ei n f l u e n c e db yu s i n gd i s i n f e c t a n t s i nw a t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k 丽t l lt h el o w e rb i o l o g i c a ls t a b i l i t y ，i tw o u l dp r o m o t eb a c t e r i a lr e g r o w t h ， c a u s i n gs e c o n d a r yp o l l u t i o no fd r i n k i n gw a t e r 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 fd i s i n f e c t a n to nb i o f i l ma n db i o l o g i c a ls t a b i l i t y ，a n dt h ei m p a c tf a c t o r so f n i t r i f i c a t i o n 刀皓r e s u l t ss h o w e dt h eb e r e ri n a c t i v a t i o nb yu s i n gc h l o r i n ea n dc h l o r a m i n e so n t h ee c o l ib i o f i l m n l ei n a c t i v a t i o nr a t ec o u l da c h i e v em o r et h a n9 8 b yu s i n g e n o u g hd i s i n f e c t o ri nal o n g e rc o n t a c tt i m e i nt h es h o r td i s i n f e c t i o nt i m e ，t h e i n a c t i v a t i o ne f f e c tw a st h ew e a k e s tb yc h l o r a r n i n e sw i t hl o w e rp r o p o r t i o no fc h l o r i n e a n dn i t r o g e n i ft h ed i s i n f e c t i o nt i m ew a sl o n g e r ，i tw a st h ec o n t r a r y t h ec o n t e n to fa o c ，m a pa n db r pw e r em i n i m u mb yc h l o r i n e ，h i 曲r a t i o c h l o r a m i n e so nb i o f i l ma td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ，w h i l ei tw o u l da c h i e v et h e m i n i m u mv a l u eo ft h ei n d i c a t o r sb yl o wr a t i oc h l o r a m i n e si ns h o r tt i m e ，w h i c h l e a d i n gt h er e l a t i v e l ym i n i m a li m p a c t i tc o u l ds h o wt h e r ew a st h eb i g g e s td e c a yo fc h l o r a m i n e s 、析t l le n o u g ho r g a n i c s u b s t a n c eb ys t u d y i n gn i t r o b a c t e r i af a c t o r s i t se a s i e rf o ra o ba n dh e t e r o t r o p h i c b a c t e r i at og r o wi nv a r i o u st y p e so fp i p eh a n g i n gb i o f i l ma n dt o o kp l a c et h en i t r i f i c a t - i o nb yc h l o r a m i n e s 、析mm o r en i t r o g e nn u t r i t i o n p i p em a t e r i a l sh a dg r e a t e ri m p a c to n b i o f i l mg r o w t ha n dt h en u m b e ro fa o ba n dh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i ao nb i o f i l m p e r f o r m e di nt h em a s s ：p v c c u s s s sw a st h ei d e a lm e t a lp i p e i nt h en o r m a l r a n g eo fw a t e rt e m p e r a t u r e ，i t sm o r el i k e l yf o ra o b a n dh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i at o g r o wa n dr e p r o d u c ea th i g h e rt e m p e r a t u r e n i t r o g e nc o n t e n tw a s n ti n f l u e n c e d o b v i o u s l yb yp hi nd r i n k i n gw a t e r c h l o r a m i n e sc o u l d n tc o n t r o lm i c r o - o r g a n i s m s u n d e rt h ec o n d i t i o no f n i t r o b a c t e r i ae x i s t i n g 1 1 1 ee x p e r i m e n t a t i o na b o u tt e m p e r a t u r e a n dp i p em a t e r i a l sf o u n dt h a tc o m p a r e dw i t hd i v e r s i f i c a t i o no fn 0 2 - nc o n t e n t , g r o w t ho fa o bl a g g e db e h i n dr e l a t i v e l y n l e r e f o r e i ts h o u l di n e r e a s et h er a t i oo fc h l o r i n ea n dn i t r o g e nt oc o n t r o lt h e o c c u r r e n c eo fn i t r i f i c a t i o ni nn e t w o r ke f f e c t i v e l yb yu s i n gc h l o r a m i n e sd i s i n f e c t i o n b u ti no r d e rt op r o t e c tt h eb i o - s e c u r i t yo fd d n k i n gw a t e rr e a l l y , i tw a so n l yt or e s o l v e t h ei s s u eo fw a t e rp o l l u t i o na n di m p r o v eo p e r a t i o np r o c e s s e so fw a t e rp l a n tt or e d u c e t h eo r g a n i cc o n t e n to ft r e a t e dw a t e l k e yw o r d s ：d r i n k i n gw a t e r , d i s i n f e c t i o n , b i o l o g i c a l s t a b i l i t y ，b i o f i l m , n i t r i f i c a t i o n , c h l o r i n e ，c h l o r a m i n e 一一 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j | i i j j j t l 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。 签名：璐差1日期业 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：嫩 导师签名：日期： 第1 章绪论 1 1 我国饮用水现状 1 1 1 饮用水水源污染 第1 章绪论 近年来，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。2 0 0 6 年，在国家环境监测网实际监测的7 4 5 个地 表水监测断面中，i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 【l 】。城市地下水超采或海水入侵现象日益突出。由于水源污染给城市给水 水质处理带来了极大的困难，其具体表现为： 1 、处理后水质感官性指标不良，色度高、有异味、臭，这固然与水中氨氮、 过锰酸盐指数高有关。另一方面也与水中溶解氧低下有关。富营养化的湖泊水， 藻类繁殖，产生土味素( g e o s m i n ) 及二甲基异茨醇( 2 - - m i b ) 等物质。藻类还产生致 病、致癌毒素。 2 、由于氨氮的存在，降低加氯的消毒作用，造成过滤除锰困难，另一方面 生成氯胺致突变物。若采用折点加氯消毒、加氯量大，造成消毒后水中的t t h m s 及其他消毒副产物的增加，其中有致突变物、致癌物，特别是m x 及e 一凇在 毫微克升( n g l ) 数量级即具致突变性。 3 、原水中有毒害物及三致物质难以去除，常规水处理工艺只能去除分子量 在1 0 0 0 0 道尔顿( d ) 以上的物质，对于1 0 0 0 1 0 0 0 0 d 的化合物只能去除2 0 3 0 ， 对于5 0 0 1 0 0 0 d 的物质基本上不能去除。水中三致物的分子量大多在5 0 0 d 以下， 常规工艺去除困难，其他有毒有机、无机物的情况也差不多。 4 、有些污染物目前还难以检测，富营养湖泊水中藻类繁殖，产生三类藻毒素： 肝毒素( h e p t o t o x i n s ) 、神经毒素( n e r u o t o x i n s ) 和酯多糖毒素( 1 i p o p o l y s a c c h a r i d e s ) ， 目前尚缺少检测方法及水中容许浓度的限量。因之，尚未见通过水处理去除藻毒 素情况的报导。 5 、管网水水质不稳定。水质污染造成混凝剂、消毒剂剂量增加，降低了水的 p h 值，增加了水的不稳定性；其次有机物污染导致管网水可生化的有机碳( b d o c ) 或可同化性有机碳( a o c ) 浓度增加，细菌易于繁殖滋生，腐蚀管道，恶化水质。 北京工业大学工学硕士学位论文 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，水源污染已经成为中国 最主要的环境问题。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l z j 。 1 1 2 饮用水二次污染 当出厂水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。 二次污染归结为微生物、化学物理和感官三个方面：微生物污染包括微生物 在生长( 尤其是附着生物膜的生长) 、硝化作用和水霉病等；化学物理污染包括 消毒副产物、铅、铜、铁、锌、温度、腐蚀、p h 值稳定性与结垢、管道涂层与 衬里渗出物，消毒物残留浓度的维持和管道沉积物；感官污染包括味道、气味、 浑浊度和色度的变化。此外，饮用水的二次污染还包括因管道渗漏和其他因素带 来的外源性污染。 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 】，对国内3 6 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 到终端用户，是城镇供水企业急需解决的问题。 1 1 3 饮用水水质标准和供水管网水质改善措施 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 2 一 第1 章绪论 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 j 。2 0 0 5 年6 月1 日实施的城市供水 水质标准( c j t 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 项【7 j 。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 b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 8 1自2 0 0 7 年7 月1 日起实旌。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 b 5 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 1 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一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。 供水管网中饮用水易遭受二次污染，但是国家对管网水质没有一个确定的标 准。目前对改善和保障管网水质一些普遍的措施如下： 1 、推广应用新型管材 鉴于陈旧管材如铸铁管、钢管、镀锌管等给水质带来的巨大影响，故应推广 应用新型管材，加快陈旧管网改造步伐。硬聚氯乙烯管( u p v c ) 是国内目前塑料 管材的主导产品，由于其本身所具有的内壁光滑、水流阻力小、耐腐蚀、有利保 护管网水质、管材轻便、接口施工安装方便等优点，已广泛应用在给水工程中。 特别是给水用硬聚氨乙烯管( p v c 0 ) 管材、给水用硬聚氯乙烯管件和理 地硬聚氯乙烯给水管道工程设计、施工及验收规程等国家标淮颁布和实施以来， 一些水司加大了采用u p v c 管的力度，结合国家有关标准规程及兄弟水司使用 u p v c 管的经验以及本地区的实际情况，对u p v c 管的有关管材要求，施工等环 节进行总结，推广应用，均获得了成功。 为避免管道材质品种的多样化，造成将来的维护管理诸多不便。推广应用新 型管材宜择选2 - 3 种。除此，选用的管网阀门与配件等，其阀体或配件内壁面应 有热喷涂p e 等材料防腐措施。 2 、加快陈旧管网改造步伐 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 加快更换已腐蚀、使用多年、陈旧的铸铁管和镀锌管。对确不能进行更换铸 铁管的地段，改善管网水质的方法可采用衬管技术。随着供水事业的迅速发展， 人们对水质的要求也越来越高，供水管网由于建设时间跨度大，各时期建设标准 不一样，由于经济、技术上的原因，以前建设的供水管道( 钢管、铸铁管) 基本上 不做内涂防腐，后期采用水泥砂浆内涂防腐，也存在一定的缺点，因管道施工回 填后变形引起砂浆爆裂，部分脱落，以及水泥砂浆经长期浸泡、冲剧，水泥成分 渗出流失，以致引起水泥砂浆结构松散，部份脱落的水泥砂浆流至用户表前，有 的甚至导致阀门不能启闭。所以积极推广应用对水质无影响的防腐涂料用于管道 内防势在必行。 3 、提高出厂水水质和稳定性，严格控制浊度超标 管网水具有化学和生物双重不稳定性。由于不稳定或水质不好的出厂水直接 导致管网水质的变化，因此提高和稳定出厂水水质就显得尤为重要。 目前在改善水质稳定性方面比较现实的做法是推行调整p h 值法，即水在出 厂前诸如投加石灰，调节p h 值至7 0 8 5 ，提高水的稳定性。采取金属管道内涂 水泥砂浆防腐等技术措施，以解决化学不稳定腐蚀管道，影响水质。 4 、加强管网设计、施工管理 合理制定管道施工计划，严格按国家有关规范标准实施管道工程施工与验收 的管理。禁用对水质有影响即对人体有害或对橡胶圈有腐蚀作用的润滑剂。加强 新装管道的冲洗消毒方案制定与措施的实施力度，检验符合国家水质卫生标准的 规定。调研与控制管网的流态，减少低流速管段，消除死水管段，对使用年限太 长的供水管道进行更新改造或刮管涂衬。 5 、加强管网冲洗的实施 制定管网冲洗计划，定期冲洗管道，冲洗周期根据当地客观情况而定，但两 年至少一次，对管网末端冲洗周期一年不少于一次；加强对枝状管网末梢泄水阀 或消火栓的定期吐水排放。定期排放消火栓。从主管至消火栓一般都有5 1 0 m 左 右的管道，而该段管内的水更成了“死水”影响了水质。为了解决这个问题就必须 定期排放消火栓，避免管内“死水 时间过长水质变坏，生长细菌。一般每半年 对消火栓必须进行排放一次，并视情况制订了临时排放措施。 6 、减少漏水机率，降低因漏水造成的水质污染 尽量降低管网漏水机率，加强管网检漏工作，及时抢修漏水管道：定期对水 表、阀门、消火栓进行检查保养，对淹没在水中的阀门、水表要及时清理，阀门 要每隔一、二年人为地活动活动：加强对接入河床或接至下水管道中排( 泄) 水 阀的维护管理，使其绝对处于完好状态。除此，在汛期还应加强该管段的巡检维 护工作力度，发现管道阀门故障及时修复处理。 - 4 一 第1 章绪论 除爆管外，对一般性管道的漏水，在管理方面应弃现行的先关阀门、后开挖 的施工措施：改变为先开挖使工作坑形成后再关阀维修的作法，避免先关阀形成 负压引起脏水倒灌的影响。 7 、加强对二次供水设施的管理 二次供水水质直接关系人民身体健康，因此必须加强对二次供水设施的管 理，认真落实生活饮用水二次供水管理规定，定期清洗水箱，并督促业主自管的 水箱做定期清洗工作。 完善二次供水设施的设计与施工，加强管理。在设计施工方面，改进水池( 箱) 的工艺结构，避免出现前面所述的弊端。在管理方面，制定城市二次供水管理的 行政规章制度，同时会同卫生防疫部门，加强水质监测，监督用户对水箱、水池 进行清洗、消毒。 8 、管网水停留时间模拟分析与调查 水在管网中的停留时间越长，越易引致水质变差。管网水停留时间长主要存 在于两种情况下：一是部分较大管径管道其实际流速较低，使得水在管内停留时 间很长：二是在个别地区，由于各种原因其供水管道呈技状网分布。可通过管网 模拟分析计算，并结合现场实测，了解掌握管网水停留时间。进而进一步研究管 网水质与停留时间的关系，以便对部分管段采取特殊措施以保护其水质。 9 、改善管网水质监测 合理布置管网监测点，定期人工检测，或采用在线水质分析仪表进行在线连 续监测，并根据要求定期监测，及时分析监测数据，掌握管网水质变化规律。监 测管网水质及其变化情况，确保用户的水质。随着供水调度自动化程度的提高， 一些水司已完成管网建模，建立管网水质模型，监督整个管网水质变化，进行动 态水质控制。 1 2 饮用水生物稳定性研究 1 2 1 饮用水的微生物风险 饮用水从水厂经过配水系统到达用户，通常水质会变差，往往达不到饮用水 卫生标准，给人体健康带来危害。 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【9 o l 。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 - 5 - 北京工业大学工学硕士学位论文 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：一类是针对饮 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 撕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 要有效地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，有下列几 个方面： 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。采用氯胺作为消毒剂，为 水体的微生物( 如硝化细菌) 提供了氮源，一定程度上促进了微生物的生长。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 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 第1 章绪论 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【1 1 1 。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、p h 、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【1 2 】，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 ( b a r l b a r 4 b a r 2 ，最大分别能到1 4 1 0 5c f u c m 2 、5 6 1 0 4c f u c m 2 、 3 5 8 1 0 4 c f u c m 2 和1 2 6 x1 0 4 c f u c m 2 ，说明异养菌在有机物充足、3 ：1 的氯胺 条件下更容易生长繁殖。而b a r 2 运行条件是最不利的，有机物含量低，且氯胺 提供的氮源少，b a r 2 挂片上异养菌是最少的。 从整个运行周期看，b a r 挂片中a o b 和异养菌不存在一个明显的关系。但 是在a o b 存在的条件下，2 m g l 的氯胺对微生物并没有起控制作用。因为a o b 能 加速氯胺的衰减，在一定程度上减缓了氯胺对异养菌的灭活作用，促进了异养菌 的生长繁殖。 4 3 一 们 叩 加 l l 1 1 o 0 o 0 一甲_undub_【一3d=粗滁昧 北京工业大学工学硕士学位论文 4 2 不同管壁材料对硝化作用影响 微生物依附管壁生长形成生物膜。管材对生物膜从发育至成熟的周期影响很 大。李爽等删对比了两种不同材质的管材- 镀锌钢管和p v c 管对生物膜的影 响：s l p e r c i v a l 等【删考察7 3 0 4 和3 1 6 两种不同类型的不锈钢管材。实验中发现3 1 6 不锈钢不利于生物膜的附着。j m a r k k u 等【6 7 1 对铜管和p e 塑料管进行了生物膜实 验。实验中发现铜管可以释放出一定浓度的铜离子，在生物膜形成初期对细菌起 到了抑制作用。然而这种抑制作用随时间增加逐渐削弱，直到2 0 0 d 左右时，这种 抑制作用已经不明显。p e 塑料管对生物膜并无任何抑制作用。 不同的管材对生物膜的生长发育有影响作用，因此本试验采用b a r 反应器， 选用三种挂片材料铜( c u ) 、不锈钢( s s ) 、聚氯乙烯( p v c ) 进行试验， 考察管网水体中发生硝化作用的具体不同情况，供水水质的影响以及挂片上生物 量的变化，研究不同的管材对生物膜中硝化细菌的生长是否有影响作用。 4 2 1 试验设计 试验考察硝化作用的影响因素管材。 试验仍采用4 台b a r ，反应器内部有效容积8 0 0 m l 。每台b a r 内有2 0 个挂片， 其中不锈钢挂片为8 片，p v c 挂片为6 片，铜挂片为6 片。设计水力停留时间为 1 6 0 m i n ，转子转速为5 0 r m i n ，线速度为0 4 m s ，其运行共同水体环境见表4 1 。 4 2 2 结果与讨论 本实验运行6 3 d 。前7 d 内b a r 无进水出水，第8 d 之后正常运行。 4 2 2 1 残余氯胺 从运行第8 d 起，进水氯胺浓度为2 0 0 m g l ，每天检测反应器出水氯胺 ( n h 2 c 1 ) 浓度。 整个周期出水氯胺浓度见图4 7 。可以从图上看出，在整个运行阶段b a r 4 出水氯胺值总体水平最高，最高达到0 6 3m g ：l ，变化幅度最大。而b a r 3 氯胺 浓度最低，波动最小，前4 5 d 氯胺最高仅为o 0 7m g l ，而运行后期基本在零浓 度。说明在硝化细菌存在，t o c 浓度为4 m g l 条件下，当低氯氮比氯胺的衰减 速度是最快的。而b a r 2 和b a r l 出水氯胺值变化类似，b a r 2 出水氯胺含量介 于0 1 5 0 2 8n 虮之间，b a r l 出水氯胺含量低于b a r 2 ，在0 0 4 - 0 1 7m g l 范围 “一 第4 章管网中硝化作用影响因素 内。b a r 1 和b a j ：t 3 出水氯胺浓度是最低的，说明在有机物相对充足的的环境下， 氯胺的衰减幅度是最大的。 0 7 0 o 6 0 o 5 0 0 4 0 o 3 0 o 2 0 o 1 0 o 0 0 1 01 52 02 53 03 54 04 55 05 56 06 5 时间( d ) 图4 7b a r 出水残余氯胺浓度 f i g 4 - 7c o n c e n t r a t i o no fr e s i d u a lc h l o r a m i n e si nb a re f f l u e n t 4 2 2 2 三氮指标 b 髓行过程中每4 d 检测出水三氮含量，具体出水的三氮含量可见图4 - 8 、 图4 9 和图4 1o 。 o 8 o 7 0 6 o 5 0 4 0 3 0 2 61 01 41 82 22 6 3 03 43 8 4 24 6 5 05 4 5 8 6 2 6 6 时间( d ) 图4 8b a r 出水n i - h + - n 变化情况 f i g 4 - 8s i t u a t i o no f n h 4 + - ni nb a re f f l u e n t 4 5 一 i_18iv_【吨乏 t-，ih音1)z_五z 北京工业大学工学硕士学位论文 从图4 8 可以看到，由于高氯氮比氯胺比低氯氮比氯胺中的氮含量低，b a r l 和b 触也中n h 4 + - n 含量一般在0 3 7 m g l 以下，比b 削髓和b a r 4 出水含量明显低很 多，b a r 4 出水n h 4 + - n 含量基本在0 5 0 m g l 左右，而b a r 3 变化较大，做高可达 0 7 7 m g l ，超过了生活饮用水指标的限制含量0 5 m g l ，给饮用水安全性造成了 威胁。比较b a r l 和b a r 2 ，可以看出，随着时间的变化，b a r 中高氯氮比氯胺 转化为n h 4 + - n 的变化情况基本是相似的。同时可以看出，b a r l 和b a r 3 出水 n h 4 + n 含量要分别高于b a r 2 和b a r 4 ，说明在饮用水中，有机物含量较高情况 下，氯胺转化生成n h 4 + - n 水平较高。 0 7 0 6 0 5 兽 子0 4 艿 z 0 3 0 2 6l o1 41 8 2 22 63 0 3 43 84 24 65 0 5 45 8 6 26 6 时间( d ) 图4 - 9b a r 出水n 0 2 - n 变化情况 f i g 4 - 9s i t u a t i o no f n 0 2 - ni nb a r e f f l u e n t 61 42 23 03 84 65 46 2 时间( d ) 图4 1 0b a r 出水n 0 3 - n 变化情况 f i g 4 1 0s i t u a t i o no f n 0 3 。- ni nb a re f f l u e n t 从图4 - 9 可看出，b a r 2 和b a r 4 q j n 0 2 i - n 含量变化比较小，在反应中后期基 4 6 一 o 0 o 0 0 0 o 0 0 姬 h 坦 m 8 6 4 2 第4 章管网中硝化作用影响因素 本稳定在2 0 3 0 u e d l 范围内。而b a r 1 和b a r 3 内n 0 2 - n 含量变化情况极为相似， 主要表现为在短时间内上下波动，在整个周期上是明显上升的，到反应最后 n 0 2 。- n 含量分别能到1 3 3 u g l 和1 5 2 u g l 。再次说明在饮用水中氯氮比例相同的条 件下，在有机物为4 m g ll ：l 有机物为0 5 m g l 时，n h 4 + - n 更易被转化为n 0 2 - n 。 n 0 2 。- n 会进一步转化为从n 0 3 - n 。图4 1 0 上可以看到，四个b a r 出水n 0 3 。- n 含量变化都较大，总体的波动有所类似。其中尤以b a r 3 变化幅度最大，从初始 的0 5 6 m g l 至 j 末期o 2 0 m e j l 。 同样结合图4 7 、图4 8 、图4 9 和图4 1 0 ，b a r 3 残余氯胺浓度最低，而三氮 的含量较其他反应器是最高的，且变化幅度较大。再次可以说明，在有机物充足， 2 m e j l 的低氯氮比氯胺条件下，饮用水环境更有可能发生硝化作用。 4 2 2 3 生物膜 本试验运行共6 3 d ，期间共检测挂片生物膜上的a o b 和异养菌数量4 次。 b a r 挂片生物膜中a o b 和和异养菌的数量变化具体情况见图4 1 1 至图4 1 8 。 b a r i - c u 口b a r i s s 团b a r l p v c 霎羹 图4 i ib a r l 中a o b 情况 f i g 4 - 11s i t u a t i o no f a o bi nb a r i 图4 1 1 ；是b a r l 中c u 、s s 、p v c - - 种不同材质的挂片上a o b 的生长变化情况。 总体上，各材质挂片上异养菌数量持续增加的趋势。明显看出，到第6 2 d ，各管 材挂片上a o b 数量从大到小依次为：p v c c u s s 。而从图4 1 2 、图4 1 3 、图4 1 4 ， 可以看到，各b a r 内各管材挂片上a o b 的数量也是随着时间在增加。到第6 2 d ， 都表现出a o b 数量从大到小依次为：p v c s s c u 。 - 4 7 - j 7 | | | | j | | | | j | | | | ?i一，j， ? | | | | 北京工业大学工学硕士学位论文 矿 。昌 u z 垒 、， 害 8 2 2 时间( d ) 4 2 图4 1 2b a r 2 中a o b 情况 f i g 4 1 2s i t u a t i o no f a o bi nb a r 2 b a r 3 - c u 口b a r 3 一s s 四b a r 3 - p v c 一一 8 2 2 时间( d ) 4 26 2 图4 1 3b a r 3 中a o b 情况 f i g 4 - 13s i t u a t i o no f a o b i nb a r 3 结合图4 1 2 至图4 1 4 ，可以发现，b a r 3 中各材质挂片上a o b 数量水平最高， p v c 挂片上a o b 数量达到1 1 0 m p n c i n 2 ：其次为b a r l 中各挂片上a o b 数量，到 第6 2 d ，都在4 7m p n c m 2 以上；b a r 2 和b a r 4 内管材挂片上a o b 数量为最低，普 遍在3 0 m p n c m 2 以下。说明运行水体环境有机物含量略高的条件下，t o c 为 4 0 m g l ，2 0 m g l 的低氯氮比氯胺作用下，各管材生物膜上a o b 更容易生长繁殖。 而在有机物含量少的情况下，在2 m g l 的低氯氮比氯胺作用下，各管材生物膜上 a o b 生长缓慢。 4 8 一 ：5 ； ； 衢 坫 加 5 0 一nuz山暑一mniv m伯蚰；加加0 第4 章管网中硝化作用影响因素 矿 。目 u 琶 邑 呈 一b a r 4 - c u 时间( d ) 图4 1 4b a r 4 q b a o b 情况 f i g 4 - 14s i t u a t i o no f a o bi nb a r 4 各管材挂片生物膜上异养菌的数量要远远高于a o b 。图4 1 5 是b a r l 中异养 茵随时间化的变化情况。在4 2 d 以前，各材质挂片上异养菌的变化增长幅度比较 小，仅在5 0 0 c f u c m 2 以下变化，但是从第4 2 d 至l j 6 2 d ，异养菌增加了两个数量级。 最终各管材挂片上异养茵数量从大到小依次为：p v c ) c u ) s s 。而图4 1 6 和图4 1 7 也表现出在运行的前4 2 d ，异养菌的数量极少，但从第4 2 d 至l j 6 2 d ，异养菌呈爆发 性增长，并且在第6 2 d ，各管材挂片上异养菌数量从大到小依次分别为为：p v c c u s s ( b a r 2 ) ，p v c s s c u ( b a r 3 ) 。而从图4 1 8 上可以看到，b a r 4 内中异养菌在最后表现为c u s s p v c 。 比较图4 9 反应器出水n 0 2 。- n 变化情况和各b a r i 为a o b 生长数量的变化，同 样可以a o b 生长相对于n 0 2 - n 含量的变化有相对滞后性【5 9 1 。 同样结合图4 1 5 至图4 1 8 ，可以发现，b a r 3 中各材质挂片上异养菌数量水 平最高，p v c 挂片上异养菌数量达到3 2 4 x1 0 5 c f u c m 2 ；其次为b a r l 中各挂片 上异养菌数量；b a r 4 内管材挂片上异养菌数量为最低，都在3 6 c f u c m 2 以下。 进一步说明运行水体环境有机物t o c 为4 0 m g l ，低氯氮比氯胺作用下，各管材 生物膜异养菌最容易大规模生长繁殖。而在有机物含量少的情况下，在低氯氮比 氯胺作用下，各管材生物膜上异养菌生长缓慢。 4 9 衢 垢 m 5 0 北京工业