（市政工程专业论文）饮用水生物稳定性控制指标的检测方法及其应用.pdf

摘要 可同化有机碳和生物可利用磷是评价饮用水生物稳定性的重要检测指标。本 课题对两种指标的测定方法进行了深入研究和改进，同时考察了这两种指标检测 方法的实际应用价值。 研究了可同化有机碳快速检测方法，考察了时间、毒性、p h 值、氯及其副 产物、水合发光菌加入量、菌种质量和人为操作等对该方法的影响，并在此基础 上进行改进，建议各实验室采用统一标准的纯水，并提出9 0 m i n 测定发光度以便 最大限度缩短检测时间；测定水样时，尽量减少稀释倍数。改进后的快速测定法 与传统检测法具有很好的相关性，初步确立两种方法的转换系数在o 7 7 左右。 本文还研究了生物可利用磷的测定方法，通过配水实验确定最低检出限为 o 1 “g l 。对九个不同水源水测定结果表明，生物可利用磷与总磷和溶解性总磷 酸盐并没有固定的比例关系，测定饮用水中生物可利用磷含量是非常必要的。采 用配制水样研究发现生物可利用磷对微生物的生长有一定的限制作用，水中磷含 量与细菌量的变化规律相反。 结果表明，采用可同化有机碳快速检测法和生物可利用磷测定方法考察水处 理工艺及管网中其变化规律是完全可行的，实际水样中可同化有机碳含量和生物 可利用磷含量分别可以检测到l o 肛g l 和0 3 1 p g , l ，完全能够满足控制饮用水生 物稳定性测定的要求。 关键词饮用水；生物稳定性；可同化有机碳；生物可利用磷；检测方法 a b s t r a c t a v a i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ( a o c ) a n dm i c r o b i a la v a i l a b l ep h o s p h o r u s ( m a p ) a r e i m p o r t a n ti n d e x e so fe v a l u a t i n g 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 r , m e a s u r i n g m e t h o do ft w oi n d e x e sa r es t u d i e da n di m p r o v e d m o r e o v e r , p r a c t i c a la p p l i c a t i o n f u t u r eo f t h e mi si n v e s t i g a t e d c h e c l d i g h ta o cm e t h o di ss t u d i e d e f f e c to fd i f f e r e n tf a c t o r s ，c o n c l u d i n gt i m e ， p o i s o n o u sc o m p o n e n t ，p hv a l u e ，c h l o r i n ea n db y - p r o d u c t ，h y d r a t i o nb a c t e r i ac o n t e n t ， e n s u r i n gc o l o n ya n dm a n u a lo p e r a t i o n ，a r ed i s c u s s e d o nt h eb a s i so fi t ，a o cq u i c k m e t h o di si m p r o v e d i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ep u r ew a t e rw i mu n i f i e ds t a n d a r dc a nb e a p p l i e dw i t h i nl a b o r a t o r ys c a l e l u m i n e s c e n c ec a nb ed e t e r m i n a t e da t9 0m i n u t e si n o r d e rt os h o r t e nm o n i t o r i n gt i m e d i l u t i o n m u l t i p l ec a nb er e d u c e di nm e a s u r i n g s a m p l e i m p r o v e df a s tm e t h o dh a sag o o dl i n e a r i t yc o m p a r e d 、i t l lt r a d i t i o n a lm e t h o d a n dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f t w om e t h o d si sc o n f i r m e da ta r o u n d0 7 7 m e a s u r i n gm e t h o do fm a pi ss t u d i e d d e t e c t i o nl i m i ti so 1 r t g lw i t hp r e p a r e d w a t e r n i n es a m p l e so fs o u r c ew a t e ra r ei n v e s t i g a t e d r e s u l ts h o w e dt h a tm a ph a s1 1 0 r e g u l a rp r o p o r t i o n w i t ht o t a l p h o s p h o r u s a n dt o t l es o l u b l e p h o s p h o r u s ，s o m e a s u r e m e n to fm a pc o n t e n ti nd r i n k i n gw a t e ri se s p e c i a l l yn e c e s s a r y r e s u l t ss h o w t h a tm a pi sa l i m i t i n gn u t r i e n to nm i c r o o r g a n i s mg r o ww i t hp r e p a r e ds a m p l e s ，a n d p h o s p h o r u sc o n t e n t sd i s p l a yo p p o s i t er e l a t i o nw i m b a c t e r i a lc o n t e n t s r e s u l ts h o w e dt h a ta o ca n dm a pm e t h o da r ef e a s i b l ei nw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s e sa n dw a t e rs u p p l yn e t w o r k a o cc o n t e n ta n dm a pc o n t e n tc a nb e d e t e r m i n a t e d r e s p e c t i v et ol o i _ t g la n do 3 1 p g l w i t hp r a c t i c a lw a t e rs a m p l e s r e q u i r e m e n to f c o n t r o l l i n gb i o l o g i c a ls t a b i l i t yo f d r i n k i n gw a t e rc a nb er e a c h e d k e y w o r d sd r i n k i n gw a t e r , b i o l o g i c a ls t a b i l i t y , a v a i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ，m i c r o b i a l a v a i l a b l ep h o s p h o r u s ，m e a s u r i n gm e t h o d i i 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。 签名： 殛缝日期：趁：最 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：掀埠 导师签名：李五_ ：| | ；参矮 日期：弘”7 f 一扩 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 饮用水的微生物风险 第1 章绪论 饮用水的水质对人的身体健康和生活质量有重要影响。从古到今，人类经历 了多次通过饮水传播的疾病，如伤寒、霍乱等。这些传染病给人类带来了巨大的 灾难。据历史记载，从1 8 1 7 年至1 9 2 3 年的短短百年时间内，霍乱在世界范围内 有过6 次大规模流行，造成的人员伤亡和财产损失难以计算，它曾被称作“最令 人害怕、最引人注目的1 9 世纪世界病”。 以水为介质传播的病原微生物主要有细菌、病毒、原生动物和肠虫等，其中 病原菌包括传染伤寒的沙门氏菌、传染细菌性痢疾的志贺氏菌和传染霍乱的霍乱 孤菌等。从7 0 年代起，饮用水中不断发现新的病原微生物，如病毒、军团菌、 贾第虫和隐孢子虫等。水中越来越多的致病微生物种类对饮用者的健康造成了直 接的威胁。 对水厂而言，目前最为常用、经济、简单而有效的消毒方法是氯消毒，并通 过在管网末端保持一定浓度的余氯( 例如我国国标中规定末梢余氯量不得低于 o 0 5 m g l ) 来控制细菌在管网中的生长。这一方法起源于1 8 5 0 年，1 9 0 4 年英国 正式将它用于公共给水消毒。一个世纪以来，氯消毒在保障公共卫生方面功不可 没。然而近十几年来的研究表明饮用水中存在的有机营养物质是导致细菌在管网 中再生长的主要因素。研究发现即使保持较高的余氯量，只要水中存在足够的有 机营养物，细菌仍可以在配水管网中生长繁殖。目前国外已在给水管道中检出几 十种细菌，除少数硫细菌和铁细菌等自养菌外，主要是以有机物为营养基质的异 养菌。如果饮用水中有机物含量较高，则水质生物稳定性较差，细菌就容易在配 水管网中生长繁殖，致病菌出现的可能性也随之增大。因此又提出了降低出厂水 中可生物降解有机物含量与消毒剂控制相结合来控制细菌在管网中生长繁殖的 新的控制途径。 1 1 2 世界及我国水污染现状 2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。一方面，人类对 水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消 费的水资源。世界水论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约 有2 0 0 1 ：垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8 l 淡水；所有流经亚洲城 北京t 业大学丁学硕十学位论文 市的河流均被污染；美国4 0 的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀 虫剂污染；欧洲5 5 条河流中仅5 条水质差强人意。有报道表明，目前我国8 0 的水域9 0 以上的城市水源已受到严重污染，受污染水的污染类型中8 5 以上 属于有机物污染【1 a 。 中国预防医学科学院环境卫生监测所进行的饮用水监测显示，水质量问题已 经非常严重。全国2 6 个省、区的1 8 0 个县市，有4 3 3 的人在喝着不安全的水。 目前已有7 0 ，即1 7 亿人喝不上清洁的水；每年有5 0 0 多万人，其中包括2 0 0 万名儿童死于与水有关的疾病。有媒体报道指出，中国有1 4 的人口在饮用不符 合卫生标准的水，“水污染”已经成为中国最主要的水环境问题。世界卫生组织 调查指出，人类疾病8 0 与水污染有关。据统计，每年世界上有2 5 0 0 万名以上 的儿童因饮用被污染的水而死亡。我国湖泊环境研究首席科学家刘鸿亮院士介绍 说，国内外由水中检出的有机污染物已有2 0 0 0 余种，其中1 1 4 种具有或被疑有 致癌、致畸、致突变的“三致物质”，我国各地的水源中一般都能检出百余种有 机污染物，它们的存在导致饮用者患消化和泌尿系统癌症的危险增j j l ：l p 弓】。 据中国预防医学科学院环境卫生监测所介绍，目前我国直辖市和部分省会城 市的市政自来水合格率为9 3 7 ，二次供水的总大肠菌群合格率为9 2 。而我国 农村饮用水的水质状况不容乐观，目前只有1 3 8 符合饮用水标准，比较安全的 占4 7 5 ，有3 8 6 多属不安全饮用水。 由于饮用水水源日益遭受有机物污染，因此进入管网中的营养物质浓度就会 随之升高。2 0 0 3 年全国环境质量公报表明：我国七大水系的4 0 9 个监测断面中， i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 7 7 、3 2 0 和3 0 3 ， 主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。在我国饮用水 普遍采用常规处理工艺的情况下，大量营养物质会穿透处理工艺而进入管网。管 网水中细菌更容易获得营养，细菌繁殖的现象更加普遍。因此，要达到消毒目的， 必须投加较高量的消毒剂，才能够控制细菌在管网中的生长繁殖。但是氯在起到 消毒作用的同时，也会与水中有机物发生反应而产生消毒副产物，如三卤甲烷、 卤代乙酸等。流行病学研究表明，膀胱癌、直肠癌及结肠癌等的发病率和饮用以 氯消毒的饮用水水量之间有潜在的相关性。为了控制管网水中细菌再繁殖而投加 大量氯，饮用水微生物风险降低的同时，造成饮用水致癌风险的增加，显然是不 可取的。 1 1 3 饮用水生物稳定性概念的提出 给水处理厂通常通过加氯且保持管网末梢一定的余氯来控制细菌在管网中 的生长。但事实上保持配水管网中余氯并不一定能控制细菌在管网中的繁殖。到 目前为止，由于饮用水中的病原微生物导致传染病的发生时有报道【6 1 。尽管细菌 2 第1 帚绪论 在管网中重新生长的问题引起了人们的高度重视，但几十年过去了，对解决这一 问题没有取得大的进展。最近十余年，人们认识到引起配水管网中细菌重新生长 和繁殖的主要诱因是出厂水中含有残存的异养菌生长所需的有机营养基质，即生 物可降解有机物。部分氯消毒后的受伤细菌也会在管网中自我修复，同时管网的 交叉连接和倒虹吸等其它原因也会引起外界细菌重新进入管道。当管网水中存在 可生物降解有机物时，这些残存的细菌就能够获得营养重新生长繁殖，导致用户 水质变坏。在给水管网内表面铁锈和冲洗下来的颗粒沉淀物上已检出细菌总数达 2 1 种【7 】。细菌在管网中重新生长的问题越来越受到重视，由此引出饮用水生物稳 定性的概念。 所谓饮用水的生物稳定性，就是指饮用水中可生物降解有机物支持异养细菌 生长的潜力，即当有机物成为异养细菌生长的限制因素时，水中有机营养基质支 持异养细菌生长的最大可能性。饮用水生物稳定性高，表明水中细菌生长所需的 有机营养物含量低，细菌不易在其中生长；反之，饮用水生物稳定性低，则表明 水中细菌生长所需的有机营养物含量高，细菌容易在其中生长【8 。16 】。 1 1 4 饮用水生物稳定性的评价指标 随着对饮用水生物稳定性的可能限制因素的研究，人们开始从微生物生长和 繁殖角度考虑，必须通过降低和限制水中营养物质的含量才能达到目的。近年来 的研究表明，饮用水中存在的有机营养物是促进细菌在管网中生长的主要因素， 即使保持较高的余氯量，只要水中存在足够的有机营养物，细菌仍可以在配水管 网中繁殖。饮用水中的有机物种类繁多，但不是所有的水中有机物都支持微生物 的生长。目前已被普遍认可和应用的饮用水生物稳定性的控制指标是可同化有机 碳( a o c ) 。而近年来，越来越多地研究指出无机营养元素磷也应作为饮用水生 物稳定性的一个控制指标。控制a o c 和磷正是基于这个方法。 1 2 国内外相关领域的研究进展 1 2 1 饮用水生物稳定性控制指标的研究进展 1 2 1 1a o c 与饮用水生物稳定性的关系 在七十年代末提出a o c 后，国外科学研究者对a o c 进行了较为深入的研 究，a o c 是有机物中最易被细菌吸收，直接同化成细菌体的部分。a o c 含量越 低，细菌越不易生长繁殖，一般以a o c 衡量给水管网细菌生长的潜力。v a nd e r 北京丁业大学t 学硕。t 学位论文 k o o i j 认为【1 7 1 ，当a o c l o g g 乙酸碳l 时异养细菌几乎不能生长，饮用水生物稳 定性很好。l e c h e v a l l i e r 发现 1 8 - 1 9 】：当a o c 5 4 t t g 乙酸碳几时，大肠杆菌不能 生长。其后l e c h e v a l l i e r 提出【2 ，在有氯的条件下，保持a o c 浓度5 0 一l o o g g l 时水质能达到生物稳定。 从目前已有的研究情况看，仅通过控制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。 1 2 1 2 磷与饮用水生物稳定性的关系 随着对饮用水生物稳定性的其他可能限制因素的研究，1 9 9 6 年m i e t t i n e n 等 指出【2 l 】，在有机物含量较高的水质条件下，磷会取代有机物成为引起管网细菌再 生长的限制因子。之后，磷对饮用水中细菌再生长的影响开始引起研究人员的关 注 2 4 2 8 1 。相关研究指出，对于有机物含量相对较高的饮用水，水中溶解性正磷酸 盐浓度低于l o g g l 时，磷对水中细菌生长的限制因子作用将会表现出来。 由于磷对微生物繁殖和生长的关键性作用，目前世界各国对于控制水体中的 含磷量都特别重视。在饮用水处理方面，关于磷的研究目前主要集中在磷对配水 管网中水的生物稳定性影响方面。还有研究结果表明，对于某些水体，即使a o c 含量较高，如果磷含量低于一定的界限值，细菌生长也会被抑制。s a t h a s i v a n 等 也指出，当磷浓度为l 3 9 9 l 时，磷可能成为饮用水中微生物生长的限制因子。 s z e w z y k 等研究发现1 2 9 1 ，生长在饮用水中缺磷条件下的a q u a b a c t e r i u ms p p 细菌体内没有聚磷酸盐颗粒，但在人工培养基中，发现了聚磷酸盐颗粒。 s t e f f e n s e n 等 3 0 l 研究了多基质生物降解过程中无机营养的竞争问题。不添加磷的 情况下，只有非常少量的苄胺能够被p s e u d o m o n a sp u t i d a 降解，加入微量磷后， 降解速度明显加快。l e w i s 等研究了微生物在对甲氧甲酚转化过程中的生长停滞 期问题【3 1 1 。对于现场采集的对甲氧甲酚样品，由于无机氮和磷的含量低，细菌的 生长停滞期较长，加入氮磷后，生长停滞期明显缩短。r o b e r t s o n 等研究了 p s e u d o m o n a s 和c o r y n e b a c t e r i u m 菌对对硝基苯酚、苯酚、葡萄糖的降解能力【3 2 】， 加入微量的磷酸盐后，两种细菌对基质的降解能力大大增强，而且细菌数量明显 增多。c o v e n e y 等以贫营养的湖水作为研究对象【3 3 1 ，研究了添加有机和无机营养 对微生物生长速率的影响。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。s w i n d o l l 等幽】研究了地下土壤中的细菌对二溴化乙烯、苯酚、对硝基苯酚、 甲苯的降解能力，发现某些样品加入无机营养后微生物的适应能力和代谢速度加 快。 磷可以作为饮用水生物稳定性的限制因子的发现具有重要意义，改变了可生 物降解有机物是饮用水中细菌再生长唯一限制因子的传统观念，为提高饮用水生 4 第1 章绪论 物稳定性提供了另一个重要途径。 1 2 2 可同化有机碳和生物可利用磷测定方法的研究进展 1 2 2 1 可同化有机碳测定方法的研究进展 a o c 的测定方法是由荷兰v a nd e rk o o i j 博士于1 9 8 2 年首先提出的，后来被 广泛用来评价饮用水在输水管网中的生物稳定性及水处理工艺对a o c 的去除效 能 3 5 - 3 6 】。在这期间，a o c 的测定方法不断完善，试验时间大为缩短，试验菌种 也由原来的p 1 7 一种，增加到p 1 7 和n o x 两种菌种配合使用，使得该测试方法 对水中a o c 含量反映得更为全面【3 ”。 例如，l e c h e v a l l i e r 在1 9 9 3 年提出的一种改进的方法d s ，可以在2 4 天内 测得水样a o c 值。它主要有两点改进之处：增加p 1 7 和n o x 两种细菌的接 种液浓度，并提高培养温度至2 5 左右；通过检测p 1 7 和n o x 两种细菌的 a t p 来间接反映细菌细胞的生长量，代替了v a nd e rk o o i i 方法中的平板计数。 一些学者根据不同的思路提出其它方法，有学者通过测定培养液浊度来确定 细菌生长量，从而间接反映a o c 浓度；也有学者把v a n d e r k o o “传统方法中的 测试菌种改为大肠杆菌等。但这些尝试没有得到广泛应用。 目前采用较多的测定方法以p 1 7 和n o x 为测试菌，以乙酸钠作为标准基质， 对生长到稳定期的细菌进行平板计数，根据不同乙酸钠浓度和在此浓度下p 1 7 菌达到生长稳定期的数量作标准曲线，得到一条有较好线性相关性的直线，求出 p 1 7 和n o x 的产率系数。对待测水样，根据生长稳定期的菌落数，通过产率系 数换算成乙酸碳浓度。 现在a o c 测定中p 1 7 和n o x 的接种有三种方法1 3 9 1 ：分别接种、同时接种 和先后接种。前两种曾在国外使用较多，第三种由清华大学的刘文君提出。分别 接种法的程序是：将待测水样分成两份，分别接种p 1 7 和n o x ，将测定结果相 加作为总的a o c ；同时接种法的程序是：在水样中同时接种p 1 7 和n o x ，两种 菌的形状和大小比较容易区分，因此可以通过平板计数数出各自的细菌数，算出 a o c 浓度；先后接种法的程序是：先接种p 1 7 于水样中，当p 1 7 达到生长稳定 期后将该水样巴氏灭菌以杀死p 1 7 菌，再向水样接种n o x 菌，然后将p 1 7 细菌 数分别转换成a o c 一乙酸碳浓度和a o c 一草酸碳浓度。 采用a o c 作为饮用水生物稳定性的控制指标还存在以下问题：细菌的作 用可以将不易生物降解的有机碳转变成易降解的有机碳；采用单一的p 1 7 及 n o x 试验菌种仅表示对简单的、低分子的有机物的降解，并不能代表实际给水 管网中细菌混和生长状况及细菌胞外酶对大分子有机物的降解；所使用的 a o c 测定方法试验数据不稳定，有较大的误差，水样经巴氏灭菌预处理可能会 北京t 业大学t 学硕十学位论文 改变可生物降解有机物成分； a o c 测定方法的菌种来源及保存复杂，对分析 操作环境要求高，而且耗时较长，不能迅速反映水质情况，对大多数水厂来说， 难以将此项指标纳入日常分析检测。 1 2 2 2 生物可利用磷测定方法的研究进展 在天然水中，磷可以多种磷酸盐的形式存在，分为正磷酸盐、缩和磷酸盐和 有机结合的磷酸盐，存在于溶液、腐殖质粒子和水生生物中。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 4 0 - 4 2 】。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 提出了水中微生物可利用磷( m a p ) 的测定方法1 4 3 1 。 m a p 测定方法是一种生物检测技术，是在消除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，以磷酸氢盐为磷源，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 。 做标准曲线，得到一条有较好线性相关性的直线，求出m a p 产率系数。测试水 样时，同样要消除其它元素对微生物生长的限制，水样接种p 1 7 菌，从培养的第 2 8 天，每天取1 0 0 9 l 混匀的培养液，用缓冲溶液稀释1 0 3 或1 0 4 倍，进行平板 涂布，得到最大菌落数n 一根据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。 在国内最先开始这方面的研究的是清华大学1 。对m a p 的测定过程进行了 简化，采用培养第3 天和第4 天的p 1 7 菌落数最大值作为最大菌落数n 。，节 省了测定时间，为国内开展磷与饮用水生物稳定性的研究奠定了基础。 1 2 3 可同化有机碳和生物可利用磷去除规律的研究进展 1 2 3 1 水处理工艺对可同化有机碳的去除 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 4 5 - 4 7 ，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0 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 ； 臭氧一活性炭工艺对a o c 的去除率为8 3 。因而对于水质较好的水源水，可采 用常规处理一生物活性炭工艺或臭氧一活性炭工艺等深度处理工艺，从而得到生 物稳定的饮用水。 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 “g l 的限定值是非常困 6 第1 章绪论 难的，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这一标准。 表1 - 1 不同水处理工艺对a o c 的去除效果 t 曲1 1e f f b c to n a o cr e m o v a lb yd i f i e r e n tw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s 工艺研究者a o c 的去除效果 刘文君等h 8 1去除率小于3 0 常规工艺王丽花等h 9 】 a o c p 1 7 去除率为4 3 8 8 2 3 ，a o c - n o x 去除率为1 9 3 3 4 7 强化混凝 r a n d t k e 【5 0 】 采用低p h 值对a o c 去除影响小 l e c h e v l l i e r t 5 1 1 比较混合滤料对水质生物稳定性的影响，发现 强化过滤 颗粒活性碳一砂更好，可以使a o c 小于1 0 0 岖l m i l t n e ，5 2 】 强化生物过滤对a o c 的去除率可达9 0 以上 生物氧化预处理 h u c k 【5 3 】 生物处理技术可使a o c 低于1 0 9 9 l 吴红伟等生物陶粒处理对a o c 去除率达4 5 张淑琪等【5 5 】a o c 去除率达3 7 7 臭氧一生物活性炭h u 等臭氧使a o c 升高2 1 9 倍，但臭氧- 生物活性碳工 艺对a o c 膜过滤李灵芝等9 7 】去除率达8 0 龙小庆等5 目反渗透可以使a o c 去除达7 6 纳滤对a o c 去除率达7 9 8 1 2 3 2 水处理工艺对生物可利用磷的去除 一些研究表明，常规水处理工艺对磷的去除有一定效果。桑军强等试验中证 实，常规的混凝沉淀砂滤对原水中m a p 的去除率在9 0 以上，对原水总磷的去 除在8 0 以上，但臭氧氧化却使m a p 增加了1 4 6 8 ；生物陶粒预处理对原水 中m a p 去除率超过7 0 ；生物活性炭处理对m a p 的去除率超过8 0 。当原水 中总磷含量为8 0p g l 左右时，常规的水处理工艺就可将水中的总磷含量降到5 肛叽。 在原水总磷低于5 0 肛g l 的情况下，通过常规的混凝沉淀砂滤可以使水中的 m a p 降低到3 “l 以下【5 9 1 。在此基础上，如果研制开发出具有高效除磷效果的 复合型混凝剂，强化混凝过程，同时研制合成专用除磷吸附滤料和改性滤料，在 不改变原有水处理工艺的前提下，可以大幅度提高磷的去除效率。 北京t j k 大学t 学硕十学位论文 1 3 课题的来源和研究意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金( 5 0 0 7 8 0 0 4 ) 的子课题：磷和可同化有机碳 对饮用水生物稳定性的共同影响。 1 3 2 课题的研究意义 近年来，管网水质生物稳定性问题引起广泛关注，成为水处理领域的新课题 唧“j 。饮用水中微量可生物降解有机物将引起给水管网中细菌再生长，使用户水 质下降，因此对其测定和研究有重要意义。a o c 是可生物降解有机物中最易被 细菌同化成细菌体的部分，与异养细菌在管网中的繁殖密切相关，一般作为异养 细菌在给水管网中再生长潜力的评价指标。a o c 作为反映饮用水水质生物稳定 性的参数，其检测方法的研究受到越来越多的重视。 水中a o c 测定的标准程序依赖于微生物生长的直接测量；单种细菌培养或 多种细菌培养，以及自然微生物植物群的培养已在各种a o c 的定量分析中被采 用。这些精确而可靠的测试技术，一般是缓慢而冗长的，获得数据需要几天或几 周的时间。显然，在如此之长的测试程序下，所获得结果对实际的指导意义并不 大。c h e c k l i g h t a o c 快速测定仪可以克服这些缺点。 近几年，磷对饮用水生物稳定性的影响引起了研究人员关注。相关研究指出 了水中磷成为管网细菌再生长的限制因子的情况。磷保证饮用水生物稳定性的具 体数值还未见报道。目前饮用水较多采用的磷的测定方法普遍存在以下两个问 题：一是测定精度达不到研究饮用水生物稳定性的要求；二是这些测定方法测得 的总磷的浓度，难以区分出哪一部分是可以被微生物利用的磷。本文目的在于细 化m a p 测定方法，分析微生物可利用磷与其它形式磷的关系，为其他研究者开 展磷与饮用水生物稳定性的研究奠定基础。 该课题的研究可以探索出饮用水生物稳定性控制指标新的测定方法，对提高 饮用水的卫生安全性具有重要意义。 1 4 课题的研究内容 本课题研究了c h e c k l i g h ta o c 快速测定方法，并考察了不同条件对该方法 的影响，以期在此基础上对该方法进行优化，为后续开展研究工作提供良好的分 析手段。 研究了生物可利用磷的测定方法，采用配水试验确定m a p 产率系数和适用 第1 覃绪论 范围；同时简化m a p 测定过程。通过实际水样分析m a p 与总磷及其它形式磷 之间的关系，为后续研究奠定基础。 采用改进的c h e c k l i g h ta o c 测定法和m a p 测定法考察华北某市水厂处理工 艺中a o c 和m a p 变化规律，对实际应用价值进行评价。 9 第2 章可同化有机碳快速测定方法 2 1 引言 第2 章可同化有机碳快速测定方法 近年来，管网水质生物稳定性问题引起广泛关注，成为水处理领域的新课题。 a o c 作为反映饮用水水质生物稳定性的参数，关于其检测方法的研究受到越来 越多的重视。 传统的a o c 测定方法的基础是对微生物生长的直接测量，其原理是通过测 定和比较特定细菌在待测水样和待测标准物中达到生长稳定期的细菌数，得到水 中的a o c 含量。其后a o c 的测定方法不断被完善，实验时间大为缩短，实验 菌种也由原来的p 1 7 一种，增加到p 1 7 和n o x2 个菌种配合使用，使得该测试 方法对水中a o c 含量反映的更全面。 传统的测定方法虽然通常比较精确可靠，但工作量大、繁琐、耗时较长、不 能及时反映水质情况等许多缺点非常突出，为了及时反映供水管网水质状况，急 需建立一种方便、快捷的检测水中a o c 指标的方法。 2 2 可同化有机碳传统测定方法及缺陷 2 2 1 可同化有机碳传统测定方法 传统的a o c 测定方法的基础是对微生物生长的直接测量，1 9 8 2 年由荷兰 v a nd e rk o o i j 博士首先提出。其原理是通过测定和比较特定细菌在待测水样和 待测标准物中达到生长稳定期的细菌数，得到水中的a o c 含量。 测定a o c 所用的菌种为荧光假单胞菌p 1 7 和螺旋菌n o x 菌株。p 1 7 菌株 属假单胞菌属，革兰氏阴性，在电子显微镜下可以发现菌体棒状，有鞭毛，直径 0 6 岬左右，长2 3 2 8 岬l 。它能利用多种有机化合物，包括羧酸、氨基酸、水 杨酸、醇类和碳水化合物( 多糖除外) 等，可以利用简单的氮源，不需要特殊的 生长因子。它在固体培养基上生长迅速，菌落典型，容易辨认。专性好氧，最适 生长温度为2 5 3 0 。p 1 7 菌株不能利用甲酸、二羟乙酸、草酸等有机物。n o x 菌株呈螺旋形，直径0 2 5 1 7 p m ，细胞极性，有鞭毛，好氧生长，最适生长温 度为3 0 。c ，在1 0 c 以下或4 5 。c 以上很难生长。n o x 菌株能利用多种羧酸和极 少种类的氨基酸。最重要的是，它能利用p 1 7 菌株不能利用的草酸、甲酸、二羟 乙酸等有机物。 2 2 1 1 药品和器材 北京t 业大学t 学硕七学位论文 实验所需药品如下：乙酸钠、硫代硫酸钠、磷酸氢二钾、氯化铵、硝酸钾、 七水硫酸镁、硫酸铵、氯化钠、硫酸亚铁、蛋白胨、牛肉浸膏、琼脂粉和超纯水。 上述药品皆为分析纯类 实验所需器材如下：生化培养箱1 台、马幅炉1 台、水浴锅1 台、高压消毒 锅l 台、1 0 l 酸缸2 个、培养皿若干、5 0 m l 磨口三角瓶若干、2 0 0 i | t l 可调移液 枪1 个、1 0 0 0 9 l 可调移液枪1 个、5 0 0 0 t l 可调移液枪1 个、配移液枪头若干、 5 0 0 m l 磨口取样瓶若干、o 2 t m 玻璃纤维滤膜若干。 2 2 1 2 试剂和培养基的配制与预处理 本实验所需试剂和培养基的配置方法如下： 磷酸盐缓冲液( p h = 7 2 ) ：称取7 9 k 2 h p 0 4 、o 1 9 m g s 0 4 7 h 2 0 、l g ( n h 4 ) 2 s 0 4 、 o 1 9 n a c l 和l m g f e s 0 4 溶于1 l 超纯水中，再用超纯水稀释1 0 0 0 倍，高压1 2 1 灭菌2 0 m i n 。 2 0 0 0 9 9 乙酸碳l 溶液：准确量取浓度为4 0 0 m g 乙酸碳l 溶液2 5 m l ，置于 5 0 0 m l 磷酸盐缓冲液中，高压1 2 1 灭菌2 0 m i n 。用于配制2 0 0 l a g 乙酸碳几溶液 和4 0 0 t g 乙酸碳l 溶液。 1 0 0 1 t g 乙酸碳l 溶液：准确量取浓度为2 0 r a g 乙酸碳l 溶液2 5 m l ，置于 5 0 0 m l 磷酸盐缓冲液中，高压1 2 1 灭菌2 0 m i n 。 1 3 2 m g l 硫代硫酸钠溶液：称取1 3 2 9 硫代硫酸钠溶于1 l 超纯水中，再用 超纯水稀释1 0 0 0 倍，高压1 2 1 灭菌2 0 m i n 。 无机盐溶液：称取8 5 5 m gk 2 h p 0 4 、3 8 3 5 m g n a c l 和7 2 2 m g k n 0 3 溶于5 0 0 m l 超纯水中，高压1 2 1 灭菌2 0 m i n 。 l l a 培养基：称取5 9 蛋白胨、3 9 牛肉浸膏和1 2 9 琼脂粉溶于1 0 0 0 m l 超纯 水中，高压1 2 1 灭菌2 0 r a i n 。 2 2 1 3 菌种的复苏 从斜面挑取一环p 1 7 和n o x 分别放于2 0 0 0 r t g l 牛肉汤中2 5 c 培养，p 1 7 培养4 8 h ，n o x 培养7 2 h ，然后分别接种于斜面，在斜面培养4 8 h 后放于6 。c 的 冰箱中保存，保存期不能超过6 个月。 2 2 1 4 接种液的准备 从斜面分别取p 1 7 和n o x 菌种各一环，分别放至5 0 m l 经0 2 l a i n 玻璃纤维 滤膜过滤、高压灭菌的水样中培养7 天，使菌种适应低营养的生长条件，并恢复 其天然代谢状态。取1 0 0 p l 初培养的菌液移至5 0 m l 含2 0 0 0 i | t g 乙酸碳l 的乙酸 钠溶液中，2 2 2 5 c 黑暗培养至平台期，使接种液中没有有机碳带入待测水样中。 将培养后的菌种平板计数，计算接种液的浓度，以便确定加入待测水样中的接种 1 2 第2 章刚司化有机碳快速测定方法 液体积( 水样的接种浓度按1 0 4 c f u m l 计算) 。 接种液体积2 号罢翼耄为霎觜 c z j ， 接种液在6 c 的冰箱中保存，保存期不得超过6 个月( 平台期菌种浓度在几 个月内基本保持稳定) 。 2 2 1 5 器皿的处理 实验器皿处理方法如下： 5 0 0 m l 磨口取样瓶用洗涤剂洗净晾干后，用稀酸浸泡8 h 以上，然后依次用 自来水、蒸馏水和纯水冲洗干净，最后高压灭菌。 培养用的5 0 m l 无碳磨口具塞三角瓶和稀释用的2 0 m l 小试管用洗涤剂洗 净，自来水冲洗晾干后，在3 n 的稀硝酸中浸泡2 4 h 以上。取出后依次用自来水、 蒸馏水和纯水冲洗干净，晾干后在5 5 0 马幅炉中烘烤2 h 。待温度降至1 0 0 时， 将三角瓶取出立即盖上瓶塞，小试管取出后放入有盖的器皿中，以防空气中的细 菌进入。 非玻璃器皿( 如移液枪头等) 用稀酸浸泡，然后依次用自来水、蒸馏水和纯 水冲洗干净，最后高压灭菌。 2 2 1 6 待测水样的预处理 水样收集于5 0 0 m l 无碳的磨口取样瓶中。若水样中含有余氯，应加入适量 的硫代硫酸钠溶液加以中和；若水样浊度较高或a o c 浓度较高，应静沉后用无 机盐溶液稀释；若悬浮物较多，应该用1 2 1 a m 的玻璃纤维滤膜过滤，以防颗粒物 的干扰。 收集来的水样在7 0 。c 的水浴锅中巴氏消毒3 0 m i n 以杀死活性细胞。 2 2 1 7 水样的接种 水样冷却后开始接种，每种菌种的接种液浓度约为1 0 4 c f u m l ，接种液体积 按前面公式( 2 1 ) 计算。 2 2 1 8 水样的培养 将接种后的水样放至2 2 2 5 c 的生化培养箱中静置黑暗培养3 天，一般可达 平台期。 2 2 1 9 细菌的平板计数 从5 0 m l 培养瓶中取1 0 0 t t l 摇匀的培养液，用无机盐溶液稀释1 0 3 或1 0 4 倍 后取1 0 0 9 l 涂布于l l a 平板，然后置于2 5 c 培养箱中培养2 天后计数。剩余水 北京工业大学t 学硕十学位论文 样( 约5 0 m l ) 再经巴氏消毒，杀死其中的p 1 7 ，再接种n o x 培3 5 天平板计 数。p 1 7 颜色为淡黄色，大小为3 4 m m ，n o x 菌落为乳白色，大小为1 2 m m 。 2 2 1 1 0 测定精度的控制 实验的空白对照。在5 0 m l 培养瓶中加入4 0 m l 无碳水，并加入l o o p l 稀释 了l o 倍的无机盐溶液。若水样中加了硫代硫酸钠以中和余氯，则空白对照中也 加入等量的硫代硫酸钠。巴氏消毒后，按与待测水样相同的步骤接种，培养和计 数。 实验的产率对照。在5 0 m l 培养瓶中加入4 0 m l 含1 0 0 p g 乙酸碳l 的乙酸钠 溶液，并加入1 0 0 p l 稀释了1 0 倍的无机盐溶液。若水样中加了硫代硫酸钠以中 和余氯，则产率对照中也加入等量的硫代硫酸钠。巴氏消毒后，按与待测水样相 同的步骤接种，培养和计数。 每次实验均做对应的空白对照和产率对照。 2 2 1 1 1 产率系数与r i 0 0 的计算 p 1 7 和n o x 菌株的产率系数的计算公式如f ： p 1 7 产率系数：【! ! 兰奎堕墨! 堕! 竺望= ! ! ! 窒皇型鉴! 丝! 竺墨! ! ! ! ! ! ! 竺墨! 墨 1 0 0 , u g z 酸饭l n o x 产率系数：【垒婴圣翌墨! 丝! 竺望二堕旦翌墨! 生! 竺墨塑：! ! ! ! 竺墨! 圭 1 0 0 t g t , 酸碳l a o c 的计算公式如下： a o c - p 1 7cp s 乙酸= 世些业篡筹堕型 一嘶s 乙酸= 螳型绁篆蓑型业堂 水样总a o c ( ug 乙酸碳l ) = a o c p 1 7 + a o c - n o x 2 2 2 可同化有机碳传统测定方法的缺陷 a o c 的传统测定方法经过多年的实践，已经成为一种成熟的方法，然而它存 在以下几点不足：在不计菌种复苏、菌种纯化及计算接种液浓度等步骤的情况 下，它测定一个水样需要7 1 4 天；如果把菌种复苏、菌种纯化及计算接种液浓 度等步骤计算在内的化，实验时间可能超过一个月。在这么长的实验时间中测得 的水样a o c 数据，其时效和价值都将被大打折扣：该方法的实验步骤较复杂， 对实践经验、操作方法和熟练程度的要求较高，因此不易推广；影响该方法实 验结果的环节较多，不同实验室测出的a o c 数值难以比较；即使在同一实验室 内，实验条件的微小改变也可能带来实验结果的较大改变；该方法用到的器皿 1 4 第2 章可同化有机碳快速测定方法 较多，器皿处理和实验过程工作量较大。 为了及时反映供水管网水质状况，急需建立一种方便、快捷的检测水中a o c 指标的方法。 2 3 利用发光菌进行水质检测 细