（市政工程专业论文）给水管中细菌生长及生物膜特性试验研究.pdf

仓 山东建筑大掌硕士掌位论文 摘要 自来水厂水通过管网送到用户途中由于管壁生物膜的存在及细菌再生长往往会导致水 质下降。生物可同化有机碳a o c ( a s s i m i l a b l eo r g a m cc a r b o n ) 是微生物最易利用的有机 物，其对管道腐蚀及对水质的影响是通过异养菌的活动过程而加剧的。饮用水中含有的营 养物a o c 是管网中微生物繁殖并在管道内壁形成生物膜的内因，生物膜的形成足管道腐 蚀、结垢和污垢出现的前因或诱导因素。本文以清华大学地下水和北京水源九厂滤后水为 研究对象，通过实验室和现场试验，利用生物膜培养反应器( b a r ) ，研究a o c 、管材、 浊度、余氯与悬浮菌、生物膜生长的关系、生物膜的形成规律及生成特眭，悬浮菌与生物 膜活胜的差异进行了试验研究。 研究表明，在进水a o c 相对比较稳定的清况下( 1 0 叩ga c c l ) 时，出水的 a o c 随着挂片上附着细菌及悬浮菌的增减而相应的增减，生物膜与水中a o c 有较 好的响应关系。生物膜发育之前，干净的表面第一次与未经灭菌的水接触时，有机 物质和微生物细胞传送其上，挂片表面一旦浸入水中，吸附会马上开始，在运行第 二天第一次取样，p e 、不锈钢、镀锌钢挂片上生物量分别达到4 4 x 1 0 5 c f u c m 2 、 1 7 x 1 0 4 c f u c m 2 、1 7 x 1 0 4 c f u c m 2 。 以滤后水接活性碳柱出水为原水( a o c 约为1 0 0 , u ga c c l ) 的的试验中，镀锌钢决速 锈蚀，形成红色氧化物进入水中，使出水变为红色；而p e ，不锈钢、p v c 三种材料不会 引起水的色度上升。四种挂片上单位面积细菌达到最大值依次增加的顺序依次为：不锈钢、 p v c 、p e 、镀锌钢。p e 、不锈钢、镀锌钢上附着生物膜细菌数达到最大的时日】一样，都是 在运行第2 6 天，p v c 时间较短在第1 7 天达到最大细菌数。四种材料中金属材料最好的是 不锈钢，有机材料是p v c 。以臭氧活性炭柱出水为原水( a o c 为4 6 , u ga c c l ) 的试验中， 不锈钢、p v c 、镀锌钢分别在第7 天和第8 天生物膜附着细菌敛达到最大，三种挂片上细 菌生长具有相似的变化规律，在达到最大生物量时，依次增加的顺序是不锈钢、p v c 、镀 锌钢。 细菌数目的增长往往影响着水的浊度，以挂有p e 挂片的b a r 为例，出水浊度的变化 趋势与反应器内出水的悬浮菌的变化几乎一样。在反应器出水浊度最高o 0 1 1 c m 。1 时，悬浮 菌也达到最大值7 5 x 1 0 a c f u m l ，浊度最低o 0 0 1 c m 4 时，悬浮菌也最低3 0 x 1 0 4 c f u m l 。而 挂有镀锌钢挂片的b a r 出水浊度与悬浮菌之间的相关性差，可见挂有非腐蚀性挂片的反 应器里，悬浮菌是影响浊度的主要因素。 山东建筑大掌硕士学位论文 悬浮菌与生物膜上附着细菌数之问有着相关关系，以挂有p e 挂片b a r 为例，出水悬 浮液数量变化与生物膜上生物量走势隋况一样，随着生物膜上附着菌量的增加，水中悬浮 菌的数量也随着递增并达到最高的数量。生物膜上活菌量的下降，悬浮菌量也随之下降， 只是悬浮菌下降的速度较生物膜上细菌量下降的趋势滞后一些，这是由于生物膜的脱落增 加了水中原有悬浮菌的量。 通常对不同设计参敛的b a r 研究生物膜发育的对比方面的研究较少，本研究以两个 不同设计参数的b a r 为研究对象，挂片水平分区的四个部分在生物膜形成4 天后，其上 部( m l 、m 2 ) 和下部( m 3 、m d 的生物量有显著的差异，两个挂片下部( m 3 、m 4 ) 的生 物量都要高于上部( m 1 、m 2 ) 一到两个数量级。挂片垂直分区的两个部分( x 、y ) 在生 物膜形成5 天后，其生物量差异显著，在运行5 天后，x 区附着的生物膜密度较y 区附着 的数量明显厚，而且生物量也高一些。相同进水条件( a o c 相同4 0 v g a c c l ，流量相同 2 5 m l m i n ) 在不同反应器，不同剪切力作用下，生物膜达到最大生物量差别不大。 水中有一定的氯会抑制水中悬浮菌和生物膜上细菌数，当b a r 进水a o c 控制在5 0 t g a c o c l ，余氯浓度控制在0 3 0 5 m g l 时，四种管材上的生物膜得到有效的控制，均不超过 1 0 3c f u c m 2 量级，不锈钢上生物量最多也仅为2 1 x 1 0 2 c f u c m 2 ，依次递减的顺序为不锈钢、 镀锌钢、p e 、p v c 。 悬浮菌与生物膜上细菌的新陈代谢能力差别很大，连续运行b a r ，当挂片上生物膜成 熟后，间歇模式下运行，随着水中a o c 的降低，悬浮菌与生物膜上细菌数的变化和两者 活性的差异，表现出了不同的抗冲击能力。 关键词：a o c ，生物稳定性，生物膜，管材，h p c 山东建筑大掌司陆掌位论文 a b s t r a c t t h eb i o f i l m sw h i c hc a l ld e v e l o pw i t h i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m sa r ec o m p o s e do fb a c t e r i ah e l di n ap o l y m e r i cm a t r i xa n de x e r tac h l o r i n ed e m a n d ，r e d u c i n gt h ep r o t e c t i o na f f o r d e db yr e s i d u a l d i s i n f e c t i o n o n eo ft h ek e yf a c t o r st h a td e t e r m i n eb a c t e r i a lr e g r o w t hi n d r i n k i n gw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m si st h ea v a i l a b i l i t yo fa o c ( a s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b i n ) t h eb a c t e r i aw i t h i n t h e s ef i l m sc a na l s oh a v ean u m b e ro fe f f e c t so i lt h eq u a l i t yo ft h ew a t e rw i t h i nt h o s es y s t e m s b a c t e r i ah a v eb e e na s s o c i a t e dw i t hah i g ha b u n d a n c eo fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i aa n db i o f i l m s ， p r o d u c i n gp i p e sc o r r o s i o na n da f f e c t i n gt h et u r b i d i t y , t a s t e ，o d o u ra n dc o l o u ro ft h ed i s t r i b u t e d w a t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef o r m i n gl a wa n dc o n t r o l l i n gf a c t o r so fs u s p e n d e db a c t e r i a la n d b i o f i l mg r o w t h ，t h ef o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb l o f l l ma n dt h ed i f f e r e n c ea c t i v i t yb e t w e e n s u s p e n d e db a c t e r i a la n d b i f i l mi nd r i n k i n gw a t e ro fb e i j n gt h r o u g hb i o f i l ma n n u l a rr e a c t o r ( b a r ) w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sw e r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e r ei sg o o dr e s p o n s eb e t w e e na o c ( a o c a b o u ta t 1 0 0 “ga c c l ) c o n t e n ta n dt h ev i a b l ec e l lc o u n to fs u s p e n d e db a c t e r i a la n db i o f i l m b e f o r et h ef o r m a t i o no fb i o f i l m ，t h eo r g a n i cc a r b o na n db a c t e r i aw o u l da d h e r et ot h e s l i d e si nu n p a s t e u r i z e dw a t e ra tt h ef i r s tt i m e a ts e c o n dd a y , t h ev i a b l ec e l lc o u n ti nt h e b l o f i l mo fp e ，s t a i n l e s s s t e e l ，g a l v a n i z e d s t e e ls l i d e sw a s4 4 x 1 0 5 c f u c m 2 、 1 7 x 1 0 4 c f u c m 2 、1 7 x 1 0 4 c f u c m 2 t h ec h a n g et e n d e n c yo ft u r b i d i t ya n dt h ev i a b l ec e l lc o u n to fs u s p e n d e db a c t e r i aw a st h e s a m ei nb a r ( w i t hp es h d e lb u l kw a t e r w h e nt h et u r b i d i t yw a so o l l c m l ，t h es u s p e n d e d b a c t e r i a ll e v e lw a sa sh i g ha s7 5 x 1 0 s c f u m l ；w h e nt h et u r b i d i t yw a so 0 0 1 c m l ，t h es u s p e n d e d b a c t e r i a ll e v e lw a sa sl o wa s3 0 x 1 0 f u m l b u tt h e r ei sb a dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt u b i d i t ya n d s u s p e n d e db a c t e r i aw i t hg a l v a n i z e ds t e e ls h d e s t h es u s p e n d e d b a c t e r i aw a st h em a i nf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c e dt h et u r b i d i t y t h ec h a n g et e n d e n c yo fs u s p e n d e db a c t e r i aa n dt h ec o l o n i z a t i o nw i t hb a c t e r i aw a st h es a l p ei ab a r ( w 1 i hp es l i d e ) , w h e nt h ec o u n to fc o l o n i z a t i o nw i t hb a c t e r i ab e c a m em o r e ，t h es u s p e n d e db a c t e r i a w o u l di n c r e a s e o nt h ec o n t r a r y , t h es u s p e n d e db a c t e r i aw o u l dd e c r e a s e i nt h ee x p e r i m e n to fa c t i v a t e dc a r b o nf i l t e re f f l u e n ta sr a ww a t e r , t h eg a l v a n i z e d s t e e lr a p i d l yc o r r o d e da n dp r o d u c e dr e do x i d a t e ，b u tt h eo t h e rt h r e ek i n d so fc o u p o n s - i 山东建筑大掌硕士掌位论文 ( p e ，s t a i n l e s ss t e e l ，p v c ) w o u l dn o tm a k eh i g hc o l o u r t h es e q u e n t i a lo fm a x i m u m c o l o n i z a t i o nw i t hb a c t e r i aw a ss t a i n l e s ss t e e l ，p v c ，p e ，g a l v a n i z e ds t e e l t h e r ea r ef e wd i r e c tc o m p a r i s o n so fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e so rb i o f o l md e v e l o p m e n ti n v a r i o u sr e a c t o rt y p e s t h ed i f f e r e n c e si nt h ec o l o n i z a t i o nw i t hb a c t e r i ab e t w e e nt h eu p p e r ( m 1 、 m 2 ) a n dt h el o w e r ( m 3 、m 4 ) s l i d eb e c a m e m o r ep r o n o u n c e da f t e r4d a y so fb i o f i l m a c c u m u l a t i o n a f t e r5d a y so fr e a c t o ro p e r a t i o nt h eb i o f i l mo nt h es l i d ei nf l o wd i r e c t i o n ( x p o s i t i o n 、b e c a m ec o n s i s t e n t l yt h i c k e ra n dc o n t a i n e ds i g n i f i c a n t l yh i g h e rn u m b e r so fb a c t e r i at h a n o nt h eo t h e rp a r to ft h es l i d e “p o s i t i o n ) t h ed i f f e r e n c e si nt h em a x i m u mc o l o n i z a t i o nw i t h b a c t e r i aw e r em i n o ru n d e rt h es a m ea o cc o n t e n t ，f l o wa n dd i f f e r e n tb a r t h er o l eo fc h l o r i n ei sv e r yc l e a r w h e na o cc o n t e n tw a sa b o u t5 0 r ea c - c la n dt h e c h l o r i n er e s i d u a lw a sb e t w e e n0 3 - 0 5 m 叽t h eb i o f i l mg r o w t ho ff o u rk i n d so fs l i d e sc o u l db e c o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , t h eb a c t e r i a ll e v e lw a sn o tb e y o n d1 0 3c f u c m 2 t h ev i a b l ec e l lc o u n ti n t h eb i o f i l mo ft h es t a i n l e s ss t e e ls h d ew a so n l y2 1 x 1 0 2 c f u c m 2 i nb a t c ho p e r a t i o no fb a r ，t h es u s p e n d e db a c t e r i aw a sl e s sr e s i s t a n tt h a nb i f i l mw i t ht h e c h a n g i n ge n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：a o c ；b i o s t a b i l i t y ；b i o f i l m ：p i p e s ；h p c 山东建筑大掌硕士学位论文 山东建筑大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得山东建筑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。 研究生签名：童邂日期：刻：6 叫 山东建筑大学学位论文使用授权声明 山东建筑大学送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权山东建筑大学研究生处办理。 研究生签名：监导师签名：日期：趔区趔 山东建筑大掌硕士掌位论文 1 1 我国水环境现状及课题背景 第1 章绪论 水环境污染已成为当今世界范围内与水资源短缺并存的问题。大量工业废水和生活污 水未经处理或只经简单处理便向天然水体持续排放，以及广大农村地区不合理地使用化 肥、农药等农用化学物质对地表水造成的非点源污染，均导致我国水环境污染的不断加剧， 水源水质不断下降。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【 l 。 2 0 0 2 年在我国七大水系重点监测的7 4 1 个断面中，只有2 9 1 的断面满足i 类水质 要求，3 0 o 的断面属、v 类水质，而属于劣v 类水质的断面占到了4 0 9 。其中，在七 大水系千流及主要支流的1 9 9 个监控断面上，i m 类水质断面占4 6 3 ，1 v 、v 类水质断 面占2 6 1 ，劣v 类水质的断面占到了2 7 6 。七大水系污染程度由重到轻依次为：海河、 辽河、黄河、淮河、松花江、珠江、长江。辽河、海河水系污染较为严重，劣v 类水质占 到了6 0 以上；黄河水系总体水质较差，干流水质以i 类水体为主，支流污染普遍严重； 淮河于流为i i i v 类水体，支流及省界河段水质较差；松花江水系主要以m 类水体为主； 珠江水系水质总体良好，以i i 类水体为主；长江干流及其主要一级支流水质良好，以i i 类 水体为主。 从地面水环境状况可以看出，随着工业化的迅速发展，水污染也变得越束越严重。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。 人们对饮用水的安全性的要求主要体现在两个方面：一是饮用水中化学物质的安全 性；二是饮用水的微生物安全性。我国供水企业五十年代主要重视浊度、色度、嗅和味等 感官陛指标及细菌学指标；六七十年代开始重视重金属等毒理学指标；八十年代则开始重 视有机污染物及消毒副产物等指标。从微生物安全性的角度，是去除水中的病毒、病原菌、 病原微生物( 如寄生虫) 等，在目前不断发现新的病原微生物，如贾第鞭毛虫、军团菌、 隐孢子虫、s a r s 病毒等。饮用水一旦发生安全问题，一般都会导致比较严重的后果。1 9 9 1 年1 月拉丁美洲开始霍乱流行，已有1 3 0 万人生病，近1 2 万人死亡。 1 9 9 3 年美国维斯康辛州爆发了大规模的由饮水而产生的隐孢子虫病，导致4 0 万人感 染，1 0 0 余人死亡，同时英国、日本等国在饮水中发现此病原体，并使人感染。由此使得 山东建筑大掌硕士掌位论文 各国均将对饮水安全性的关注转移到微生物方面上来。饮用水的微生物风险是由饮用水中 存在的病原微生物引起的，一般由细菌学指标来衡量。通过饮用水传播的病原微生物主要 有细菌、病毒、原生动物和肠虫等，其中病原茵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弧菌等。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健 康造成了直接威胁。 最仞人们认为通过投加消毒剂( 氯) 杀灭病原菌，同时保持管网末端一定的消毒剂余 量来控制细菌在管网中的生长( 例如我国国标中规定末梢余氯量不得低于0 0 5 m g l ) 就可 有效实现对微生物生长繁殖的控制。但是由于出厂水中仍残存有未被灭活的细菌，氯消毒 后部分受伤细菌也会在管网中自我修复，重新生长，同时生物膜脱落以及换管和其它原因 也会引起外源细菌进入管道，因此，仅仅通过投加少量消毒剂并不能有效控制细菌的生长 繁殖。而大量的投加消毒剂又会导致饮用水的感官性状变差以及产生消毒副产物问题，如 三卤甲烷和卤乙酸等，这些消毒副产物的存在导致饮用者患消化和泌尿系统癌症的危险增 加【4 , 5 1 。 微生物在管网中的生长包括在水溶液中悬浮生长和在配水管网管壁的附着生长两种 形式，由于饮用水是贫营养的环境，微生物在管壁的附着生长更占优势，即配水系统中微 生物主要是以附着在管壁上生长、最终形成生物膜的形式得以繁殖【6 j 。 生物膜是一种由微生物细胞及其相关表面结构组成的有组织的微生物系统。在 自然界、某些工业生产环境( 如发酵工业和废水处理) 以及人和动物体内外，绝大多 数细菌是附着在有生命或无生命物体的表面，以生物膜方式生长，而不是以浮游 ( p l a n k t o n i c ) 方式生长。一般来说，同一菌株的生物膜细菌和浮游生长细菌具有不同 的特性。 生物膜中水份含量可高达9 7 。除了水和细菌外，生物膜还可含有细菌分泌的 大分子多聚物、吸附的营养物质和代谢产物及细菌裂解产物等。因此，生物膜中存 在各种主要的生物大分子如蛋白质、多糖、d n a 、r n a 、肽聚糖、糖脂和磷脂等物 质，这些通称为胞外多聚物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 。正是由于胞 外多聚物的存在，细胞才可以相互连接并且粘附在载体表面从而形成错综复杂的生 物膜。生物膜是由适于低营养和高氯条件下的微生物群落组成，这些生物膜的特性 变化广泛，由附着于管壁表面的数微米的胞外多聚物和微生物细胞稠密的交织到一 起形成的【7 ，引。 山东建筑大学硕士学位论文 配水管网中管壁生物膜会降低饮用水的微生物安全性，如引起管壁结垢和腐蚀，造成 管网过水能力下降，直接影响到净水厂运行。更重要的是，生物膜上一旦产生生物粘泥， 会为大型生物体和致病菌的出现、繁殖创造条件。生物膜由于老化、水流速度改变等一些 原因造成的脱落会恶化水质，增加水的色度和浊度，使水中细菌数上升，影响饮用水的微 生物安全眭，威胁人们身体健康，一些水致传染疾病的发生就是由于管网中细菌的过度生 长造成的【”。因而研究管网中细菌的再生长现象，及其对其实现有效地控制是给水工作者 面临的一个问题。配水管网中管壁生物膜的形成可产生以下各种不良影响。首先，在实际 管网中由于生物膜的生长，需要消耗更多的氯，为了维持管网中余氯的要求，就需要投加 更多的氯，提高投氯量又会相应的引起氯代消毒副产物的增加、饮用水的安全性下降等问 题。其次，生物膜会成为管壁结垢和腐蚀的诱因。管壁结垢和腐蚀会降低管网过水能力， 增加二级泵站动力消耗，引起水在管道里的漏损，严重时造成爆管、断管事故，直接影响 净水厂运行。更重要的是，生物膜上一旦产生生物粘泥，会为大型生物体和致病菌的出现、 繁殖创造条件。生物膜由于老化、水流速度改变等一些原因造成的脱落会恶化水质，使用 户水色度和浊度上升，使水中细菌敛上升。由此形成生物不稳定的水，直接威胁人们身体 健康安全，如一些水系传染病的发生就是由于管网中细菌的过分生长造成的。 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 【6 ，9 4 1 1 ，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( h e t e r o t r o p h i eb a c t e r i a ) i t 2 , 1 3 j 。如果饮用水中有 机物含量较高，则水质生物稳定眭较差，细菌就容易在配水管网中生欧繁殖，致病菌出现 的可能胜也随之增大。因此又提出了降低出厂水中a o c 和b d o c 的含量与消毒剂控制相 结合来控制细菌在管网中的生长繁殖的新的控制途径，这是对饮用水微生物安全性保障认 识的第二个阶段。 1 2 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朱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也时有报道【1 4 1 。尽管细菌在管网中重新生长的问题弓 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。因此在饮用 山东建筑大掌硕士掌位论文 水中发现大肠菌群成了目前水处理中难以解决的问题。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( r e g r o w t h 或a f t e r g r o w t h ) 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( b i o d e g r a d a b l eo r g a n i cm a t t e r ， b d o m ) 。尽管自来水厂通常通过投加氯消毒灭活病原菌，同时保持管网末端一定量的余氯 量( 我国规定0 0 5 m g l ) 来控制细菌在管网中的生长，但出厂水中仍残存有细菌( 出厂水中细 菌控制标准为 1 0 0 个m l 、大肠杆菌控制为 3 个d ；部分氯消毒后的受伤细菌也会在管 网中自我修复，重新生长：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、锈瘤和冲洗下来的颗粒沉淀物上已检 出细菌种属达2 1 种【1 0 l 。多数研究表明即使保持管网中一定的余氯，异养菌在具有有机物 的条件下仍然会生长i l o ，”1 。 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这一概念。 1 2 1 饮用水生物稳定性的定义 所谓饮用水的生物稳定性就是指饮用水中有机营养基质支持异养细菌生长的潜力，即 细菌生长的最大可能性。饮用水生物稳定性越高，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，饮用水生物稳定性低，则表明水中细菌生长所需 的有机营养物质含量高，细菌容易在其中生长。给水管网中限制异养细菌生长的因素一般 比较简单，即主要是有机营养物质。加氯可以一定程度上控制细菌生长，但不能杜绝细菌 生长，而且加氯量增加后消毒副产物的量会大大增加，降低了饮用水的安全性。要提高饮 用水的生物稳定性，关键是要控制有机营养物的量。 细菌在管网中的生长包括在水溶液中悬浮生长和在管网内壁附着生长，由于饮用水中 贫营养的环境，细菌在管壁的附着生长就比在水溶液中的悬浮生长更占优势【1 0 l ，原因在于： 1 ) 大分子物质容易在固液表面沉积，构成一个营养相对丰富的微环境；2 ) 即使管网中有 机物浓度较低但高水流速度能输送较多的营养到固定生长的生物膜表面；3 ) 固定生长的 细菌能有效躲过管网余氯的杀伤；4 ) 由于边界效应使管壁处水流冲刷作用减少。基于相 似原因，管网水体中悬浮或胶体颗粒上也会附着生长一定数量的细菌或其它微生物，而且 在常规的饮用水中细菌或大肠杆菌检测中不易被检出。管壁生物膜引起管道腐蚀、长枯垢， 促使更多细菌生长，膜老化脱落会引起水的色度、浊度上升，细菌数的增加，恶化水质。 因此，应该设法加以控制。 山东建筑大学硕士掌位论文 1 2 2 饮用水生物稳定性的评价指标 目前主要以生物可同化有机碳a o c ( a s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ) 作为饮用水生物稳 定陛的评价指标，它是有机物中最易被细菌吸收、直接同化成细菌体的部分，是生物可降 解有机物的一部分；部分学者也以生物可降解有机碳b d o c ( b i o d e g r a d a b l ed i s s o l v e d o r g a n i cc a r b o n ) 作为饮用水生物稳定性的评价指标，它是水中细菌和其它微生物新陈代谢 物质和能量的束源，包括其同化作用和异化作用的消耗。本研究以a o c 作为饮用水生物 稳定陛的评价指标。 1 3 给水管壁生物膜的形成及对供水安全的影响 微生物在配水系统中的生长包括在水溶液中悬浮生长和在清水池池壁、配水管网管壁 的附着生长。由于饮用水是贫营养的环境，微生物在池壁、管壁的附着生长更占优势，即 配水系统中的微生物主要是以附着在池壁、管壁上生长、最终形成生物膜的形式得以繁殖 的( 1 6 1 。生物膜( b i o f i l m ) 就是指微生物、微生物分泌物和微生物碎屑在有机物或无机物表 面沉积、附着和生长形成的膜【1 7 1 。 微生物附着生长的原因在于：( 1 ) 大分子物质容易在固液表面沉积，构造一个营养相 对丰富的微环境；( 2 ) 即使配水系统中有机物浓度较低但高水流速度能输送较多的营养到 固定生长的生物膜表面；( 3 ) 胞外分泌物能为细菌生长摄取营养物质；( 4 ) 固定生长的细 菌能有效躲过配水管网中余氯的杀伤；( 5 ) 由于边界层效应使池壁、管壁处水流冲刷作用 减小。 1 3 1 管壁生物膜的形成 配水系统中生物膜的形成，主要经过下面的过程：( 1 ) 聚居的细菌附着在固体表面； ( 2 ) 微生物群落形成，产生胞外聚合物；( 3 ) 群落向上和向外扩展，形成规则和不规则 结构；( 4 ) 生物膜成熟，新的菌种进入生物膜并生长，有机和无机碎片被结合，并且溶液 梯度形成，导致了生物膜空问的异相结构；( 5 ) 成熟的生物膜可以脱落，使这种循环交替 地重复进行；( 6 ) 形成了一种顶级群落。 进一步推究膜形成的原理，可以从瞬间引力、布朗运动、d l v o 理论、聚合物架桥等 理论来阐述。有研究表明：池壁、管壁与水流之间的粘滞层( 或边界层) ，以及由于粘滞 层中营养物质浓度梯度的存在可以使运动微生物从水中迁移到池壁、管壁表面生存；另外 山东建筑大掌却士掌位论文 在水流速度很小或相对静止的配水系统内，直径 0 1 肛m 的微生物可通过布朗运动可逆地移 向配水系统的内壁。受内壁表面固有胜质和由于表面的分子吸附而使这些胜质被改变的影 响，微生物到内壁表面有可逆与不可逆两种粘附方式。只有发生不可逆粘附，才表明微生 物在配水系统内壁定居成功。目前大多数的配水系统清水池、管道内壁表面特征( 表面电 荷、表面自由能和表面粗糙度等) 还不足以阻止微生物的粘附，此外，对于配水管网来说， 管道化学腐蚀也有助于各种微生物滋生。 ( 1 ) 生态适应陛 配水管网中只含有微量有机物，但细菌等微生物即使在这样的贫营养的环境中生存也 是可能的。因为一方面贫营养环境中的生物体具有其独特的饥饿生存适应方式，可在很短 时间内急剧减小其细胞体积和内源呼吸来减少营养要求，而总数不变，并为有高营养要求 的生物体生长创造条件。另一方面，事实上出厂水大多敛基质可被几种能在饮用水严格处 理条件下存活和活动的异养生物体同时利用。因此生物膜作为一个各类微生物的集合体对 这样的不利环境有着比单个生物体更好的适应机能。 ( 2 ) 抗毒性 饮用水中常见的剩余消毒剂是液氯，此外还有氯胺( 通常是一氯胺) 。消毒剂的效力 与其自身的性质、剂量、被毒杀对象的生理状态及环境条件等因素有关，微生物能在配水 管网中繁殖是因为其对消毒剂有抗性。 单个生物体的抗性与其生故条件、胞外分泌物及其形成的荚膜有关。而群集的微生物 或其生物膜具有更强的抗余氯性，生物膜龄增加，抗性也增加。其原因很可能与生物膜的 表面性质有关，生物膜对其表面水流具有粘滞性，可有效地浓集水流中的有机物和浊度物 质，相对减轻了余氯对生物膜表面生物体的伤害；另一方面，表面生物体具有生态位优势， 生理活性较强，再加上长期的贫营养锻炼，因而抗自由余氯的毒性较强。但一氯胺与胞外 多糖不反应，杀菌力受微生物聚集和生物膜龄的影响很小，用于管网水消毒效果比自由余 氯好，但其杀菌效力较低。 1 3 2 附生生物膜对供水安全的影响 美国水质工作者协会( a w 、v a ) 将与水工业有关的水生病原体分为三类，共1 2 种【1 8 】：细 菌类，包括鸟杆菌复合体、幽门螺杆菌、病原性大肠埃希氏，l 可菌、空肠弯曲杆菌；原生动 山东建筑太掌司陆学位论文 物，包括圆孢子、微孢子目、鼠弓形体或鼠弓浆虫；病毒，包括肠道病毒、小环状体病毒、 诺瓦克病毒、肠炎病毒。 上述病原体导致的流行病通过饮水爆发的例子数不胜数。其中，一个比较典型的是， 1 8 9 2 年德国汉堡爆发的霍乱夺走了一万多人的生命；而自然条件非常接近的邻近城市 a l t o n a 由于使用了慢速沙滤技术，没有发生霍乱现象【1 9 1 ；一般说来，水源水经过自来水厂 的处理，其细菌学指标都能合乎要求。但是，在给水输送的过程中，如前所述，附生生物 膜会在输配水管道上发育。附生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。许多学者在关于附生生物膜的研究中发现了病原菌或者机会病原菌。贺北平【冽 在对实际配水管道内的附生生物膜中的微生物进行鉴定时，发现了粘质沙雷氏菌和乙酸钙 不动杆菌产碱亚种，其中粘质沙雷氏菌是条件致病菌。美国学者c dn o r t o n 等1 2 l 】在他们的 给水管道模拟系统中的管壁生物膜中分离出了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。英国学者p e r c i v a ls l 纠2 2 】在其实验模拟系统中的附 生生物膜中也发现了几种病原体或者机会病原体，比如m i c r o c o c c u ss p p ，a c i n e t o b a c t e r s p p ，a l c a l i g e n e ss p p ，f l a v o b a c t e r i u ms p p ，a r t h r o b a c t e rs p p ，c o r y n e b a c t e r i u ms p p 。 因此，附生生物膜的存在很有可能导致用户端饮用水微生物学指标超标。比如，在1 9 8 0 至1 9 8 4 年问，美国给水系统( a m e r i c a nw a t e rs y s t e m ，a w s ) 下属公司配水系统的用户被通 知不要再使用生水，而代之以开水；因为，此时的饮用水细菌总数和大厂菌群数都已超标。 如前所述，导致这一现象发生的不是因为自来水厂出厂水不合格，而是由于供水在输送的 过程中被附生生物膜所污染了f 矧。 综上所述，附生生物膜的存在是对饮水安全的一个重要威胁。 1 4 饮用水生物稳定性和生物膜国内外研究现状和进展 1 4 1 饮用水中生物可降解有机物的测定方法的改进 目前国外对可生物降解有机物的测定主要有两类方法：一类是在待测水样中接种特殊 细菌，通过平板计数，测定其生长稳定期的( s t a t i o n a r yp h a s e ) 细菌数，再比较该细菌在标 准待测物( 一般是乙酸) 中生长稳定期的细菌而求得水样中可生化降解有机物的琅度。这 类方法有荷兰v a nd e r k o o i l 教授首创，测定结果被称为a o c ，即生物可同化有机碳。另一 类方法是由比利时p i e r r e s e r v a i s 等人发明的方法。该方法以接种原水中的混合菌种在待测 水样中的培养，通过测定水样培养前后溶解性有机碳( d o c ) 的差值，确定水中可生物降 解有机物的值，此值以b d o c 表示。这两类方法实质上都是生物检测( b i o a s s a y ) 方法。 山东建筑大掌硕士掌位论文 v a nd e rk o o i i 在2 0 世纪7 0 年代末期在自来水中分离到一种荧光甲单胞菌p 1 7 ( p s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n s ) 2 4 1 。这种菌在饮用水和水源水中普遍存在，且能利用大多敛有机物。k o o i j 教 授以这菌为标准劂试菌，1 9 8 2 年首次发表了a o c 的测定方法和结果i 吲。p 1 7 菌可以利用 水中大部分生物易降解有机物，如氨基酸、羧酸、乙醇、碳水化合物( 多糖除外) 等，但 不能利用草酸、乙醛等有机物。给水处理中经常采用臭氧氧化处理以提高水质( 特别是在 欧洲) ，水中有机物被臭氧氧化后能产生较多的草酸、醛、酮类有机物，且这些有机物是 水中一般的细菌易利用的有机营养基质。为了弥补p 1 7 不能利用草酸类有机物，使a o c 的测定结果不能完全反映水中可同化有机碳总量的缺陷，v a nd e rk o o i j 自己对此方法进行 了修改【2 6 l ：增加一种螺旋菌n o x ( s p k i l l u mn o x ) 作为测试菌种，n o x 菌可以草酸作 生长基质，弥补了p 1 7 菌的不足之处，这使a o c 测定结果更完善。a o c 测定中p 1 7 菌和 n o x 菌的接种目前国外主要有三种方法：第一种为将待测水样分成两份，分别接种p 1 7 和n o x ，培养计敛并计算出a o c - p 1 7 和a o c n o x ，将二者结果相加作为总的a o c f 2 7 2 9 1 ， 这种方法可简称为分别接种法；第二种方法在水样中同时接种p 1 7 和n o x ，因为两种菌的 形状和大小差别较大：p 1 7 菌落为淡黄色，直径约2 - 3 m m ，n o x 菌落为乳白色，直径约 o 5 3 m m ，比较容易区分，因此可以通过平板计数数出各自的细菌敛，算出a o c 的浓度， 这种方法可简称为同时接种法晦划。第三种方法为先接种p 1 7 于水样中，当p 1 7 达到生长 稳定期后将该水样用尼龙膜过滤以除去p 1 7 ，然后将滤液再接种n o x 菌，然后将p 1 7 细 菌敛和n o x 细菌敛分别转换成a o c 一乙酸碳浓度和a o c - 草酸碳浓度，这种接种法可简称 为先后接种法。清华大学对第三种方法改进为将p 1 7 达到稳定期的水样后再进行巴氏灭菌 ( 7 0 、3 0 r n i n ) 以杀灭p 1 7 ，然后再接种n o x 菌，并对这三种测定方法进行了比较，认 为第三种方法值得推广。本实验也将采用第三种方法。 总的说来，a o c 的测定方法有其特点，是测定水样中微量可生物降解有机物浓度的一 种较好方法，但这种方法也存在一定的缺点： 1 只用单一的菌种( 荧光甲单胞菌p 1 7 + n o x ) 降解简单的、低分子的有机物，不能代 表实际给水管网中细菌混合生长状况和细菌胞外酶对大分子有机物的分解作用【3 l j ； 2 以稳定期细菌生长最大数折算成有机物浓度，暗含细菌达到最大数时基质浓度耗尽， 细菌死亡在此刻开始，但p i e r r es e r v a i s 等人研究证实，即使在细菌净增长时，细菌死亡 在此刻开始，细菌生长动力学应综合考虑这些因素【3 2 1 ； 3 水样经巴斯德灭菌预处理对可生物降解有机物成分可能有所改变： 4 菌种来源和保存复杂1 3 3 l 。 山东建筑大掌硕士掌位论文 1 4 2 管网水a o c 与管道中异养菌生长的关系 国内外对管网水中悬浮菌种类进行了大量的研究，其中国内，李欣1 对给水管道水进 行取样，对检