（市政工程专业论文）对供水管网生物稳定性及生物稳定水制备工艺的研究.pdf

摘要 对供水管网生物稳定性及生物稳定水制备工艺 的研究 研究生：朱晓超导师：吕锡武教授东南大学 摘要 生物稳定性是评价饮用水水质的重要方面。有机物是水中异养菌生长的主要营养基质，如果水 厂出厂水中有机物含量偏高，会促进供水管网中细菌的再生长，产生诸多危害。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 ，简称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 ed i s s o l v e d o r g a n i cc a r b o n ，简称b d o c ) 是饮用水生物稳定性的主要评价指标，只有控制出厂水中a o c 和 b d o c 含量才能从根本上解决管网中细菌再生长问题。因而供水管网生物稳定性和生物稳定水制备 工艺方面的研究是近年来水处理方面研究的熟点。本论文主要研究了下列内容：1 ) a o c 、b d o c 和 溶解性有机碳( d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ，简称d o c ) 所表征有机物特性研究；2 ) 饮用水常规处理 工艺对a o c 、b d o c 和d o c 等指标的去除特点；3 ) a o c 、b d o c 和d o c 等指标在供水管网中的 变化规律；4 ) 曝气生物滤池+ 混凝气浮+ 臭氧生物活性炭+ 砂滤组合工艺对有机物的去除特点；5 ) 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 ，简称m a p ) 作为细菌生长影响因素的研究。通 过这些研究得出下列结论： 1 不同水源水样申a o c b d o c 、a o c d ( x ：和b d o c d o c 相差较大；b d o c 与d o c 的相关性 好于a o c 与d o c 的相关性；b d o c d o c 可以用来反映饮用水中有机污染物的可生化性；a o c 只 占b d o c 的一部分。 2 太湖和黄浦江水源水具有总有机物含量高，以小分子量为主，受季节影响明显的特点；饮用 水常规处理工艺不能有效去除a o c 和b d o c ，加氯消毒甚至会使a o c 值升高，以太湖、黄浦江和 长江为水源的常规处理工艺水厂的出厂水均不能满足生物稳定性的要求。 3 对以黄浦江为原水，采用常规处理工艺的中试装置过滤后水做加氯试验发现：氯和氯胺消毒 会使水中a o c 变大；管网中a o c 和b d o c 的变化是由于消毒荆氧化( 使增加) 和细菌消耗( 使下 降) 共同作用的结果。 4 曝气生物滤池和臭氧生物活性炭处理单元可以有效去除a o c 和b d o c ，曝气生物滤池+ 混凝 气浮+ 臭氧生物恬性炭+ 砂滤组合工艺出水经过消毒后能够满足生物稳定性的要求。 5 优化了m a p 测定方法，得出只接种浓度为1 0 3 c f u r n l 的p 1 7 菌株接种液，培养4 天计数的 便捷、可靠的测定方法；饮用水常规处理工艺特别是混凝沉淀处理单元对m a p 有很高的去除效果。 出厂水中m a p 含量仅为3 6 蜡，i 一5 1 埘g l ，磷可能成为影响细菌生长的限制因子。水中细菌生长和 a o c 、m a p 之间的相互关系是a o c 和m a p 作为营养基质能够促进细菌生长，而细菌生长利用a o c 和m a p ，使a o c 和m a p 下降。加氯消毒是控制管网中细菌生长的有效手段，但是必须和降低a o c 和m a p 相结合才能从根本上解决管网中细菌再生长的问题。 综上所述，本文以a o c 和b d o c 为主要分析指标，系统地研究了饮用水中可生物降解有机物 的特点和改善饮用水生物稳定性的措施。同时开展微生物可利用磷的研究，部分研究属国内领先， 因此本研究有很好的理论意义和实用价值。 关键词：a o c ，b d o c ，m a p ，生物稳定性，净水工艺，供水管网 s t u d yo nb i o s i ：a b 。i t yo fd r i n l d n g 煳r d i s t r i b 删o ns y s t e m sa n db i o l o g i c a ls i = a b l e d r 耵御g 硝j e rp u r 皿旺c a t l 0 i np r o i c e s s e s s o u t h e a s tu n i v e r s i t y p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：z h ux i a n - c h a ns u p e r v i s o r ：l ox i - w u b i o s t a b i l i t yi so n eo fm o s ti m p o r t a n ta s p e c t sf o re v a l u a t i n gd r i n k i n gw a t e rq u a i l t y t h ep r e s e n c eo f o r g a n i cm a t t e r si nf i n i s h e dw a t e rw o u l dp r o m o t eb a c t e r i a lr e g r o w t hi nd r i n k i n gw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s w d s s ) t h a ti nt u r nw o u l dl e a dt om a n yp r o b l e m s a s s i m i l a b l eo 珞m i cc a r b o n ( a o c ) a n db 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 i x ) c ) h a v eb e e nc o n s i d e r e da st w oo fm o s ti m p o r t a n ti n d e x e se v a l u a t i n g b i o s t a b i l i t y w h e nt h ec o n t e n to f a o ca n db d o c a r ec o n t r o l l e du n d e rt h r e s h o l d s ，t h ep r o b l e mo f b a c t e r i a l r e g r o w t hi nd w d s s c a nb er e s o l v e dt h o r o u g h l y t h u s ，r e s e a r c h e so nb i o s t a b i l i t , ti nd w d s sa n db i o l o g i c a l s t a b l ed r i n k i n gw a t e rp u r i f i c a t i o nd r c i c e s s e sa r ef o c u s e so fw a t e r - t r e a t m e n tf i e l di nr e c e n ty e a r s i n “s d i s s e r t a t i o n , t h ef o l l o w i n g sw e r es t u d i e d ：1 ) t h er e l a t i o n s h i p sa m o n ga o c ，b d o ca n dd i s s o l v e do r g a n i c c a r b o n ( d o c ) a so r g a n i ci n d e x e s ，2 ) t h er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so fa o c ，b d o ca n dd o ci nt r a d i t i o n a l w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s e s ，3 ) t h ec h a n g e s c h a r a c t e r i s t i c so fa o c ，b d o c ，d ( ) ca n do t h e ro r g a n i ci n d e x e s i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m s , 4 、t h er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so fo r g a n i cm a t t e r si nt h ec o m b i n e dp r o c e s s e s i n c l u d i n gb a f , f l o c c u l a t i o n ，a i rs u p p o r t i n g , o z o n e ，b a ca n ds a n df i l t e r 5 ) m a pa sal i m i t i n gn u t r i e n to f b a c t e r i a lg r o w t h b a s e do i lt h er e s e a r c h , t h ec o n c l u s i o n sc a r lb ed r a w n ： 1 n 碡r a t i o so fa o ct ob d o c a o ct od o ca n db d o ct od o cf o rd i f f e r e n tr a ww a t e r sw e r e v a r i o u s 1 1 i n t e r r e l a t i o nb e t w e e nb d o ca n dd o cw a ss u p e r i o rt ot h a tb e t w e e na o ca n dd o c t h e r a t i o so f b d o ct od o cc a r lb eu s e dt or e p r e s e n tb i o d e g r a d a b l ea b i l i t o f o r g a n i cm a t t e r si nd r i n k i n gw a t e r a o cw a s o n l yap a r to f b d o c 2 t h eo r g a n i cm a t t e rc h a r a c t e r so f 喇h ul a k ea n dh u a n g p ur i v e rw e r eo fh i g hc o n c e n t r a t i o n s 。i n m a j o r i t y o f l o w m o l e c u l a r w e i g h t a n da f f e c t e db ys e a s o n a lc h a n g e s o b v i o u s l y a o c a n d b d o cc a l ln o t b e e f f e c t i v e l yr e m o v e db yt r a d i t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s b u ti i l c r e a s e db yc h l o r i n eo x i d a t i o n 1 1 1 ea o c c o n c e n t r a t i o ni no u t p u t so f w a t e rt r e a t m e n tp l a n t su s i n gh u a n g p ur i v e r , y a n g z ir i v e ra n dt a i h ul a k ea s l a ww a t e r , c a nn o tr e a c ht h es t a n d a r do f b i o l o g i c a ls t a b l ed r i n k i n gw a t e r 3 t h ee f f e c t so f d i s i n f e c t i o no na o ci nd r i n k i n gw a t e rw e r et e s t e do nt h ee f f l u e n to f f i l t r a t i o n , u s i n g h n a n g p ur i v e ra sr a ww a t e r c h l o r i n ea n dc h l o r a m i n eo x i d a t i o nc a ni n c r e a s ea o c i nd r i n k i n gw a t e r e v i d e n t l y c h a n g e so fc o n t e n t so fa o ca n db d o ci nd i s t r i b u t i o ns y s t e m sw e r er e s u l t e df r o mc h l o r i n e o x i d a t i o na n db a c t e r i a lc o n s u m i n g 4 a o ca n db d o cc a r lb ee f f e c t i v e l yr e m o v e db yb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) a n d0 3 一b i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o n ( b a c ) t h eo u t p u to f t h ec o m b i n e dp r o c e s s e si n c l u d i n gb a f , f l o c c u l a t i o n , a i rs u p p o r t i n g , o z o n e ，b a ca n ds a n df i l t e rw a sb i o l o g i c a ls t a b l e 5 f o rt h em e a s u r e m e n to fm i c r o b i o l l a ya v a i l a b l ep h o s p b o r u $ ( m a p ) ，i ti sa p p r o v e dt h a tt h em e t h o d o fi n o c u l a t i n gw i t hp 1 7 ，t h ec e l ld e n s i t yo fw h i c hw a s1 0 c f u m l ，a n di n c u b a t i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e i i a b s t r a c t ( 2 2 ) f o r4d a y sw a so p t i m a l m a pw a se f f e c t i v e l yr e m o v e db y8 6 0 p 9 3 b yt r a d i t i o n a lw a t e rt r e a u n e n t p r o c e s s e sa n dt h ec o n t e n to fm a p i no u t p u tw a so n l y3 6 峙，h 5 1 峙“c a u s i n gp h o s p h o r o u sb e c o m i n g l i m i t i n gn u t r i e n t t h cr e l a t i o n s h i p sa m o n ga o c ，m a p a n db t e r i a lg r o w t hw e r et h a th i 曲c o n c e n t r a t i o no f a o ca n dm a pc a np r o m o t eb a c t e r i a lg r o w t hi nd r i n k i n gw a t e ra n db a c t e r i a lg r o w t hw o u l dc o n s u m ea o c a n dm i a p d i s i n f e c t i o nw a sam o s te f f e c t i v em e , h o dt oc o n t r o lb a c , e r i a lr e g r o w t hi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m , b u ti tm u s tb ec o m b i n e dw i t hr e m o v i n ga o ca n di k a pi n $ o u i ew a t f rt os o l v et h ep r o b l e mo fb a c t e r i a l r e g r o w t hi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m su l t i m a t e l y i nas h o r tw o r d , t h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o d e g r a d a b l eo r g a n i c m a t t e r sa n dt h em e t h o d st oi m p r o v eb i o s t a b i l i t yo fd r i n k i n gw a t e r a tt h es a m et i m e m a pa sl i m i t c d n u t r i e n to fb a a t e r i a lg r o w t hw a ss t u d i o d t h er e s u i t sw h i c ha r ei r a p o r t a n tb o t hi nt h e o r ya n da p p l i c 硝 h a v es h o w e dg r e a tp r o s p e c ti nt h eb i o s t a b i l i t ys t u d yo f d r i n k i n gw a t e r k e y w o r d s ：a o c ，b d o c ，m 北b i o s t a b i l i t y , w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，d r i n k i n gw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m i i i 东南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，也不包含为获得东南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。 一虢糌日期：一 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 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) 授权东南大学研 究生院办理。 i i i 第1 章引言 1 1 本研究的目的和意义 第1 章引言 饮用水水质密切影响人们的生活质量和身体健康，是国际上普遍关注的热点。饮用水水质的微 生物风险( 一般是急性的) 和化学物风险( - - 般是慢性的) 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。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，如病毒、军团菌、贾第氏虫和隐孢子虫。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。世界范围内的微生物引起的水致疾 病时有发生，如1 9 9 1 年1 月开始，拉丁美洲霍乱大流行，从一个国家外漫延到全洲，1 3 0 万人生病， 近1 2 万人死亡。1 9 9 3 年4 月美国米尔沃基市供水中含有隐孢子虫，致使该市超过1 5 0 万人受感染， 4 0 3 万人患病，“0 0 人住院，近百人死亡。1 9 9 6 年6 月，日本发生。一1 5 7 病原性大肠菌感染事件， 造成约9 0 0 0 多人感染，7 人死亡“。我国对供水量占全国4 2 4 4 * 0 的3 6 个城市调查结果表明：出厂 水中细菌总数仅为6 6 个l ，而在管网水中已上升到2 9 2 个l ，饮用水的生物稳定性存在严重的隐 患”。 同时，附着于管壁的细菌将会利用水中营养基质生长而形成生物膜，产生如下危害：1 ) 诱发管 壁腐蚀与结垢；2 ) 管壁结垢与腐蚀会降低管网的输水能力，增加二级泵站动力消耗，甚至引起爆管； 3 ) 生物膜的老化脱落会引起用户水质恶化，色度和浊度上升，造成二次污染；4 ) 病源微生物也易 于在生物膜中滋生，其随管网水传播更会对饮用者的健康构成直接的威胁。 传统的给水处理观念认为，采用氯消毒并且保持管网中一定的余氯就能抑制细菌在管道中的生 长繁殖。但研究表明：1 ) 当出厂水中营养物质浓度足够高时，即使加大投氯量，也很难抑制细菌的 生长：特别是管网末梢，随着水中氯的衰减，细菌重新繁殖。目前研究者已经在给水管道中检出几 十种细菌，除少数铁细菌和硫细菌等自养菌外，主要是以有机物为营养基质的异养菌。2 ) 加氯量过 高还会引起大量氧化消毒副产物的生成，使饮用水中“三致”物质增加，饮用水安全性大大降低， 对人体健康造成威胁。因此靠增加余氯来控制管网细菌生长是不可取的。而通过降低微生物赖以生 长的营养物质才能从根本上抑制管网中细菌的生长，获得生物稳定的饮用水。 生物稳定的饮用水是指水中微生物不再生长的饮用水。大多数情况下给水管网中限制异养细菌 生长的营养因素是有机物的含量。国际上普遍以可同化有机碳( a s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ，简称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 ed i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ，简称b d o c ) 作为饮用水生物 稳定性的评价指标。a o c 通常被用来作为给水管网细菌生长潜力的评价指标。b d o c 通常被用来衡 量水处理单元( 特别是生物处理单元) 对有机物的去除效率、预测需氯量和消毒副产物产量，部分 学者也以b d o c 作为管网水生物稳定性的评价指标。只有控制出厂水中a o c 和b d o c 的含量，才 能获得生物稳定的饮用水。但是，有研究表明：在北欧和日本某些地区，微生物可利用磷( m i c r o b i a l l y a v a i l a b l ep h o s p h o r u s 。简称m a p ) 是管道中细菌生长的限制营养元素”1 。国内也有研究者发现m a p 是饮用水中细菌生长的限制因素“。由于常规净水工艺对磷去除效果很好，使得出厂水中磷浓度很 低，从而限制管网中微生物的生长，因此磷是生物稳定性研究的新热点。由于单独控制营养元素有 机物和磷存在各自的缺点，而通过同时控制有机物和磷来达到抑制管网中微生物生长的目的无疑是 更为有效的途径。 上世纪8 0 年代，欧洲学者开创了饮用水生物稳定性的研究，随即成为全球给水界研究的热点。 国内，清华大学环境工程系于上世纪末首先开展了饮用水稳定性的研究，他们以北京市水源水、自 来水厂、给水管网为主要研究对象，进行了饮用水中可生物降解有机物特性、测定方法，生物稳定 查要查兰堡主堂竺堡苎 性相关指标在工艺和管网中变化特点等方面的研究，为推动国内饮用水生物稳定性的研究奠定了坚 实的基础。 1 2 文献综述 1 2 1 国内外研究动态 l 国外研究动态 研究者很早就认识到供水管网中细菌再生长带来的危害，包括铁细菌引起的水色度和病原体引 起的疾病等p 】。1 9 世纪末认识到严重危害生命的霍乱、伤寒、痢疾等传染病是通过饮水传播的。2 0 世纪初首次出现的饮用水标准就对细菌质量做了规定，从而使伤寒瘸死亡人数大为减少。控制细菌 生长的主要措施是：1 ) 维持水中一定的余氯；2 ) 降低细菌生长所需的有机物。采用氯消毒会引起 水的嗅味变差，而且会产生“三致”消毒副产物，因此，通过降低出厂水中有机物含量来达到抑制 管网中细菌再生长成为研究热点。 表i i 测定水中细菌生长潜力的方法 方法名称备注 微生物可利用有机碳 v a n d e r k 0 0 0 等。1 9 8 2 年【” ( a s s i m i l i n b l eo r g a n i cc a r b o r i a o c ) 生物可降解溶解性有机碳 j o r e t 和k v y ，1 9 8 6 9 1 1 ( b i o d e g r a d a b l ed i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n b d o c ) 细菌生长潜力 ( b a c t e r i n lg r o w t hp o t e n t i a l ，b g p ) s e r v a i s 等。1 9 8 7 年翻 生物膜形成速度 v a n d e r k o o o 等，1 9 9 5 年【l o 】 ( b i n f i l mf o r m e n i o nr a t e ，b f r ) 表1 2 饮用水中几种细菌计数方法 方法名称备注 异养菌平板计数法 a p h a 等，1 9 9 2 年 ( h e t e r o t r o p h i cp l a t ec o u n t s ，田c ) 吖啶橙染色直接计数 h o b b i e 等，1 9 7 7 年【i 习 ( a c r i d i n eo r a n g ed i r e c tc o u n t s ，a o d c ) 活菌直接计数 r o d r i g u e z 等，1 9 9 2 年叫 ( d i r e c tv i a b l ec o u n t , d v a 三磷酸腺苷 v a n d e r k o 嘶等，1 9 9 5 年1 1 0 l ( a d e n o s i n e t r i p h o s p h a t e , a t p ) 1 9 世纪末已经开始研究测定饮用水中细菌生长潜力的方法。1 8 9 1 年，荷兰学者b e i j e r i n c k 建议 向灭菌后的水中接种纯种菌株，通过菌株的生长来反映水中可供微生物生长的营养物含量。但是， 这种方法并没有被广泛应用。直到上世纪七十年代，发现饮用水中采用臭氧活性碳工艺对有机物有 较好的去除效果，对水中细菌生长可利用有机物的研究才受到重视1 9 8 2 年，荷兰学者v a nd e rk o o i j 2 第1 章引言 发明一种测定水中异养细菌生长潜力的方法，即向水样中接种饮用水中常见的p 1 7 菌株，由菌株生 长的最大菌落数通过产率系数换算得出水中a o c 含量。此后在欧美以及日本地区，对评估饮用水细 菌生长潜力方法的研究成为热点，测定水中细菌生长潜力的方法如表1 1 所示。研究者同时开展水 中细菌计数方法的研究，饮用水中几种细菌计数方法如表1 2 所示，其中异养菌平板计数 ( h e t e r o t t o p h i cp l a t ec o u n t s ，简称h p c ) 测定方法由于不要求特殊仪器，操作过程简单，应用较广，但 是p r e v o s t _ 【6 j 等学者研究发现h p c 测定方法不能准确反应管网水中细菌生长情况。 饮用水生物稳定性的主要研究方法有：1 ) 细菌生长所需有机物的研究。以实际水厂工艺和供水 管网为研究对象，包括有机物的特性、与细菌生长相关性、在工艺及管网中的变化规律等方面的研 究。2 ) 生物膜生长发育过程的研究。以实验室模拟器如：r o t o t o r q u e 系统、r o b b i n s 装置、a r 反应 器等为研究手段，分析生物膜的生长与营养基质的关系。3 ) 细菌生长动力学模型的研究。建立管道 内壁生物膜生长、水中悬浮细菌生长与影响参数如b d o c ，余氯、水温、水力条件等关系的数学模 型，由模型得出在减少投氯量情况下，控制细菌生长的b d o c 阈值、合适的水温等。 除了有机物对供水管网中细菌生长的限制性作用外，1 9 9 6 年，荷兰学者m i e t t i n e n 等【1 4 】在( n a t u r e ) ) 上发表文章指出发现磷是饮用水中细菌生长的限制性营养物质。此后，磷的研究成为新的热点。1 9 9 9 年，l e h t o l a 等1 采用与a o c 相似的测定方法，利用p 1 7 菌株产量与磷含量的线性关系，通过测定 p 1 7 菌株生长的最大菌落数通过产率系数换算得出水中m a p 的测定方法。西欧和日本等地区相继发 现磷是管网水中细菌生长的限制因子。 2 国内研究动态 上世纪九十年代，清华大学环境工程系率先在国内开展了饮用水稳定性的研究，他们以北京市 水源水、自来水厂、给水管网为主要研究对象，进行了饮用水中有机物特性，a o c 和b d o c 测定方 法及变化规律等方面的研究，为推动国内饮用水生物稳定性的研究奠定了坚实的基础。此后，随着 国家“十五”重大科技专项“安全饮用水保障技术”在南方地区、北方地区与太湖流域的全面展开， 越来越多的研究者参与到生物稳定性的研究中。东南大学环境工程系以国家“8 6 3 ”计划重大科技专 项太湖流域安全饮用水保障技术为依托，在上海开展饮用水生物稳定性的研究。 1 2 2 影响管网细菌生长繁殖的因素 1 供水管网中细菌生长机制 供水管网中细菌生长繁殖包括在水溶液中悬浮生长和在管内壁附着生长两种形式。一方面，供 水管网的环境条件( 管网的贫营养生存环境，管网水的相对短的滞留时间，消毒剂的灭菌效力) 对 悬浮生长很不利。另一方面，细菌可以向管壁表面粘附，分为可逆与不可逆两种形式。m a r s h e l l 等 认为细菌的可逆粘附可通过瞬间引力、布朗运动、d l v o 理论、聚合物架桥来实现，其中聚合物架桥 可能是细菌牢固粘附于表面的主要机制。在可逆粘附发生过程中，有可能使管壁表面性质与细菌分泌 的、粘附于管壁的有机物性质发生某些变化，并随之发生不可逆粘附( 此过程具有时间依赖性) ，一旦发 生不可逆粘附，表明细菌在管壁定居成功”日。只有吸附到管内壁，微生物才能防止被水流冲刷，并且 群集的细菌或其生物膜具有很强的抗余氯性。因此，细菌在管内壁的附着生长远比悬浮生长占优势， 并且形成生物膜( b i o f i l m ) ，它是供水管网微生物对营养基质降解作用的关键因素。 2 供水管网中细菌生长的影响因素 1 ) 余氯量 目前，水厂普遍采用在出水中加氯或氯胺并保持管网内有一定的余氯的办法以控制细菌生长。 氯或氯胺消毒的原理是破坏细菌膜、酶系统、蛋白质。调查表明：余氯量与其它影响因素相比，对 管网细菌生长的影响最大，是目前控制管网细菌生长的最有效的手段 m 。但在管网末梢随着余氯 的衰减，部分细菌或大肠杆菌在氯消毒过程后能在管网中修复，重新生长；加氯量过高会引起水的 嗅味变差，产生“三致”消毒副产物如三卤甲烷、卤乙酸等危害人体健康。因此靠增加氯或氯胺来 东南大学硕士学位论文 控制管网细菌生长显然是不可取的。 2 ) 有机营养基质 饮用水中的有机营养基质是异养细菌生长所必需的，目前普遍以a o c 和b d o c 两项指标表示。 长期以来，有机物被认为是抑制供水管网中细菌生长的限制性因素。随着研究的深入，发现磷是部 分供水管网细菌生长的限制性因素【1 9 1 。因此有机碳不再是细菌生长的唯一限制因素，减少管网中 b d o c 或a o c 不再是控制管网中细菌生长的唯一方法。 3 ) 磷 磷也是饮用水中细菌生长所必需的元素。相关研究认为：满足饮用水中细菌生长所需的碳磷比 为1 0 0 ：( 1 7 - 2 0 ) t 2 0 l 。当两者中的任一元素缺乏而不能满足所需的比值时，都可能成为细菌生长的 限制性因子。调查表明：在中欧和北美一些地区，a o c 是管网中细菌生长的限制性因子；在芬兰和 日本，m a p 则是管网中细菌生长的限制性因子p 】，国内，清华大学桑君强等的研究也得出磷是饮用 水中细菌生长限制因子的结论1 4 1 。磷之所以成为限制因子，主要因为：1 ) 常规的混凝沉淀对磷的去 除可达到9 0 0 , 6 以上，而常规处理在加大混凝剂的情况下对b d o c 的去除率也只有1 7 左右。2 ) 水 环境中的磷元素往往和大分子有机物相结合或者以胶体的状态存在，从而降低了细菌对其利用。因 此，能被细菌利用的磷只占水中总磷的小部分删。 如果磷成为限制因子，在管网水有机物浓度高的情况下，仍然可以有效抑制管网细菌的再生长。 所以可以减少消毒剂的投加量，降低消毒副产物的形成，提高饮用水的生物稳定性。因此限制饮用 水中磷的量成为控制管网细菌再生长的新手段州。 4 ) 水力因素 管网中水流速度对细菌生长的影响有下面几个方面：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，死水区由于没有氯，往往导致微生物生 长、水质恶化，水流骤开骤停能使管壁生物膜冲刷下来，水流中细菌两急剧上升。上述几个方面的 作用相互影响的，对于具体问题应具体分析【2 】。 管网水力停留时间( w a t e rr e s i d e n c e t i m e ) 与h p c 得到的细菌数有一定的相关性。原因为：1 ) 随着水力停留时间的增加，管网余氯量减少，所以细菌更容易生长，并且经消毒而受伤的细菌能自 我修复。2 ) 在较长的水力停留时间下，由于水力剪切作用，生物膜能释放更多的细菌。而大部分悬 浮生长的细菌来自生物膜的释放。但是，由于水力停留时间测定方法的限制以及在管网中变化较大， 所以不能很严格地解释为什么h p c 得到的细菌数随着水力停留时间的增大而增大。所以，水力停留 时间对管网细菌的影响有待进一步的研究i 1 ”。 5 ) 温度 水温对细菌生长的影响比较复杂，它能够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、微生物生长速度、消毒效率、余氯消耗、管道腐蚀速度，管网水力条件、人们对 水量的需求等。水温高，细菌的生长速率加快，有利于细菌在管网的繁殖；但这也必将导致投氯量 的增加来抑制细菌生长。很多研究发现管网中细菌的生长与水温有密切的关系，但水温的变化并 不能成为影响管网中细菌的生长的主要因素，也很难定量地描述细菌再生长随水温的变化情况1 1 7 , - 。 矧。 6 ) 管材和管段腐蚀情况 给水管网中同时存在饮用水对管网材料的腐蚀和管网材料对水的二次污染问题。调查表明：即 使管网饮用水满足生物稳定性的要求，管网内壁仍有大量异养菌存在。并且服务年限越长、管网腐 蚀越严重的管段生物膜活菌数越多。管内壁腐蚀的原因有：钙镁沉淀、电化学腐蚀和微生物腐蚀等。 金属管道的腐蚀同时存在上述三种因素，而石棉管和塑料管中不存在电化学腐蚀，所以在同等条件 下金属管道中生物膜活菌数较多。管段服务年限越长，则内壁腐蚀越严重，所以管内壁生物膜活菌 数越多。管材对内壁生物膜的发育速度影响很大，当生物膜发育日趋成熟时则管材的影响作用减小 嘲。因此，选择合适的管材及管内壁涂层来装备新铺管线，定期更新管段可以有效地抑制管内细菌 4 第1 章引言 的生长发育。 此外，水中颗粒物易成为细菌生长的载体，能沉积在管壁处，保护细菌免受氧的伤害。z h g w e i d o n g 研究发现：在采用氯胺消毒的饮用水中，由于硝化作用随着水力停留时闻延长而增大，氯 胺的浓度下降而硝酸盐的浓度上升，从而间接影响细菌的生长。硝化反应的中间产物亚硝酸盐能导 致氯胺余量的降低。此外，硝化菌能固定无机碳最终成为异养菌生长的食料。同时p h 值、碱度 对管网细菌的生长也产生影响【l 。卅。 1 2 3 饮用水生物稳定性和其控制指标的关系 饮用水生物稳定性是指在没有消毒剂的情况下，饮用水中可生物降解营养物质支持异养细菌生 长的能力。饮用水生物稳定性高，则表明水中细菌生长所需的营养物含量低，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营养物含量高，细菌容易在其中生长。大 多数情况下给水管网中影响异养细菌生长的营养因素是有机物的含量，因此研究饮用水中可生物降 解有机物对其生物稳定性的影响就显得十分必要。 1 饮用水中有机物分类 由于饮用水中有机物种类繁多，理化性质复杂，每种物质含量很小，所以想准确测定每一种有 机物及含量几乎是不可能的。目前一般测定水中的总有机碳( t o t a lo r g a n i cc a r b o n ，t o c ) 作为总有 机物含量的替代参数。按有机物形态大小，t o c 大致可分为颗粒态有机碳( p a r t i c l eo r g a n i cc a r b o n p o c ) 、胶体态有机碳( c o l l o i do r g a n i cc a r b o n ，c o c ) 和溶解态有机碳( d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ， d o c ) 。随着a o c 、b d o c 测定方法的提出，按照能否被微生物利用的角度划分，可将溶解性有机 碳分为生物可降解溶解性有机碳( b d o c ) 和生物不可降解溶解性有机碳( n o nb 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 ，n b d ) c ) 。b d o c 中易被细菌利用合成细胞体的有机物称为生物可同化有 机碳( a o c ) ，因为b d o c 和a o c 与异养细菌在给水管道中的生长密切相关，是研究饮用水生物稳 定性所关注的重点。由于饮用水中可生物降解有机物含量十分低，不能准确测定b o d 5 ，因此一般 不测定b o d 5 。 2b d o c 测定方法和改进 为了分析水中混合细菌对可生物降解有机物分解和利用的情况，人们提出b d o c 测定方法。 b d o c 的概念首先是由j o r e t 和l e v y 于1 9 8 6 年提出的【2 5 l ，s e r v a i s 和b i l l a n 等人于1 9 8 7 年提出了一 套b d o c 的测定方法1 2 6 1 ，是目前国外b d o c 测定方法的基础。该方法将待测水样5 0 0 m l 通过o 2 啪 醋酸纤维素膜过滤，加5m l 经2i n nn u c l e p o r e 膜过滤( 目的是去除水中较大颗粒和原生动物) 的原 水作为接种液( 即以土著细菌为接种细菌) ，在2 0 0 5 温度及暗室条件下培养1 0 3 0 天，同时测 定水样中d o c 值的变化量和细菌的生长速率，当d o c 值恒定不变时，计算培养前后d o c 值之差 即为b d o c ，再以表面荧光显微镜对细菌计数，将细菌生长量折算成所耗有机物量( 以碳计，折算 系数为1 2 x1 0 “3 9 c t t m 3 细菌) ，将此计算值与b d o c 进行对比，发现二者有较好的一致性。因为测 定培养前后d o c 值之差确定b d o c 的方法简单易行，同时绝大多数水样培养1 0 天后d o c 就能达 恒定。此时若再加入葡萄糖使d o c 增加且继续培养，最终d o c 仍达到先前的恒定值，因此测b d o c 值能代表水中对大部分可生物降解有机物。 鉴于上述方法每天测定d o c 和细菌死亡数量颇为麻烦，s e r v a i s 将方法改进为水样取2 0 0m l ， 接种液2m l 在2 0 条件下培养2 8 天，测定培养前后的d o c ，差值即为b d o c r n 。s e r v m s 等人对塞 纳河、e a ud h e u r e 河和c a m b r e 水池的水测定b d o c ，标准偏差为0 0 3 m g ；人工配水分别加氨基酸 乙酸和蛋白质做基质，测得的b d o c 值与所加基质浓度有很好相关性。j o r e t 和l e v y 于1 9 8 8 年提出 以给水处理厂的生物砂为接种物，以提高细菌接种量：在3 0 0 m l 待测水样中加1 0 0 9 生物活性砂， 以增加接种菌量，使培养周期缩短至3 5 天，该方法有较好的准确度，精密度取决于测定d o c 所 用的t o c 仪【嚣。捌。r i b a s 等于1 9 9 1 年提出另一种b d o c 测定方法：将待测水样通过装有生物载体 5 东南大学硕士学位论文 的反应器，测定进出口的d o c 值，二者之差即为b d o c ，该方法使测定时间缩短为2 3 天，结果 与接种土著菌、悬浮培养的方法没有显著差异；但该方法所需待测水量较大f 3 0 】