（环境工程专业论文）饮用水消毒工艺优化研究.pdf

a b s t r a c t i nt h e p r o c e s so fr u n n i n gw a t e rd e l i v e r e dt ou s e r sf r o mw a t e rp l a n t ，w a t e r f l o w i n gi nt h ep i p en e th a db e e nf o rs e v e r a lh o u r so re v e r lw i t h i naf e w d a y s w r a t e ri n l a r g eu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r ko c c u r r e dc o m p l e xp h y s i c a l ，c h e m i c a la n d b i o l o g i c a l r e a c t i o n s s o m eo ft h ek e yi n d i c a t o r so fw a t e rq u a l i t y , s u c ha u sr e s i d u a l c h l o r i n e b a c t e r i a li n d i c a t o r sa n ds oo n ，o c c u r r e ds i g n i f i c a n t c h a n g e s h a n i l 如lb a c t 舒a 锄d m i c r o b e sp r o p a g a t e d t h e yw e r eh a r m f u lt oh u m a n h e a l t h t h e r e b yi m p r o v i n gw a l i c r q u a l i t y i np i p en e t w o r kw a sa ni m p o r t a n t p a r to fi m p r o v i n gw a t e rq u a l i t y r e s i d u a lc h l o r i n ed e c a yf a c t o r sw a ss t u d i e db yas t a t i cm o d e lo f m a i nw a t e r , e o n f e r e dc h l o r i n ea n dc h l o r a m i n e sd i s i n f e c t i o no nb i o l o g i c a l s t a b i l i t y a rr e a c t o r d o s i n gb a cw a t e rw a st a k e n 勰ad y n a m i cm o d e lt os t u d yd i s i n f e c t i o no f m i c r o b i a l r e 。g r o w t hc o n t r 0 1 t h e n ，g e n e r a ld i s c u s s e dt h e o p t i m i z a t i o no fc o n v e i l t i o n a l d i s i n f e c t i o np r o c e s so f d r i n k i n gw a t e r t h er e s i d u a lc h l o r i n ed e c a y e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tc h l o r i n ed e c a yr a t ec o n s t a n t w a so b v i o u s l yi n f l u e n c e db y t e m p e r a t u r e t h ek bv a l u er o s ef o m0 0 311t oo 12 2 5 嬲 t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o mi o * ct o3 0 ( 2a n dt h e h i g h e rt h et 啪p 咖r ew 弱，t l l e f a s t e rr e s i d u a lc h l o r i n ei nt h ew a t e rd e c a y e d f o rt h es a m ew a t e rs a m p l e t h eh i g h e r t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fc h l o r i n ew a s ，t h ef a s t e rt h ef r e ec h l o r i n ea n d t o t a lc h l o r i n e d e c a y e d r e s i d u a lc h l o r i n ed e c a ya n dp hv a l u eh a dr i os i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n s t h e d o ca n dt h ek bv a l u eh a da s t r o n ge x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p d e s p i t et h eb d o cw a si n c r e a s e dd u r i n gt h ec h l o r i n ed i s i n f e c t i o np r o c e s s t h e t h r e s h o l dr e q u i r e m e n t so fb i o l o g i c a ls t a b i l i t yw a ss t i l lm e t a n dc h l o r i n ed e c a vr a t ei n b a ce f f l u e n tw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h em i c r o f i l t r a t i o nw a t e r 锄dr a ww a t 既 t h er e s i d u a lc h l o r i n ev a l u ec o u l da l s om a i n t a i n e da h i g hl e v e la f t e rai o n g e rr c s i d e n c e t i m ea n dt h em i c r o b i a l r e - g r o w t hw a si n h i b i t e dc o n t i n u a l l y b d o c t h a n g ei n c h l o r a m i n e sd i s i n f e c t i o n p r o c e s sw a ss i m i l a rt oc h l o r i n ed i s i n f e c t i o n p r o c e s s b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o np r o c e s sw a sa ne f f e c t i v em e a n st o e n s u r 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 r v i l 青岛理：【大学工学硕士学位论文 t h er e s i d u a lc h l o r i n ei nt h ee f f l u e n tw a so 0 4 m g 1w h e nt h ec h l o r i n ed o s a g ew a s l m g 1 t h es u s p e n d e db a c t e r i ai nt h ew a t e r w a s6 3 0 x1 0 3a n dt h eb a c t e r i ai nc o u p o n w a s 4 6 0 x10 4s h o w e dt h a tt h em i c r o - o r g a n i s m si nt h ep i p en e t w o r kw e r en o tw e l l c o n t r o l l e d w h e nt h ec h l o r i n ed o s a g ew a s2 m g la n dt h er e s i d u a lc h l o r i n ei nt h e e f f l u e n tw a s0 3 m g l ，t h eb a c t e r i an u m b e rc o u l db ew e l lc o n t r o l l e di nt w oo r d e r so f m a g n i t u d e t h ed i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s ，t h ea m o u n to fc h l o r i n ea n db i o d e g r a d a b l en u t r i e n t m e d i u mp r o d u c t i o nc o u l db er e d u c e db ym a k i n gf u l lu s eo ff r o n t e n dp r o c e s so n r e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ep o l l u t a n ta n dd o s i n gp o i n to fa d d i n gd i s i n f e c t a n ta sc l o s ea s p o s s i b l et ot h er e a ro fw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s c h l o r i n ea n dw a t e rc o u l db em i x e d a d e q u a t e l yb yc h o o s i n gp o i n to ft h r o w i n gc h l o r i n er e a s o n a b l y , i m p r o v i n gt h es e t t i n g o ft h r o w i n gc h l o r i n ep i p e l i n e ，m a k i n gf u l lu s eo ft h eh y d r a u l i cc o n d i t i o n so fp r o c e s s p i p i n ga n du s i n gm e c h a n i c a la g i t a t i o n ，e l b o wm i x i n g ，s p r a yd i f f u s e r , p i p e l i n em i x e r a n do t h e rm e a n s k e y w 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 ；f r e ec h l o r i n ed e c a y ； c h l o r a m i n e s ； b i o l o g i c a ls t a b i l i t y 青岛理+ l ：大学工学硕： = 学位论文 第1 章绪论 1 1 饮用水病原微生物及其控制 联合国环境和发展机构指出，人类与细菌有关的疾病中，有4 8 以上是通过 饮用水传播的。美国自来水协会对美国1 9 7 6 - 1 9 9 4 年间对水媒性流行病情况所 作的调查统计显示，除部分不明原因，事故次数的8 4 1 和致病人数的9 9 2 是 由于病原微生物引起的。1 9 9 1 年1 月开始，拉丁美洲霍乱大流行，从一个国家 漫延到全洲，1 3 0 万人生病，近1 2 万人死亡。迄今世界已有六大洲8 0 多个国家， 至少3 0 0 个地区，都发现了隐孢子虫病【i 】。全球约有十亿人得不到洁净饮用水， 人类要把平均高达1 1 0 可用于生产的时间消耗在与水有关的疾病上。 1 1 1 水中的病原微生物及其危害 水中能感染人类的病原微生物有以下五类1 2 】： a 细菌：细菌个体尺寸一般为0 2 8 0 岬的范围，通常病原细菌要小些，不 超过5 1 a m 。一般细菌的等电点大都在p h 3 0 - 一3 5 左右，所以在常见的p h 范围内 ( 6 5 - - - 8 5 ) ，水中大多数细菌是带负电的。这个性质使得带负电的消毒剂分子不 易于接近细菌，从而影响杀菌效果。其中，革兰氏阴性菌的细胞壁黏肽层外还有 脂蛋白、磷脂外膜和脂多糖，能阻挡较大的分子渗入细胞。故它比革兰氏阳性菌 对消毒剂的抵抗力强。有些细菌的细胞壁外有荚膜，比较难以用化学药物杀灭， 有的细菌在极端的环境下会产生芽孢。芽孢是一个由多层膜组成的封闭结构。芽 孢膜含有角蛋白，能够结合游离的化学基团，通透性较低，由此芽孢对消毒剂的 抵抗力较强。水媒病原微生物有许多种，主要是以下几种。 ( 1 ) 杆菌：包括伤寒沙门杆菌( s a l m o n e l l at y p h i ) 、副伤寒沙门杆菌、乙型 副伤寒沙门杆菌、细菌性痢疾志贺杆菌( s h i g e l l ad y s e n t e r y ) 、肠道病原埃希氏大 肠杆菌( e e c ) 、结核杆菌、肉毒杆菌( 食物中毒) 、土拉巴斯德菌( 野鼠热或兔 热病病原) 、军团杆菌( l e g i o n e l l a ) 等。 ( 2 ) 弧菌：主要是霍乱弧菌( v i b r i oc h o l e r a e ) 。 ( 3 ) 钩端螺旋体：感染后引起黄疸出现、流感伤寒、肺炎、脑膜炎、和肾功 能衰竭等症状。 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 其它病菌：如葡萄球菌可引起化脓性感染、食物中毒等。 b 原生动物 ( 1 ) 各种溶组织变形虫：能引起阿米巴痢疾，某些变形虫能引起脑炎和肝肿 瘤等。 ( 2 ) 贾第虫( g i a r d i al a m b l i ai n t e s f i n a l i s ) ：寄生在人体小肠，胆囊等处，可引 起腹痛、腹泻、吸收不良等症状和胆道系统疾病。贾第虫孢囊在水中可存活4 天，在氯化消毒水( 含氯o 5 ) 中可存活2 - - 3 天，在粪便孢囊的活力可维持1 0 天以上，但在5 0 或干燥环境中很易死亡。 ( 3 ) 隐孢子虫( c r y p t o s p o r i d i u mp a r v u m ) - 广泛寄生于动物体内，完成整个 生活史不需要转换宿主。感染后主要引起消化道急慢性腹泻症状，还可引起喉炎， 气管炎，肺炎等呼吸道感染，以及胰岛炎，肝炎等。隐孢子虫感染是艾滋病患者 主要的致死病因之一。隐孢子虫不易被一般水厂的过滤工艺去除，有很强的抗氯 性，常规浓度的加氯量几乎无法杀灭，而它仪需极少量( 一般数个甚至只要一个 卵囊) 就可能传播和致病。通常患者感染6 0 d 以后就大量排泄数量巨大的卵囊， 一天可排出1 0 9 个，隐孢子虫治疗至今尚无特效药物。 c 寄生虫 常见的危害人类的寄生虫有肠道寄生虫如蛔虫、钩虫、绦虫、丝虫，以及肺 吸虫、血吸虫、麦地那龙线虫等。一般饮用水消毒剂的投加剂量往往难以对寄生 虫起作用，即使是对虫卵和幼体。 d 病毒 病毒外有蛋白质外壳包含内部的核酸。消毒剂必须进入病毒外壳破坏核酸才 能将病毒杀死。水媒传播病人排泄物中的上百种病毒，如肠病毒( 主要包括脊髓 灰质炎病毒使患小儿麻痹；柯萨奇病毒引起肠炎，无菌性脑膜炎，疱疹性咽喉炎， 手足口病，心肌炎，肺炎等；肠孤儿病毒引起红疹，感冒，胃肠炎，类脊髓灰质 炎，肺炎等；甲型肝炎使患甲型肝炎) 、呼肠孤病毒( 可感染十二指肠引起肠炎， 是导致婴儿腹泻死亡的主要原因) 、腺病毒( 引起急性呼吸道感染、咽结膜热、 婴幼儿肺炎、婴幼儿胃肠炎、流行性角膜结膜炎以及禽畜感染等) 、乳多泡病毒 ( 可致肿瘤，可感染人畜，产生疣和乳头状瘤) 、小d n a 病毒( 可感染人、畜、 禽和昆虫，有专一性。其中包括n o r w a l k 病毒，感染儿童和成人后，患者会出现 2 青岛理工大学。l ：学硕士学位论文 恶心、呕吐和腹泻等症状。 e 真菌 水中有寄生性真菌，一般它们并不通过水感染人类。但一些真菌可通过公共 浴场和泳池形成皮肤交叉感染，如一些霉菌病等。 当微生物被某种消毒工艺杀死以后，一般其分解产物可能仍存在于水中。这 种分解产物通常对水的大多数用途没有影响，但如将含有这种产物的水用作医用 注射稀释液时，会引起实验动物或人的体温的升高。因此这种分解产物被称作“热 原质 ，是一种内毒素。有的消毒工艺( 如膜法等) 可以去除水中的热原质。 1 1 2 水处理单元对微生物的去除效果 在净水工艺路线中实现“多级屏障是保障饮用水水质安全的有效手段。 各种水处理工艺单元对细菌、病毒及原生动物等具有不同的去除效果，而净水单 元的良好运行是后续消毒工艺高效发挥作用的保障。例如美国在l t le s w t r 法 规中为强化对隐孢子虫和贾第鞭毛虫的去除，特别提出了对滤池去除“两虫 效 果的要求。世界卫生组织提出的各种水处理工艺单元对微牛物去除效果，详见下 表【2 】： 表l 部分水处理工艺单元对微生物的去除效果 t a b l e lr e m o v a le f f e c to f p r o c e s s e sb yd i f f e r e n tb i o l o g i c a l s ( ) 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 饮用水消毒技术综述 1 2 1 氯消毒 氯消毒是应用最早和最广泛的饮用水消毒技术。 从2 0 世纪初期人们开始将氯消毒作为给水处理的常规处理工序，用于控制 霍乱、伤寒等水媒疾病开始，饮用水消毒技术不断得到发展和优化。现代饮用水 消毒技术要求综合考虑消毒效果和控制消毒副产物的生成；同时，一些新的热点 问题对饮用水消毒技术的发展提出了更高的要求，包括：微生物对传统消毒剂的 抵抗适应性；新型致病微生物的发现( 如蓝氏贾第虫和隐孢子虫) ；消毒处理水 在供水系统中的生物稳定性等。 4 青岛理l 大学工学硕上学位论文 1 2 1 1 氯；肖毒机理 氯易溶解于水，在水中很快发生“歧化反应 ，生成盐酸和次氯酸： c 1 2 + h 2 0 j h o c l + h + c l 一 ( 1 ) 次氯酸是弱酸，发生离解时生成氢离子和次氯酸根离子。2 0 。c 时次氯酸的离 解平衡常数为： k 。= p + 】【c f d 一】内d 】_ 3 3 1 0 8 优。i l l ( 2 ) 水中游离的次氯酸及次氯酸根离子的比例取决于p h 值：当p h 6 时，次氯 酸几乎全为分子状态；6 7 时以一氯胺为主， p h 在4 - 7 时生成二氯胺，而三氯胺一般只在p h n h c l 2 n c l 3 ，而一般饮用水p h 值为中性，所以氯胺消 毒- 丰要依靠一氯胺的作用。 氯胺消毒的原理仍是依靠次氯酸的杀灭氧化作用，从反应式( 4 6 ) 可见， 当水中的次氯酸被消耗时，反应向左边进行，又生成次氯酸。与自由性余氯( c 1 2 、 次氯酸、次氯酸根) 消毒相比，氯胺消毒的速率慢，往往需要更长的接触时间。 相应地，将这种氯与氨结合的形式进行消毒作用的称为化合性或结合性余氯消 毒。 1 2 2 2 氯胺消毒的特点1 7 。i 氯胺消毒一般在原水有机物浓度高，为避免加氯生成大量消毒副产物时；以 及配水管线长，要保持较长时间的消毒效果；或为了控制管壁生物膜时，氯胺消 毒是一个比较好的选择。 氯胺消毒具有如下优点： ( 1 ) 氯胺本身的嗅阈比氯低得多，在水中的衰减比较慢，分散性好，穿透 生物膜的能力较强。采用氯胺消毒时，可减少氯酚的生成，能控制氯消毒的异味。 ( 2 ) 氯胺消毒可降低卤代烃及卤乙酸等消毒副产物的产生量。据报道，氯 胺消毒可降低三卤甲烷5 0 7 5 ，对卤乙酸的削减已有显著作用，含溴较多的 原水经氯胺处理产生的溴化副产物也较少。 ( 3 ) 氯胺的氧化势低于氯，对有机物的氧化能力较弱，因此可氧化生成a o c 及b d o c 的量要低于氯消毒过程，对水质生物稳定性的影响相对较小。 ( 4 ) 氯胺消毒仪在氯消毒工艺的基础上增加氨的投加，工艺简单，成本低 青岛理：i = 大学工学硕士学位论文 于臭氧和二氧化氯消毒。 氯胺消毒的丰要缺点包括： ( 1 ) 氯胺消毒所需的c t 值高于氯。例如在2 0 c 、p h 6 - - 9 时，灭活肠道病 毒3 l o g ，游离氯的c t 值为2 m i n r a g 1 ，而氯胺的c t 值为5 3 4r a i n 。m g l 。所以为 达到消毒效果，必须保证足够的接触时间。 ( 2 ) 除臭效果弱于氯； ( 3 ) 可能会促进管道内硝化细菌的生长。 ， 1 2 2 3 氯胺；肖毒的应用 ( 1 ) 投加点 一般采用氯胺消毒时，由于需要足够的接触时间，常将投加点放在常规工艺 之前，以利用水处理单元的容积进行反应，通常接触时间至少为2 h 。 ( 2 ) 氯、氨比 投加的氯和氨的质量分数比一般为( 3 ：1 ) ( 6 ：1 ) ，这时产生的化合物基本为 一氯胺。 ( 3 ) 投加次序 氯胺消毒中氯与氨的投加次序可采用： 1 ) 先氨后氯：对原水进行预氨化，充分混合后再投加氯。由于氨极易与氯 反应，因此可避免氯氧化水中的有机物牛成消毒副产物，适合原水有机物高的情 况： 2 ) 先氯后氨：先投加氯进行消毒反应，剩余自由氯再与氨结合生成氯胺。 一般在清水池进口加氯消毒，在出厂水中补氨，管网中利用氯胺消毒。这种方法 的消毒效果优于先氨后氯。 两种投加次序中前一种药剂都需与水充分混合后再投加另一种药剂，否则容 易造成浓度分布不均，生成其他副产物。 1 3 管网细菌再生长问题 1 3 1 管网水质生物稳定性 水媒性传染病的爆发大部分是由病原体引起的，通过饮水传播的病原微生物 有细菌、病毒、原生动物和肠虫等。尽管采用了各种各样的饮用水消毒技术来杀 9 青岛理：f 大学：i ：学硕七学位论文 灭它们，但近年来，人们认识到即使保持管网中一定余氯，异样细菌在有机物存 在下依然会生长。细菌在管网中再生长的问题越来越受到重视。引起管网中细菌 重新生长和繁殖( r e g r o w t h 或a i t e r g r o w t h ) 的主要原因是水中残存的异氧细菌生 长所需要的有机营养基质。由于营养基质的存在，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，换管和其它原因也会引起外源细菌进入管网。 这些都导致用户水质变坏。 所谓管网水质生物稳定性，是指管网水支持或抑制微生物生长繁殖的潜力， 其描述的是管网系统中微生物再生长的最大潜力。 1 3 2 微生物进入管网系统的途径 水源水中含有大量的微牛物，其中更可能存在致病菌，经过净水工艺尤其是 消毒单元处理后，可有效地控制微生物风险，世界卫生组织w h o 及各国的饮用 水水质标准中均对水中微生物学指标提出了明确的限制，如我国生活饮用水卫 生标准( g b 5 4 7 9 2 0 0 6 ) 规定：出厂水的菌落总数 1 0 0 c f u m l 。同时，世界上 大多数供水企业都在饮用水入管前保证一定浓度的消毒剂余量，以维持在管网中 对微生物的持续抑制作用。尽管如此，在供水管网中仍然发现了有微生物生长， 有时甚至影响了用户水质。我国对供水量占全国4 2 4 4 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 【g j ；在欧 美等发达国家，由于管网中微生物的生长导致的水生疾病的报道也时有发生，世 界卫生组织在1 9 9 6 年对欧洲的2 7 7 起水生疾病的调查表明，由于管网系统微生 物再生长而导致的水生疾病占4 3 ；美国自1 9 7 1 年以来发生了1 1 3 起由管网系 统导致的水牛疾病，共有4 9 8 人住院，1 3 人死亡。 除了管网内部微生物再生长以外，管网微生物污染的另一主要来源是外源性 污染，主要是由于管网系统构成及其运行管理问题，包括敞口水箱、管道维护及 更换施工、爆管、管道交叉连接等多种途径都可能将外源细菌引入配水管网。 研究者将上述可能导致微生物进入管网系统的途径进行风险排序，如下表所 示【i o 】： l o 青岛理： 大学一1 ：学硕：j ：学位论文 表4 微生物进入管网水的可能途径 t a b l e4t h e p o s s i b l ew a y so fg e t t i n gi n t ot h ew a t e rp i p en e t w o r kb ym i c r o o r g a n i s m s 风险级别微生物进入管网水途径 高 中 低 水厂泄露、外源污染、管道交叉连接、爆管及修复过程 敞口的水箱等贮水设施 管道敷设、封闭的贮水设施、管壁生物膜生长及脱落、其他人为污染 1 3 3 管壁生物膜的形成 在任何固液接触面上，都可能形成包含了微生物、胞外聚合物( e p s ) 及其 他碎屑构成的复杂结构，通常称之为“生物膜。饮用水管道中的生物膜是指水 生环境中微生物以聚集状态附着生长于某一基础如管壁、管瘤或管道沉积物上。 决定生物膜生长动力学的关键步骤包括： ( 1 ) 细胞通过沉降作用或自身运动迁移到附着物表面； ( 2 ) 细胞被附着物表面吸附； ( 3 ) 在附着物上可逆或不可逆的附着； ( 4 ) 细胞的新陈代谢； ( 5 ) 生长繁殖； ( 6 ) 生成胞外聚合物； ( 7 ) 细胞溶解、衰减并脱附。 吸附是微生物在任何表面定殖的首要步骤，也可能是整个过程的速率限制步 骤。而胞外分泌物( e p s ) 大多包含多糖类物质，使得生物膜具有粘滞的特性， 并由此形成微群落。 微生物的附着生长并形成生物膜是微生物在严苛、极度缺乏营养物的环境中 ( 管网水中) 的生存策略之一。多数细菌可分泌胞外多糖使其具有亲水性，因而 给水管道内的湍流效应对细菌悬浮生长不利，而在管壁上附着生长则具有较大的 优势：( 1 ) 大分子物质易在固液界面沉积，构成营养较丰富的微环境；( 2 ) 高 水流速能将较多营养物源源不断地送达生物膜表面；( 3 ) 胞外分泌物的吸附性能 可为细菌牛长摄取营养物；( 4 ) 附着生长微牛物可成功躲避管网余氯的杀伤作用； ( 5 ) 边界效应会使管壁处水流冲刷作用减小。由于消毒剂及水流扰动的作用， 青岛理工大学j 学硕一 = 学位论文 管网水悬浮菌的数量相对较少，系统中微生物主要存在于生物膜中。 在管网水的贫营养环境中，主要的微生物是以有机物为营养基质的异氧菌。 异氧菌所具有的独特的饥饿生存适应方式，以及几种异氧菌可共同利用大多数基 质的特性，使得细菌在含有微量有机物的管网中生存成为可能。此外，与在高营 养基质相比，贫营养基质下生长的细菌对消毒剂具有更高的抗性，生物膜、颗粒 物质、管壁表面的保护作用也成为微生物在具有一定浓度消毒剂余量的管网中得 以生长的重要原因。 研究认为，管壁生物膜并不是单一的结构，而是呈现多样性的群落结构。饮 用水中的微生物通过胞外物质结合成不同的群落，这些群落呈蘑菇状，其中分布 了大量的孔道。这种开放式结构有助于分子甚至是颗粒物向生物膜内部传递。一 般生物膜的结构取决于两个因素：营养物质的数量和脱附速率。当流速高时，水 流剪切力大，生物膜脱附速率高牛物膜呈现光滑的补丁状；而流速低时，生物膜 呈现出多孔状的多样性结构。造成这种现象的可能是由于水流剪切力导致的脱附 速率以及营养物传递速率的联合作用【1 1 1 4 1 。 由于管网系统中营养基质浓度、消毒剂余量及水力条件的多变性，生物膜生 长很难达到的真正的“稳态”，真实给水管网系统中管壁生物膜的数量可高达 1 0 6 1 0 8 个c m 2 ，表5 总结了一些文献中管壁生物膜中检出微生物的情况【1 5 】。 表5 给水管网管壁生物膜中细菌数量 t h b l e5t h en u m b e ro f b a c t e r i a si nb i o f i l m so fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s 1 3 4 管网微生物的组成 对于微生物而言，管网系统是一个“严苛”的生长环境，其中营养基质含量 极低，是典型的贫营养环境，但在这样严苛的环境中仍可能大量生长微生物。与 污水等富营养条件下，若干优势菌种为主的情况不同，贫营养条件下，微生物种 1 2 青岛理：r ：大学工学硕士学位论文 群的多样性增强。按照物质循环的角度区分，管网微牛物一般参与包括：碳循环、 氮循环、硫循环等物质循环( 同时管网中还存在一些铁氧化菌和铁还原菌，它们 与铁的转化有关) 。参与碳循环的主要是异养菌，它们可利用多种电子受体，包 括氧、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、铁离子等。目前管网中发现大部分微生物都 是异养菌，也就是说它们主要以有机物作为能源和碳源。在用氯胺消毒的管网系 统中，还普遍存在着硝化菌等自养菌，与异养菌相比，它们的数量很小，但自养 菌有可能被视作整个管网系统微生物繁殖的起端，因为它们能将无机碳转化为有 机碳，可成为管网系统内部复杂食物链的起点，使得即使在低浓度有机物的管网 水中，异养菌也得以繁殖。 国内外很多研究者对管网中的微生物包括管壁生物膜进行了检测研究【1 6 。1 8 1 ， 检测手段包括扫描电镜、分离纯化培养，尤其是现代分子生物学计数如1 6 r r n a 序列分析、遗传指纹图谱计数的应用，克服了传统纯培养法费时费力、对微生物 群落结构和多样性难以确定的缺陷，为我们深入探索管网微生物的微观世界开拓 了视野。 岳舜琳从某城市给水管道的管垢中检出铁细菌、埃希氏大肠杆菌等6 种微生 物9 1 。张向谊等【2 0 j 在某市换管现场取样，通过菌种分离鉴定，检测出1 5 种细菌、 1 种链霉素、4 种真菌和1 种酵母菌。所得的细菌大多是革兰氏阳性好氧杆菌， 也有少量的革兰氏阴性菌和球菌，并发现一种条件致病菌荧光假单胞菌。贺北平 【2 l 】在研究南方某市给水管道中，用扫描电镜从管道锈瘤中发现杆菌、球菌、丝 状菌等微生物，经菌种鉴定后发现2 种优势异养菌：粘质沙雷氏菌和乙酸钙不动 杆菌产碱亚种，其中粘质沙雷氏菌为条件致病菌。袁一星2 2 1 在研究某市管道锈 垢中，共检出1 3 中细菌，除丝状铁细菌外还有肠道细菌、栖居菌等。 1 4 饮用水消毒与生物稳定性 水的“消毒”( d i s i n f e c t i o n ) 不等同于一般医学要求的“灭活”( s t e r i l i z a t i o n ) 。 水的消毒是消灭其潜在的致病感染性，并不意味着完全灭活所有的微生物，有时 甚至连病原体也不能完全消灭【2 3 1 。因而，通过净水工艺而存活下来的微生物将 进入管网系统，被氯等消毒剂伤害的微牛物将在管网中得以恢复并生长繁殖，此 过程即为管网中的微生物再生长。控制进入管网的营养基质含量及在管网中保持 一定浓度的消毒剂余量，可有效控制管网细菌再生长。 青岛理工大学丁学硕士学位论文 微生物可以利用的那部分有机物称为生物可降解有机物( b i o d e g r a d a b l e o r g a n i cm a t t e r s ，b o m ) ，一般采用b d o c 和a o c 两个指标来表征b o m 的含量。 a o c 被定义为可生物降解的有机碳中被转化为新的细胞物质的那一部分， 也即可被同化的那部分有机碳。荷兰学者v a nd e rk o o i j 对a o c 的测定及其与管 网微生物再生长的关系进行了全面而深入的研究，最早提出了a o c 的经典测定 方法。他的研究认为，当饮用水中a o c = 1 0 p g 乙酸碳l 时，异氧茵将不会牛长， 水中的细菌总数将维持在1 0 0 c f u m l 以下，即达到“生物稳定 。 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，是指d o c 中可被 微生物利用的那部分有机碳含量。 1 4 1 氯消毒对生物稳定性的影响 氯作为应用最为广泛的饮用水消毒剂，在保障饮用水卫生安全方面具有显著 效果。但是从上世纪7 0 年代研究发现卤代烃等消毒副产物对人体健康的危害后， 氯消毒工艺的优化就成为饮用水领域的研究热点；而近年来普遍关注的饮用水生 物稳定性稳定问题也对氯消毒工艺提出了更为严格的要求。 下图描述了管网系统中消毒剂氯、消毒副产物、有机应用基质a o c 以及管 网细菌四者之间复杂的联系。 图1 饮用水氯消毒、消毒副产物和生物稳定性的关系2 4 1 f i g 1r e l a t i o n s h i pa m o n g c h l o r i n ed i s i n f e c t i o no fd r i n k i n gw a t e r ，d i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t sa n d b i o - s t a b i l i t y 2 4 j 由上图可见，一方面，氯对水中细菌等微生物具有杀灭作用，可抑制管网细 菌再生长：另一方面，氯可与水中有机物进行反应，生产氯化消毒副产物如三卤 甲烷、卤乙酸等，同时将一部分有机物氧化分解成易于生物利用的小分子成分 1 4 青岛理工大学工学硕一f ：学位论文 a o c ，而研究发现卤乙酸等消毒副产物具有较好的可牛化性，亦可视为a o c 的 一部分；而水中易生物利用组分浓度的增加，则会促进管网细菌的再生长过程。 因此，采用氯消毒工艺，对管网水质生物稳定性具有双重效应：当余氯值较高时， 对细菌再生长抑制作用显著，同时对有机物的氧化作用也愈强；随着余氯的衰减， 其杀灭能力减弱，而氧化生成的a o c 则会促进细菌再生长。 1 4 2 氯胺消毒对生物稳定性的影响 氯胺是由次氯酸和氨在水中反应生成的系列产物，饮用水环境下起主要作用 的是一氯胺。氯胺的氧化能力弱于氯，其与水中物质的反应更为温和，意味着其 在水中的衰减较为缓慢，持续消毒能力更持久；相应地，氯胺与有机物的反应相 对更弱，可降低消毒副产物的生成量，亦可减少氧化生成a o c 和b d o c 的量。 因此，氯胺对保障饮用水生物稳定性具有比氯更好的效果。如叶劲2 5 】在研究成 都市第六水厂的原水、出厂水及管网水中a o c 浓度变化情况时，发现用氯胺取 代液氯进行消毒可使自来水中的a o c 浓度明显降低。 1 5 研究内容与研究方法 1 5 1 研究内容 传统的氯化消毒工艺对水中有机物组成影响较大，可能导致消毒副产物及 可生物利用有机物的生成；同时，消毒剂在管网中的持续消毒能力与微生物再生 长密切相关。本文针对这些局限性，研究余氯衰减的影响因素，探讨氯和氯胺对 生物稳定性的影响，以形成保障生物稳定性的技术路线。 主要研究内容包括： ( 1 ) d o c 、p h 、温度、初始氯质量浓度对工艺出水中余氯以及总氯衰减的 影响，确定氯衰减系数与各因素之间的关系； ( 2 ) 余氯，总氯衰减和b d o c 的关系 ( 3 ) 投氯点与投氯方式的优化 ( 4 ) 管网细菌再牛长控制 采用a r 反应器作为实验单元，考察在不同氯投加量工况下微生物的控制情 况，确定工况下最佳氯投加量。 青岛理工大学_ 1 ：学硕士学位论文 1 5 2 研究方法 本文将采用理论与实践相结合的研究方法，通过“课题目标分析研究方 案设计重点水质指标测试技术研究实验室小试消毒工艺优化 形成课题研究结论”的研究路线，循序渐进地开展课题研究。其中重点关注的水 质指标包括：d o c 、b d o c 、游离余氯和总氯等；主要在实验室进行余氯衰减影 响因素温度，p h 值，d o c ，初始氯质量浓度等参数的确定，用动态a r 反应器 来模拟输水管道系统，最终完成本文针对饮用水消毒优化的整体目标。 1 6 一一 青岛理 大学工学硕上学位论文 第2 章实验概况 2 1 实验装置 常规取水工艺流程： f e c l 3 滦河水上卜 二萝至) 巾堑垂堕卜 多p - 至垂卜出水 实验所取水样为图2 、3 、4 中所示的实验装置的产水。 图2 微滤实验装置照片 f i g 2p h o t oo f m i c r o f i l t r a t i o ne x p e r i m e n te q u i p m e n t 图3b a c 实验装置 f i g 3 p