（环境工程专业论文）配水管网中细菌再生长的研究与预测.pdf

中文摘要 管网中的细菌再生长及其所带来的问题目益得到了人们的关注和重视，本文 以某高校校园管网为研究对象，系统、深入的研究了配水管中细菌再生长现象的 预测及其控制措施。 在对细菌再生长的机理及影响因素分析的基础上，并结合水质测定的需求， 制定了校园管网的水质监测方案。为了解微生物指标的潜在生长趋势，本文创新 性的将细菌总数和大肠杆菌的培养时间延长为7 2 小时。通过对十个监测点长时 间连续取样、检测和分析研究，取得了大量的水质资料，对管网水质有了一定的 了解，同时对个水质指标与细菌再生长的相关关系也有了定性的认识。 通过对因变量自身及各种统计分析方法的使用条件进行分析，选用线性回归 和l o g i s t i c 回归进行预测，然而前者结果并不理想。然后创新性的选用l o g i s t i c 回归模型并结合主成分分析法对细菌总数( h p c ) 这一二分变量的超标概率进行 预测。该模型是运用s a s 统计软件的a n a l y s i s 模块来实现的。首先，运用l o g i s t i c 回归的逐步选择法对原变量进行回归，得到了一个单变量( 仅含铁) 的预测模型。 在将模型判别概率设为0 5 或0 8 5 时，其预测精度均在9 0 以上。为消除各个 指标之间的共线性，又对原变量进行主成分分析，以分析得到的前几个主成分为 自变量建立了主成分l o g j s t i c 回归预测模型。与前一模型比较该模型更能体现 细菌再生长的机理，预测精度也令人满意，都在9 0 以上。但两者都可以应用于 实际，且效果较好。视具体情况，恰当的选择上述两个模型，对细菌超标的概率 做出准确的预测，就能够更精确的指导实践，从而达到水质预警的作用。 最后，指出了配水管网水质预测的必要性，并结合细菌再生长现象产生的原 因，从提高水处理措施、控制管道腐蚀、冲洗管网以及加强管网二次供水设施的 管理等方面提出输配管网细菌再生长的控制措施， 关键词：配水管网细菌再生长水质预测l o g i s t i c 回归控制措施 a b s t r a c t b e c a u s et h ed i s a d v a n t a g er e s u l to fb a c t e r i a lr e g r o w t h ，p e o p l eh a v eb e e nb e g a nt o e o n c e i na b o u tt h er e g r o w t ho fb a c t e r i ai nw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a ne x a m p l eo f t i a n j i nu n i v e r s i t yd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ep r o b l e mo fb a c t e r i a l r e g r o w t ha n dr e s t r a i n i n gm e a s u r e si nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i s ma n di n f l u e n c i n gf a t o r so fb a c t e r i a l r e g r o w t h ，w ee s t a b l i s h e dt h et e s t i n gs c h e m e i no r d e rt ol e a r nt h ep o t e n t i a lt r e n do f g r o w t h ，t h ep a p e re x t e n dt h ec u l t u r et i m eo fh p ca n dc o l i f o r mt o 7 2 h r a f i e rt h e c o n t i n u o u ss a m p l i n ga n da n a l y s i s ，w eo b t a i n e dal o to ft h ed a t aa b o u tt h ew a t e rq u a l i t y a n dk n o w e dt h ew a t e rq u a l i t ya n dt h ec o r r e l a t i o na m o n gt h ew a t e rq u a l i t yd a t a b ya n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr e s p o n s ev a r i a b l ea n dt h ea p p l y i n gc o n d i t i o n so f s t a t i s t i c a lm e t h o d s ，t h ep a p e rc h o s el i n e a rr e g r e s s i o na n dl o g i s t i cr e g r e s s i o nm o d e l i t t u r n e do u tt h a tt h ef o r m e rd i d n ta c h i e v ear e a lr e s u l t t h el o g i s t i cr e g r e s s i o ni sf i tf o r t h et w ol e v e lr e s p o n s ev a r i a b l e ( h p c ) w h i c hi sa c h i e v e db yt h es a ss t a t i s t i c a l s o f t w a r e f i r s t l y , r e g a r d i n gp r i m a r yw a t e rq u a l i t yd a t aa st h ee x p l a n a t o r yv a r i a b l e s ， g a i nas i n g l ev i a b l em o d e l ( o n l yi n c l u d i n gf e ) b yt h es t e p w i s es e l e c t i o n ，w h i c hh a sa e x c e s sp r e c i s i o no f9 0 w h e nt h ed e t e r m i n a n tp r o b a b i l i t yi ss u p p o s e d0 5o r0 8 5 ，i n o r d e rt oe l i m i n a t et h ec o l i n e a r i t ya m o n gw a t e rq u a l i t i e s ，t h ep a p e ra p p l i e dt h e p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s ( p c a ) t ot h ep r i m a r yw a t e rq u a l i t yd a t a ，t h e ne s t a b l i s h a n o t h e rw a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e l ，i nw h i c ht h et h r e ep r i n c i p a lc o m p o n e n t sa r e r e g a r d e da st h ee x p l a n a t o r yv a r i a b l e s c o m p a r e dt ot h ef o r m e r , t h el a t t e rc a nm o r e a c c u r a t e l ye m b o d yt h em e c h a n i s mo fb a c t e r i a lr e g r o w t ha n da l s oh a v eag o o d p r e c i s i o n i nc o n c l u s i o n ，c o n s i d e r i n gt h er e a s o n so fb a c t e r i a lr e g r o w t h ，t h ep a p e rp o i n t e d o u tt h es i g n i f i c a n c e so fw a t e rq u a l i t yp r i d i c t i o n t ，a n db r o u g h tf o r w a r ds o m em e a s u r e s p r e v e n t i n gb a c t e r i a lr e g r o w t h ，w h i c hi n v o l v e de n h a n c i n gw a t e rt r e a t m e n t ，c o n t r o l l i n g e r o s i o n ，f l u s h i n gp i p e l i n e sa n dr e i n f o r c i n gm a n a g e m e n t e t e k e yw o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，b a c t e r i a lr e g r o w t h ，w a t e rq u a l i t y p r e d i c t i o n ，l o g i s t i cr e g r e s s i o nm o d e l ，c o n t r o l l i n gm e a s u r e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂或其他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。 学位论文作者签名：耋衲华 签字日期： 咖。专年 f 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：童i 畔 导师签名 签字日期：伽心年 j 月2 d 日 签字日期：伊。歹年1 月毛日 胆彳 第一章概述 1 1 课题的提出及研究意义 第一章概述 自从2 0 世纪3 0 年代，美国在未经加氯消毒的给水管网中发现细菌再生长现 象以来，管网中细菌的再生长及其所带来的问题日益得到了人们的关注和重视。 城市管网与其输送的水构成一个庞大复杂的“反应器”，经水厂处理合格的水， 在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降，所以合格的出 厂水在经过配水管网的转输过程到达用户时，水质就不一定符合国家生活饮用水 标准了。通过原水进入到配水系统中的微生物，由于系统压力的变化，将在浓度 和多样性方面经历一个变化，原水经过处理，其微生物负荷将会降低，但随着离 水厂距离的增加，许多系统都会经过一个细菌数目增加的过程，这一过程被定 义为细菌再生长1 2 l 【”，并被认为是许多配水系统的主要问题。 细菌在给水管网中的繁殖再生长有两个主要的含义：首先是指细菌漏过水的 净化处理，进入管网，从而引起管网内细菌数量的增加；其次就是指细菌在管网 中的自身繁殖。细菌在给水管网中繁殖，使供水水质恶化，加速了管网的腐蚀， 存在水中的某些病原性微生物，即使含量很少，只要有单个病原体进入人体就会 使人感染患病，他们对人的危害比饮用水中的微量有机污染物更大。 饮用水水质对人体健康的影响主要包括两个方面：微生物风险和化学风险。 微生物风险主要是由饮用水中的水生致病菌引起的，通过饮用水传播病原的微生 物主要有细菌、病毒、原生动物和肠虫等；饮用水的化学风险是水中一些人工合 成有机物如杀虫剂、除草剂、农药以及氯化消毒副产物等对人体健康的威胁。 在就饮用水的水质展开调查时，用户时常对水的味道、嗅味或外观表示不满。 在对北美1 6 0 所公用事业公司的调查中发现，其中4 4 的配水系统在水的味道 和嗅昧方面出现问题，而在色度和浊度方面有问题的配水系统占4 3 ；近来还 有5 提及异养菌平板计数有所上升，3 无法妥善保持余氯。这些调查结果表 明，水质在配水系统中确实有所下降。 微生物在管道中形成低p h 值或者高浓度腐蚀性离子的微区( m i c r oz o n e s ) ， 导致发生氧化过程或腐蚀产物的去除及保护膜的脱落，硫酸盐还原菌及铁细菌在 腐蚀中作用较大，硝酸还原菌及产甲烷菌也有作用。管网水中无余氯，特别是“死 水端”余氯消失，细菌性腐蚀最易发生，管垢或腐蚀产物多的地方问题较多。 第一章概述 一些研究者 4 1 对国内3 4 个主要城市资料的统计，地面水水厂出厂水水质基本 稳定的占2 1 ，腐蚀性的占5 0 ，轻微结垢的占2 9 。地下水水厂出厂水基本 稳定的约占5 0 ，有腐蚀性的占3 0 ，轻微腐蚀性的占2 0 。对占全国总供水 量4 2 4 4 的3 6 个城市调查，出厂水平均浊度为1 3 度，而管网水增加到i 6 度； 色度由5 2 度增加到6 7 度；铁由o 0 9 m l 增加到0 1 l i n g l ：细菌总数由6 6 c f u m l 增加到2 9 2 c f u m l 。尽管如此，表1 1 表明全国自来水公司管网水质4 项指标的 平均合格率还是较高的，但可以看到，与微生物学相关的水质指标细菌总数和大 肠杆菌指数，其最低合格率很低，既管网中有细菌再生长现象的发生。为此，要 提高出厂水的水质稳定性，稳定管网水中的余氯，降低水中有利于细菌再生长的 营养物质( 可生化或可同化的有机碳和氨) 的浓度，设置管网水质自动监测仪器， 建立管网水质模型，进行水质预测，将有助于水质管理。 表1 - 1 全国自来水公司管网水水质合格率统计( ) 浊度；余氯细菌 大肠菌群 年份 最高l 最低 平均睁高震；平均 最高| 最低 均事高 最低砰均 1 1 9 8 9 年3 1 9 城市1 0 0 为1 0p 7 4 61 1 0 0 2 2 6 1 9 3 3 6 1 1 0 0 | 2 5 1 9 7 8 7 1 1 0 0l 8 4 27 7 9 5 1 9 9 5 年5 1 9 城市1 0 01 6 2 2 4 i 9 8 2 6 i 1 0 01 4 5 9 i 9 4 0 5 1 1 0 0 7 5 9 9 0 4 1 1 0 07 0 09 9 0 6 近年来的研究表明，出厂水中所含有机物是细菌在管网中滋生的必要条件。 人们认识到引起给水管网中细菌的重新生长和繁殖( 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残存的异养细菌生长所需有机营养基质，即可生物降解有 机物( a o c 或b d o c ) 。尽管给水处理厂通常通过加氯消毒杀灭病原菌，同时保 持管网末端一定的余氯量( 我国规定为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( 出厂水中细菌控制指标为 1 0 0 ( c f u m l ) 、总大肠菌 群控制为每1 0 0 m l 水样中不得检出) ；氯消毒后部分受伤细菌也会在管网中自我 修复，重新生长：同时换管和其他原因也会引起外援细菌进入管道。在管网水中 存在可生物降解有机物时，这些残存的细菌获得营养而重新生长繁殖，导致用户 水质变坏。给水管道表面、铁瘤和冲洗下来的颗粒沉淀物上已监测出细菌种属达 2 1 种。多数研究表明当有机物含量高时，即使保持很高的余氯，给水管道中仍 可以检出几十种细菌，除少数铁细菌和硫细菌外，主要是以有机物为基质的异养 菌。细菌在管网中的再生长问题越来越受到重视。 引起配水系统水水质的恶化的许多原因中，生物学现象由于其短期的公共健 康危害，无疑是很多研究的主题。尽管很高的异养细菌数量并不定会构成健康 第一章概述 危险，但却是某一特定管网遭受生物污染的标志，这一状态能够保护致病菌种 ”n ”。管网中生物膜的进化也会影响配水水质的其他方面，如味道和嗅味、大型 无脊椎动物的发展【7 】、色度和浊度的出现以及生物腐蚀现象【8 】的发生。因此，管 理配水管网就是要确保水质直到管网末梢，尽可能的保持不变。考虑到这一 点，实质性的问题就是要理解、描述和模拟导致配水系统水质变化的各种现象。 鉴于不同的相关现象的复杂程度，要考虑所有这些参数，就要利用数学模型来表 达。 要建立水质数学模型，必须研究水质在配水管网中的变化规律，并寻找相应 的控制措施改善管网水质，以达到保证用户水质符台国家生活饮用水卫生标准。 国内外给水专家已经越来越重视饮用水配水系统中水质变化研究，相应的对配水 系统中水质模型的研究也变得更加深入和逐步完善。与管网中的细菌再生长有关 的配水微生物学水质模型的研究，目前仍处于定性研究阶段，只有少量研究进行 了定量模拟。 1 2 国内外研究概况 配水管网中饮用水细菌质量的评价一直是最受关注的问题之一。管网中细菌 的繁殖与可利用的营养物质和余氯密切相关，因此，大多数学者对配水管网中微 生物学水质的研究也集中在这两个方面。早在1 9 8 0 年代，处理这一问题的研究 就已经开始了。他们试图建立细菌再生长与浊度、自由性的剩余消毒剂和温度的 相关关系【9 【”】，但相关系数都很低。水中异养微生物的生长引起了饮用水水质的 恶化1 ，增大了管道的腐蚀 1 2 】。说明水中一定有允许异养微生物生长可利用的 有机营养基质的供给。普遍认为配水管网中异养微生物的潜在生长能力与可同化 有机碳的数量有关，并进一步证明即使水中余氯量很高也不能完全消除细菌再生 长问题1 1 3 】。 饮用水中的有机基质被定量化为可同化有机碳( a s i m i l a b l eo r g a n i c c a r b o n ，a o c ) 。可同化有机碳( a o c ) 是易于被细菌同化并转换成细胞基质的 可降解性有机碳( d o c ) 的一部分。a o c 浓度越小，细菌再生长就越少发生。 a o c 的测定方法首先由v a nd e rk o o i j 1 4 1 提出，而后其他人”1 1 6 】又作了修改。这 一方法以荧光假单胞菌p 1 7 和螺旋菌n o x 为测试菌，以乙酸钠为标准基质，对 生长到稳定期的细菌进行平皿计数，将测得的结果相加作为总的a o c 。a o c 测 定中p 1 7 和n o x 的接种目前国外主要有两种方法：分别接种法f 1 5 j 【1 7 l f 1 9 】和同 时接种法【2 0 】剐。在国内，清华大学的刘文君、王亚娟等提出了第三种方法，即 第一章概述 先后接种法。 目前，大多数学者认为，配水管网中细菌的生长与a o c 浓度存在很大的相 关性，a o c 浓度是限制细菌生长的主要因素。但是，也有学者提出不同的看法。 如，g i b b s 2 3 1 等在1 9 9 3 年对配水管网中a o c 浓度和细菌数量进行了研究。他们 把可能对细菌数量普遍增长具有主要贡献的机理分为三个部分： 1 ) 休眠状态的细菌或在处理厂中受损害细菌的恢复； 2 ) 水中悬浮细菌的生长； 3 ) 管壁细菌的脱落。 通过研究发现生长和脱落对饮用水中细菌总数的贡献可以忽略不计，且大部 分来自水厂。他们还发现，配水系统平板计数的空间变化与余氯和停留时间有着 密切的关系，而在a o c 和停留时间之间，以及在a o c 和平板计数之间不存在 重大的相关关系。 h l y e h ，l 一c t s e n g 和wl l a i 在1 9 9 8 年对配水管网中的余氯和a o c 浓 度之间的关系进行了研究，并在台湾南部的三个水厂和配水系统进行了a o c 和 其他相关参数的监测。他们得到的结论是：当a o c 浓度在3 0 7 0 u g 乙酸碳l ， 自由余氯维持在大约1 0 m g l 时，配水系统中a o c 浓度变化很小，而且异养菌 平板计数( h p c ) 低于2 0 c f u m l 。然而，对a o c 浓度高于1 0 0 u g 乙酸碳l 的 系统，异养菌平板计数( h p c ) 值远远高于那些较低a o c 浓度的系统，即使自 由余氯维持在高于1 o m e c c 。也许这就说明，单单靠氯不能控制后生长。维持较 低余氯以减少消毒副产物的形成，同时不危及生物安全性将成为以后的趋势，所 以，更多的注意力应该集中在进入配水系统水的a o c 浓度。 国外学者对水质模型的研究较早，按所模拟的管网中的水力状态来划分，配 水管网水质模型分稳态水质模型和动态水质模型。从1 9 8 0 年w o o d 2 4 提出基于 稳态水力模型的水质模型后，整个8 0 年代是配水系统水质模型快速发展的时期。 到1 9 8 6 年，c l a r k l 2 5 1 等发展了一个能够在时变条件下模拟水质变化的模型， o r a y m a n l 2 4 等在1 9 8 8 年也提出了一个类似的水质模型。这些模型大部分使用了 “扩展时段模拟( e p s ) ”方法。实际上，这些模型应该称作准动态模型，因为 它们没有模拟由于流速快速变化造成的惯性影响。完全动态和考虑发散的模型由 i s l a m 和c h a u d h r y ( 1 9 9 5 ) 圳, 及a x w o r t h y 和k a r n e y l 2 6 】提出来了，而扩展时段模拟 还是目前实际中广泛采用的最先进的方法。 配水系统微生物学水质模型研究的范围是细菌等微生物在配水系统中的再 生长问题，目前处于定性研究阶段，只有少量研究进行了定量模拟。p h p i r o u s ，s d u k a n ，y l e v i 和p a j a r r i g e 等【27 j 研究了p i c c o b i o 软件，来预测配水管网中的 细菌变化( 可繁殖的和全部的细菌) ，图卜1 描述了这一具体过程。这个模型考 第一章概述 虑到了： 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 被悬浮细菌和固定细菌消耗掉的可利用的营养物质的去向，在假定只 有碳作为细菌生长限制因子的条件下【28 1 ，这些可利用的营养物质通过 可同化有机碳( b d o c ) 的方法 2 9 j 来决定； 温度对细菌动态的影响： 衰老、破裂等细菌的自然死亡； 由于氯消毒剂的存在，而导致细菌的死亡，这种作用对自由细菌和固 定细菌的作用是有差别的。死亡率考虑了因水的p h 值不同而导致的 氯的不同存在形式( h c l o c l o 。) ： 在p h 值、温度、水利条件和管材的影响下，氯衰减的动力学【3 0 】。 流速 卜停留时间 净生长 图卜l 模型的相关因素 该模型用不同的数学方法表达出悬浮细菌和固定细菌的区别，并把反应发生 的位置分为溶液中、水和生物膜交界面、生物膜内三个部分： 1 ) 氯引起的悬浮细菌死亡率的表达式 j r 。( 【( j l ： ) = 爿。( 1 - e x p ( 一( 器) ) ) u n t c l 2 】 c l ：】。( 1 - 1 ) 其中：k 。( c l ：】) = 悬浮细菌菌死亡率，a 。，a ，b = 常量， c z ：】i 氯的浓度 【c z ： l i m = 对细菌作用的氯限制浓度。 第章概述 2 ) 水和生物膜交晃处细菌分离速率是常数 d e t a c h m e n t = k d h e z ( 1 - 2 ) 3 ) 生物膜内分离系数 a e t a c h m e n t = k d 一，。蠹- z 仆 其中，茁“分离速率稀疏，瓯：生物膜中营养物质浓度，e ：生物膜厚度， z 生物膜中集中细胞的密度，心。，：最大消耗速率，k 。：m o n o d ：半饱和系数。 这一模型已经用p i c c o l o 软件和s a 髓g e 水力计算模型1 3 l 】界面化，通过 p i c c o l o 产生的水力计算结果和数据配置来预测每个节点和管网每个环的细菌 数，提供了一种高效、简单的方法来可视化管网的水质变化，使得对水质变化和 管网运行影响的评价成为可能。这一模型也可以用来模拟各种不同尺寸和规模的 配水系统，并为管网管理策略提供建议。 国内对配水系统水质模型的研究开始较晚，大约在8 0 年代中后期才对配水 管网中的水质变化具有初步的认识和简单的研究。哈尔滨工业大学的赵洪宾教授 在研究管道内壁结构的基础上提出了“生长环”的概念，并通过现场实验推到了 余氯在配水管网中的衰减模型。直到9 0 年代末，国内才在理论研究和现场实验 的基础上建立了为数不多的配水系统水质模型，哈尔滨工业大学的吴文燕博士 3 2 】f 3 3 在1 9 9 7 年承担了中国国家自然科学基金项目一“城市配水管网水质监控的 理论研究”，通过学习借鉴国外经验及在沈阳市现场采集数据，提出了一种配水 系统的水质模型。考虑到水质模型存在的精度等多种因素，引入了离散时间点的 左右极限，并对管网系统中的主要构件进行了分析。哈尔滨工业大学的李欣博士 9 4 j 也对余氯衰减模型和消毒副产物的前驱物质进行了较深入的研究。但是，这些 模型几乎没有应用到实际生产中，也就没有发挥经济效益和社会效益。而且，直 到现在对管网水质模型的研究投入和研究力度也是远远不够的，和国外存在一定 的差距。 在过去很长一段时间里，饮用水配水系统水质模型的研究集中在余氯衰减动 力学表达式上，通过对实验室或现场数据的拟合模拟余氯在配水管网中的变化规 律。这主要是因为余氯指标易于监测，而且能够较好的反映水质状况。余氯衰减 动力学表达式的研究已经较为深入，而且现在还在发展。最近，对配水系统生物 稳定性的研究已经成为配水系统水质模型研究的新方向。这主要是因为，近来水 源水受到不同程度的有机物的污染，导致配水管网中的生物稳定性受到破坏，细 第一章概述 菌大量繁殖。配水系统生物稳定性的研究尚处于探索阶段，有待于进一步地深入 研究和探讨，这个领域的研究将对了解和控制配水系统水质具有重大意义。 1 3 课题主要研究内容 l 、选择确定研究的区域，根据管网大小、结构形式、水流方向、管材及铺 设年代等，设置水质监测点进行取样； 2 、确定分析指标，通过现场和实验室化验分析，研究管网中细菌再生长的 现象； 3 、在对实验数据进行系统分析的基础上，对细菌再生长的机理及影响因素 进行研究，找出影响细菌再生长的关键因素； 4 、通过确定管网中细菌与其他水质指标的相关关系，进而建立细菌再生长 的水质预测模型； 5 、最后，用实测的水质数据对所建水质模型进行考核验证。 本研究拟分三个阶段进行：第一阶段主要是查阅文献资料，确定课题，制定 试验方案，进行试验。通过对国内外水质资料的收集、整理与分析，确定了研究 内容，选定某高校校园管网为本课题的水质研究区域，通过对其配水管网上设置 的9 个检测点及校外个监测点的水样进行现场测试和实验室实验来获取配水 管网水质数据。所测的水质指标主要包括温度、浊度、余氯、总氯、n 0 3 、n 0 2 、 n h 3 - n 、b r 、f e 、u v 2 5 4 等理化常规指标，以及细菌总数( h p c ) 、大肠杆菌数 和a o c 等微生物学指标。 第二阶段主要是对第一阶段所获得的实验数据进行系统分析，并确定管网中 细菌与其他水质指标的相关关系，初步建立细菌再生长的水质预测模型。首先， 对细菌再生长的机理及影响因素进行分析。其次，对天津大学校园内管网的水质 状况进行了分析，确定其基本的水质状况并寻找细菌总数与其他水质指标的相关 性。最后，通过回归分析法建立细菌再生长预测模型，并对其进行优化。 第三阶段就是要用所测得水质数据验证模型的正确性并进行预测。并在此基 础之上，结合实际情况提出可能的预防或控制措施，最终达到提高供水安全可靠 一i 生的目的。 第一章概述 1 4 课题研究的技术路线 本课题的研究按以下技术路线进行 本课题的研究按以下技术路线进行 图卜2 课题研究技术路线 第二章细菌再生长的机理及影响因素 第二章细菌再生长的机理及影响因素 掌握细菌生长繁殖的条件、影响因素及规律对细菌再生长的研究和预测模型 的建立均有重要意义。 2 1 细菌的生长繁殖 2 1 1 细菌再生长的有关术语介绍 欧洲学者习惯用再生长( r e g r o w t h ) 解释输配水系统中平板法培养生长的异养 菌( h p c ) 的增殖，而美国学者一般用再生长( r e g r o w t h ) 和后生长( a f t e r g r o w t h ) 描述 输配水系统中大肠菌数量的增加。很多情况下，饮用水中大肠菌数量增加的原因 不明，用事件( e p i s o d e ) 或偶发事故( o c c u r e n c e ) 对此加以说明比较合适。本课题沿 用欧洲学者的说法，即再生长专指异养菌( h p c ) 的增值。 b r a z o s 等提出，再生长应该是指那些通过灭菌处理后的受损细菌在输配水系 统内修复生长，后生长则是管壁附生细菌或外源性输入细菌污染水体。这种区分 是不严格的，因为两种生长都涉及细菌数量增加和水质下降。 c h a r a c k l i s 等认为，处理不彻底( b r e a k t h r o u g h ) 和生长( g r o w t h ) 是输配水系统 中细菌的两个主要来源。如果处理不彻底，会有较大量的细菌通过净水设备而进 入输配水系统，这与经常发生的暴发性水体传染病直接相关。生长系指细胞繁殖 而导致输配水系统中细菌数量增加。在水中有机或无机基质比较丰富的情况下， 生长现象比较严重。调查管道内水流的营养状况对控制系统内细菌的生长现象至 关重要。 生物膜( b i o f i l m s ) 由微生物、微生物代谢产物和碎屑在有机或无机表面沉积 形成。生物膜可出现在任何一种基质表面，其分布可能是均匀的，也可能是斑块 状随机生长。 在生物膜生长过程中，首先是微生物和营养物质运输到界面并发生积累，随 着微生物的增殖和细胞外化食物的分泌，生物膜逐渐形成。进入衰老期后，生物 第二章细菌再生长的机理及影响因素 膜不断从附生表面脱落。 膜的形成速率与管材的表面理化性质、表面粗糙度、发生粘附的微生物的生 理特征等密切相关。水力冲刷作用等则是使生物膜从附生表面脱落的重要因素。 细菌在流动的寡营养水体( 如生活饮用水) 中粘附到表面的生态优势表现在 ( 1 ) 大分子化合物往往在固一液界面聚集，从而形成有利于细菌生存的适宜环境： ( 2 ) 流水不断将各种营养物质输送给附着生长的微生物；( 3 ) 有助于细菌附生到表 面的各种细胞外聚合物( e p s ) 可能有吸收水中营养物质的功能；( 4 ) 包埋在细胞 外聚合物基质中的细菌受保护而使消毒剂失效。正是由于这些生态优势，水中大 部分细菌都生长在固一液界面。 2 1 2 细菌生长繁殖的条件 1 充足的营养：必须有充足的营养物质才能为细菌的新陈代谢及生长繁殖 提供必需的原料和足够的能量。主要是水，无机盐类、蛋白质、糖类等。有的细 菌还需要血液、血卵黄、各种氨基酸及某些生长因子( 主要是维生素b 族化合物) 。 2 适宜的温度：细胞生长的温度极限为7 9 0 。c 。各类细菌对温度的要 求不同，可分为嗜冷菌( p s y c h r o p h i l e s ) ，最适生长温度为( i o 。c 2 0 。c ) ；嗜温 菌( m e s c l p h i l e s ) ，2 0 。c 4 0 。c ；嗜热菌( t h e r m o p h i l e s ) ，在高至5 6 。c 6 0 生 长最好。病原菌均为嗜温菌，最适温度为人体的体温，即3 7 ，故实验室一般 采用3 7 培养细菌。 有些嗜温菌低温下也可生长繁殖，如5 冰箱内，金黄色葡萄球菌缓慢生长 释放毒素，故食用过夜冰箱冷存食物，可致食物中毒。 3 合适的酸碱度：在细菌的新陈代谢过程中，酶的活性在一定的p h 范围 才能发挥。多数病原菌最适p h 为中性或弱碱性( p h 7 2 7 6 ) 。人类血液、组 织液p h 为7 4 ，细菌极易生存。胃液偏酸，绝大多数细菌可被杀死。个别细菌 在碱性条件下生长良好，如霍乱孤菌在p h 8 4 9 2 时生长最好；也有的细菌最 适p h 偏酸，如结核杆菌( p h 6 5 6 8 ) 、乳本乡杆菌( p h 5 5 ) 。细菌代谢过程 中分解糖产酸，p h 下降，影响细菌生长，所以培养基中应加入缓冲剂，保持p h 稳定。 4 必要的气体环境：氧的存在与否和生长有关，有些细菌仅能在有氧条件 第二章细菌再生长的机理及影响因素 下生长；有的只能在无氧环境下生长；而大多数病原菌在有氧及无氧的条件下均 能生存。一般细菌代谢中都需c 0 2 ，但大多数细菌自身代谢所产生的c 0 2 即可满 足需要。有些细菌，如脑膜炎双球菌在初次分离时需要较高浓度的c 0 2 ( 5 1 0 9 6 ) ， 否则生长很差甚至不能生长。 5 湿度：细菌生长需要一定湿度，干燥对细菌有害。 6 渗透压：在细菌的营养物中常加入0 5 9 6 氯化钠，以维持环境中适宜的 渗透压。 2 1 3 细菌生长繁殖的方式与速度 细菌的生长繁殖包括菌体各组分有规律的增长及菌体数量的增加。 细菌以简单的二分裂方式无性繁殖，其突出的特点为繁殖速度极快。细菌分 裂倍增的必须时间，称为代时( g e n e r a t i o nt i m e ) ，细菌的代时决定于细菌的种 类又受环境条件的影响，细菌代时一般为2 0 3 0 分钟，个别菌较慢，如结核杆 菌代时为1 8 2 0 小时，梅素螺旋体为3 3 个小时。 2 1 3 1 细菌个体的生长繁殖 细菌一般以简单的二分裂法进行无性繁殖，个别细菌如结核杆菌偶有分枝繁 殖的方式。在适宜条件下，多数细菌繁殖速度极快，分裂一次需时仅2 0 3 0 分 钟。球菌可从不同平面分裂，分裂后形成不同方式排列。杆菌则沿横轴分裂。细 菌分裂时，菌细胞首先增大，染色体复制。在革兰氏阳性菌中，细菌染色体与中 价体相连，当染色体复制时，中价体亦一分为二，各向两端移动，分别拉着复制 好的一根染色体移到细胞的侧。接着细胞中部的细胞膜由外向内陷入，逐渐伸展， 形成横隔。同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细胞的胞壁，最后由于肽聚糖 水解酶的作用，使细胞壁肽聚糖的共价键断裂，分裂成为两个细胞。革兰氏阴性 菌无中介体，染色体直接连接在细胞膜上。复制产生的新染色体则附着在邻近的 一点上，在两点之间形成新的细胞膜，将两团染色体分离在两侧。最后细胞壁沿 横膈内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。 2 1 3 2 细菌群体生长繁殖规律 细菌繁殖速度之快是惊人的。大肠杆菌的代时为2 0 分钟，以此计算，在晟 第二章细菌再生长的机理及影响因素 佳条件下8 小时后，1 个细胞可繁殖到2 0 0 万上，1 0 小时后可超过1 0 亿，2 4 小 时后，细菌繁殖的数量可庞大到难以计数的程度。但实际上，由于细菌繁殖中营 养物质的消耗，毒性产物的积聚及环境p h 的改变，细菌绝不可能始终保持原速 度无限增殖，经过一定时间后，细菌活跃增殖的速度逐渐减慢，死亡细菌逐增、 活菌率逐减。 将一定数的细菌接种到适当培养基后，研究细菌生长过程的规律，以培养时 间为横坐标，培养物中活菌数的对数为纵坐标，可得出一条生长曲线( 图2 1 ) 。 婧彝时棚 扣h 迅疆期 b _ c 对羲生长期 c t 豫定期 d 吨衰退蛔 图2 1 细菌的生长曲线 细菌群体的生长繁殖可分为四期： 1 迟缓期( l a gp h a s e ) ：细菌接种至培养基后，对新环境有一个短暂适应 过程( 不适应者可因转种而死亡) 。此期曲线平坦稳定，因为细菌繁殖极少。迟 缓期长短因菌种、接种菌量、菌龄以及营养物质等不同而异，一般为1 4 小时。 此期中细菌体积增大，代谢活跃，为细菌的分裂增殖合成、储备充足的酶、能量 及中间代谢产物。 2 对数期( l o g a r i t h m i cp h a s e ) ：又称指数期( e x p o n e n t i a lp h a g e ) 。此期生长曲 线上活菌数直线上升。细菌以稳定的几何级数极快增长，可持续几小时至几天不 等( 视培养条件及细菌代时而异) 。此期细菌形态、染色、生物活性都很典型， 对外界环境因素的作用敏感，因此研究细菌性状以此期细菌最好。抗生素作用， 对该时期的细菌效果最佳。 燕鼓舞对戴 第二章细菌再生长的机理及影响因素 3 稳定期( s t a t i o n a r y p h a s e ) ：该期的生长菌群总数处于平坦阶段，但细菌 群体活力变化较大。由于培养基中营养物质消耗、毒性产物( 有机酸、h 2 0 2 等) 积累p h 下降等不利因素的影响，细菌繁殖速度渐趋下降，相对细菌死亡数开始 逐渐增加，此期细菌增殖数与死亡数渐趋平衡。细菌形态、染色、生物活性可出 现改变，并产生相应的代谢产物如外毒素、内毒素、抗生素、以及芽胞等。 4 衰亡期( d e c l i n ep h a s e ) ：随着稳定期的发展，细菌繁殖越来越慢，死亡 菌数明显增多。活菌数与培养时间呈反比关系，此期细菌变长肿胀或畸形衰变， 甚至菌体自溶，难以辩认其形。生理代谢活动趋于停滞。故陈旧培养物上难以鉴 别细菌。 体内及自然界细菌的生长繁殖受机体免疫因素和环境因素的多方面影响，不 会出现象培养基中那样典型的生长曲线。掌握细菌生长规律，可有目的地研究控 制病原菌的生长，发现和培养对人类有用的细菌。 2 2 细菌的再生长类型 饮用水中的细菌在不同条件下发生再生长，其主要再生长类型包括如下两 类：消毒剂的失败和水处理不彻底。其生长方式不同，相应的控制措施也迥然不 同。 2 2 1 消毒剂的失败 在消毒剂不能产生效应的输配水系统内，h p c 和大肠菌发生再生长。其治理 措施包括冲洗管网；补充消毒剂，使系统内各部分维持足够的消毒剂残余量；对 长距离管线可采取中途加氯的办法。另外，使用稳定性强的消毒剂也有利于控制 细菌的再生长。 选择适当的处理工艺，内涂衬管道或更新管道都可维持较高的消毒剂残余 量，能有效控制细菌再生长。 2 2 2 处理不彻底 如果处理不彻底，细菌通过净水设备后进入管网，导致h p c 或大肠菌检出 第二章细菌再生长的机理及影响因素 率高。 有些情况下，处理不彻底不易被察觉。例如，标准检验法不能培养出受损细 菌。但m c f e t e r s 等研究发现，这些受损细菌在输配水系统中生长一段时间后能 在r n e n d o 培养基上形成菌落，w a t e r 等也指出，受损大肠菌修复损伤后在生物 膜内生长。 现在市场上已有检测受损大肠菌的培养基( m t 7 琼脂) 销售，一些学者还对 其使用方法进行了探讨。这些工作有助于管理人员发现水处理过程中的生物问题 并及时采取措施。 附生在悬浮颗粒表面的细菌很容易通过净水设备而进入输配水系统。扫描电 镜观察发现，饮用水中1 7 的1 0 5 0 9 m 大小的颗粒表面附生有1 0 1 0 0 个细菌。 大量研究表明，细菌附生到大型无脊椎动物、无机悬浮颗粒、藻类等颗粒表面后， 其对消毒剂的抵抗能力增强，大大提高了存活并进入管网的概率。此外，悬浮颗 粒干扰用滤膜法检验水中大肠菌，附生在出厂水悬浮颗粒表面的大肠菌不易被检 出，难以使管理人员对水处理效果作出准确判断。 处理不彻底的危害是很大的，例如，在净水设备运行事故中进入输配水系统 的细菌的数量可能不多，但由于微生物繁殖的世代周期短且繁殖较快，一旦它们 发生再生长，则可导致水体微生物学卫生指标严重恶化。 对处理不彻底而导致的危害，消除污染源是根本的控制途径。利用选择性好 的培养基( 如m t 7 琼脂) ，增加调查面积和水样体积，采取措施将细菌与附生颗 粒分离等能提高对污染源的识别，应根据结果考虑对策。 2 3 细菌在输配水系统中的再生长现象 2 3 1 细菌在输配水系统中再生长的显微观察证据 大部分输配水管道内表面都有微生物生长。电镜观察发现，表面生物膜有几 个共同特征：( 1 ) 坚硬而多孔的表面；( 2 ) 多层品格结构：( 3 ) 微生物多分布在近 表面；( 4 ) 很多微生物形态相似，表明在生物膜表面有生长现象发生。 用x 射线能量扩散装置对输配水管道内表面进行微分析。结果表明，管道腐 第二章细菌再生长的机理及影响因素 蚀成分包括f e 、c a 、s i 、p 、a 1 和s 等。这些以铁为主要成分的腐蚀瘤表面有很 多裂缝，为微生物提供足够的附生点并起到良好的保护作用。 a l l e n 等从七个自来水公司收集样品后进行分析。根据鉴定结果，硅藻、藻 类、丝状和杆状细菌是生物膜中最常见的微生物。他们认为，生物膜中微生物丰 富，现行标准检验法可能在很大程度上低估了输配水系统内微生物的数量。 r i d g w a y 和o l s o n 则发现细菌斑块状随机分布在样品表面。这些零星生长的 菌落的形态学差异很大，既有杆菌，也有连成链状的球菌，还有丝状和带柄菌。 其中一些细菌通过丝状附属器官粘附到管壁。 由于( 1 ) 源水化学和生物性质不同；( 2 ) 净化效果差异；( 3 ) 输配水系统的使 用年限，材料组成和维修状况；( 4 ) 样品收集和预处理过程等有别，微观研究的 结果不完全一致。但所有收集到的资料都表明，微生物容易附生到输配水管道表 面。值得研究的是，尽管微生物在各种输配水管网中都发生再生长，但大肠菌只 在某些系统中出现严重的再生长现象。 2 3 2 细菌在输配水系统内再生长的培养证据 从输配水管道