（环境工程专业论文）城市输配水系统二次供水中微生物的分布规律研究.pdf

摘要 二次供水设施水质污染的问题普遍存在于我国城市供水系统中，其中细菌再 生长带来的问题日益得到了人们的关注和重视。本文以某高校校园内采用二次供 水的小区为研究对象，对其配水水质进行了监测，系统、深入的研究了二次供水 系统中细菌生长分布规律，并建立了细菌总数的预测模型，提出了对二次供水系 统细菌生长繁殖的控制措施。- 本研究在二次供水小区和位于管网末梢的某高层建筑内共设置了6 个监测 点，对1 7 项水质指标进行了检测，取得了大量的水质数据，分析了各个监测点的 水质变化规律以及地下水池对配水水质的影响。采用r 2 a 培养基取代常规的平板 计数琼脂( p c a ) 进行细菌总数计数，在一定程度上解决了平板计数存在的检出数 目偏低的问题，分析了二次供水系统中细菌的分布规律以及各水质指标对h p c 的 影响。另外，在小区某建筑不同楼层设立监测点，分析了单体楼内水质情况，并 在实验小区进行了加密实验，研究了小区内水质随时间变化规律。 在对所监测指标进行相关性分析的基础上，选取了与h p c 相关性较高的总余 氯、浊度0 总铁、u v 2 5 4 、氨氮作为输入，h p c 作为输出，建立了三层b p 神经网 络细菌总数预测模型，分别对常规指标对h p c 的预测、监测点之间互相预测和地 下水池入口对小区内监测点h p c 的预报进行了模拟，所建立模型能够较好的模拟 管网中h p c 的变化趋势，但是由于神经网络易陷入局部最小的缺陷，造成了定量 预测中出现部分预测值误差过大，因此本研究按照水质标准规定的细菌总数 1 0 0 c f u i n l 为界限，对二次供水系统中细菌总数是否超标进行了预测，结果表明 利用神经网络建立的模型能够达到较高的预报精度。 在水质分析、对细菌生长繁殖规律深入研究的基础上，从提高水厂出水水质、 市政管网管径和材质的选择、二次供水设施的选择、改造和管理等方面，提出了 二次供水系统中细菌生长繁殖的控制措施。 关键词：二次供水h p c水质模型b p 神经网络细菌再生长控制 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fw a t e rq u a l i t yp o l l u t i o ni ns e c o n d a r yw a t e rs u p p l ys y s t e m s ( s w s s ) i sv e r yc o m m o ni nc h i n a ，a n dp e o p l eh a v eg i v e nm o r ea t t e n t i o n st ot h e m i c r o b i o l o g i c a lw a t e rq u a l i t y a na r e aw i t hs w s si nac a m p u sw a sc h o s e nf o rt h i s s t u d y b ym o n i t o r i n gt h ew a t e rq u a l i t y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h er u l e so fb a c t e r i a l r e g r o w t ha n dd i s t r i b u t i n g i ns w s s ，e s t a b l i s h e dab a c t e r i a lp r e d i c t i n gm o d e l ，a n dt h e n p o i n t e do u tm e a s u r e st op r e v e n tr e g r o w t ho fb a c t e r i a 6m o n i t o r i n gs i t e sw e r es e ta n d17w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e d a g r e a td e a lo fw a t e rq u a l i t yd a t aw a sg a i n e d w i t ht h i sd a t a ，w ea n a l y z e dt h ec h a n g e s o fw a t e rq u a l i t yi ns w s s ，a n dt h er e a s o n sh o wc i s t e r na f f e c t e do nh p c i nt h i sa r t i c l e r 2 ac u l t u r em e d i u mw a su s e df o rt h ep l a t ec o u n ti n s t e a do fp l a t ec o u n ta g a r ( p e a ) ， i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a th p ci su n d e rt h er e a ln u m b e ru s i n gp c a i tw a s s t u d i e dt h a tt h er u l e so fb a c t e r i ad i s t r i b u t i n gi ns w s s ，a n dh o wo t h e rp a r a m e t e r s a f f e c t e dh p c i na d d i t i o n ，w es e t3m o n i t o r i n gs i t e sa td i f f e r e n tf l o o r sa i m i n gf o r s t u d y i n g w a t e rq u a l i t yi nt h i sb u i l d i n g d e n s ew a t e rs a m p l i n gw a s m a d et os t u d yh o w t h ew a t e rq u a l i t yc h a n g e sa l o n gw i t ht i m ei nt h ec h o s e na r e a b a s e do nt h er e l a t i v i t yo ft h e s ep a r a m e t e r s ，w ec h o s et o t a lr e s i d u a lc h l o r i n e ， t u r b i d i t y ，f e ，u v 2 5 4a n dn h 3 - na si n p u t ，h p ca so u t p u t ab pn e u r a ln e t w o r km o d e l w i t h3l a y e r sw a se s t a b l i s h e dt op r e d i c th p c w eu s e dt h i sm o d e lt op r e d i c th p cw i t h o t h e rp a r a m e t e r s ，p r e d i c th p co fas i t ew i t ht h ed a t ao fo t h e rs i t e s ，a n dp r e d i c th p c o ft h em o n i t o r i n gs i t e sw i t ht h ed a t ao ft h ec i s t e me n t r y t h i sm o d e lc a ns i m u l a t et h e t r e n do fw a t e rq u a l i t yv a r i a t i o nw e l l n e u r a ln e t w o r kc o u l dg e ti n t op a r t l ym i n i m u m e a s i l y , s oh p cw a sp r e d i c t e da sq u a l i f i c a t i o no rd i s q u a l i f i c a t i o na c c o r d i n gt ow a t e r q u a l i t yc r i t e r i o n ( 10 0 c f u m 1 ) t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep r e d i c t i o ne f f e c to fb p n e u r a ln e t w o r km o d e li sg o o da n dt h ep r e c i s i o ni ss a t i s f y i n g b a s e do nt h ea n a l y s eo fw a t e rq u a l i t yv a r i a t i o na n dt h er u l e so fb a c t e r i ag r o w t h ， s o m em e a s u r e sw e r eb r o u g h tf o r w a r df o rp r e v e n t i n gb a c t e r i ar e g r o w t hi ns w s s ， 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 ，t h ec h o i c eo fp i p ed i a m e t e ra n dm a t e r i a l ， a n dt h ec h o i c e ，a l t e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fs e c o n d a r yw a t e rs u p p l ys y s t e m s k e yw o r d s ：s e c o n d a r yw a t e rs u p p l y , h p c ，w a t e rq u a l i t ym o d e l ，b pn e u r a l n e t w o r k ，b a c t e r i a lr e g r o w t hc o n t r o l l i n g 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，也不包含为获得鑫盗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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多阮场 签字目期： c 7 年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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。 1 ( 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：多也螽臻 导师签名： 签字日期：叼年月矽日 鼢譬 签字日期：夕年月吖日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的提出与研究意义 第一章绪论 二次供水，是指用水单位将城市公共供水或者自建设施供水，经过储存加压 或深度处理后，由供水管道或专用管道向用户供水的方式。 随着城市大型建筑的日益增多，建筑给水工程也向着大水量、高水压的方向 发展，致使二次供水系统日益增多，然而随之而来的是二次供水系统污染严重， 饮用水水质下降，各种严重的水质污染时有发生，大大影响了人们的身体健康， 随着人们生活水平提高，与水质要求越来越高的矛盾日益突出。 在供水过程中，水经过净水厂的严格净化，在进入管网时各项指标都必须达 到国家生活饮用水水质标准。但是二次供水过程中，由于水在水箱中停留时间过 长等原因，水中的各种微量化学物质在水箱中进行反应，不稳定的水逐步产生微 量的化学性沉淀，向水箱中注水时，由于水流冲击而产生浑浊水或红水现象：水 中微生物聚集时，产生异臭，使水质变坏，同时，大量微生物的生存，使得水中 自由余氯大量消耗，从而导致微生物的繁殖和增加，水箱的渗漏及人为的污染源 进入水箱等，产生了一系列的水质二次污染。 二次供水设施污染水质的问题也已经相当严重，1 9 9 0 - 1 9 9 8 年北京市发生水 污染事故8 8 起，其中2 9 起因二次供水污染引起【。国家供水检测站重庆二次供水 检测站提供的资料表明【2 】，二次供水后余氯合格率仅为5 2 ，细菌总数合格率为 9 2 ，大肠杆菌合格率为8 5 ，浊度为9 5 。同时根据对全国9 0 座大中城市自 来水公司和卫生防疫站管理部门的调查结果，水厂出水四项重点指标，全年综合 合格率平均值为9 8 7 3 ( g b 5 4 9 - 8 5 ) ，但经城市供水管网及居住区配水支管输出 后，用水点的水质四项指标全面综合合格率下降到8 0 9 4 。承明华f 3 】等对6 0 起污 染事故进行了统计，结果表明污染类型主要分为生物性和化学性污染，6 0 起中有 4 4 起为生物性污染，占7 3 3 ，住宅小区占总污染数的3 5 ；化学性污染占2 6 7 ， 主要发生于企事业单位，占总数的1 6 7 ，其中8 0 发生在化工厂内。饮用水在输 送蓄贮加压过程中出现的水质污染，对人体健康与安全造成的危害是巨大的，特 别是2 0 0 3 虱 2 0 0 5 年间世界范围爆发了两次流行病，s a r s 和禽流感，而病菌又很容 易依靠水系统传播，使得人们对供水安全更加关注。 在水体二次污染中，与微生物学相关的水质指标细菌总数和大肠杆菌指数， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 其合格率很低，即管网中有细菌再生长现象的发生。在引起配水系统水质恶化的 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一定会构成健康危险，却是某一特定管网遭受生物 污染的标志，这一状态能保护致病菌种 4 1 【5 1 ：管网及水箱中生物膜的进化也会影 响水质的其他方面，如味道和嗅味、色度和浊度、大型无脊椎动物的发展，以及 生物腐蚀现象的发生。 为确保二次供水水质，就要理解、描述和模拟导致配水系统水质变化的各种 现象，对水质进行监测和预测，实现此目标最重要的是要建立水质预测模型，而 后与水力模型相结合开发相应的计算机程序，对供水管网的水质进行预测，当水 质异常时做到反应及时，避免重大水质事件发生，确保用户用水安全。 要建立水质模型，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，保证用户水质符合国家生活饮用水卫生标准。国内外都非 常重视对供水水质变化的研究，相应的对配水系统中水质模型的研究也变得更加 深入和完善。 1 2 二次供水水质污染的原因 引起管网水水质下降的主要原因有： ( 1 ) 出厂水质 目前；我国水源普遍遭受到污染，富营养化现象严重( 藻类和有机物含量较 高) ，水源水经水厂常规工艺处理后仍有有机物存在，出厂水经配水系统传输时， 在管道中会发生复杂的物理、化学、生物作用而导致水质变化。 出厂水质包括两个方面，一是水质的合格率，二是水质的稳定性。水质的合 格率可用卫生部2 0 0 1 年颁布的生活饮用水卫生规范判定，一般大的自来水公 司都能达标，水质的稳定性包括化学及生物稳定，化学不稳定会腐蚀管道，生物 不稳定会使细菌繁殖。 ( 2 ) 管道材质及腐蚀、结垢和沉积物 给水管网使用铸铁管、钢管等金属管材时，水在通过未经涂衬的金属管道、 配件、水箱的流动过程中，由于化学和电化学作用往往会对管道内壁造成较严重 的腐蚀，产生大量的铁、锰、铅、锌等金属锈蚀物；出厂水中一般还带有一定的 致浊悬浮物，低流速时，可能导致沉积；同时，管道中生物凝聚吸附性也可能使 水中悬浮物沉积。其次，生活饮用水中含有一定浓度的金属离子，如钙、镁、铁 等，这些金属离子在供水管网内达到一定浓度后，随着水的p h 值、余氯量等因 素的变化，沉积在管道内壁上，造成管道内壁结垢。管道内壁的锈蚀、结垢必将 天津大学硕士学位论文第一章绪论 导致水中余氯衰减加速，色度、浊度等指标明显增大。当管道内水流速度、水压 突然变大或方向突然改变时，就会造成短时间的水质恶化，甚至出现“红水、 “黑水 等水质事故。腐蚀物及污垢对水质的危害程度与系统投入使用的年限有 关，年限越久对水质的污染也越严重。 ( 3 ) 水箱材质、容积和结构 水箱材质一般有钢筋混凝土、玻璃钢和钢板等，普通钢板水箱加工安装方便， 但极易锈蚀，对水质影响较大【6 】。上世纪8 0 、9 0 年代建设的高层建筑中使用的 二次供水水池，大部分为钢筋混凝土材料，混凝土是一种以硬化水泥砂浆为基础 的石质材料，其对水质的影响，本质上就是水泥对水质的影响。水泥是一种或多 种岩石材料经过煅烧成为熟料，磨细后能够与水化合，生成的具有有凝胶作用的 含水化合物，对水中的p h 有较大的影响。孟秀花等【7 】对比了混凝土、塑料、玻璃 钢、不锈钢和陶瓷材质的贮水箱中水质的变化，在相同的实验条件下，细菌总数 最大值依次为混凝土 塑料 玻璃钢 不锈钢 陶瓷，出现最大值所需天数依次 为陶瓷 不锈钢 玻璃钢 塑料 混凝土。 - 水箱在设计上总是存在着一部分死水区域，这里往往成为微生物、细菌和虫 类等的孳生地。有资料表明，当水在水箱中滞留时间较短时，除铁质水箱中铁、 锰含量略有增大外，一般理化指标和毒理学指标无明显差异。但自来水在水箱中 贮存2 4h 后，余氯为零，特别是在夏季水温较高，水中余氯含量迅速减少，1 2h 后即为零。若贮水停留时间超过1 2h ，水中细菌很快繁殖，不宜直接饮用【8 1 。 以往的高层二次供水水箱大多采用生活水箱与消防水箱并用，水箱容积大， 箱内水流动十分缓慢，尤其是消防安全级别较高的建筑物，消防储水量要求很大， 相当于居民5 1 0 天的生活用水量。由于自来水在水池内滞留的时间过长，形成 死水，余氯消失，细菌、大肠杆菌等指标明显增加，整个水体就形成了二次污染。 ( 4 ) 二次供水设施老化，带病服役 由于二次供水管理资金不到位，致使供水设备年久失修。以天津市为例，在 调查中发现，目前运行的4 6 2 套变频供水设备中，使用l o 年以上的设备得不到 正常的保养维护，带病运行的就有1 1 6 套，占2 5 ，设备基本上已丧失了供水能 力；还有部分设备已被擅自停用，给居民吃水带来困难；甚至部分单位违规操作， 私自把市政供水管网与二次供水系统对接，造成供水管网管理混乱，不但造成水 质污染，而且给国家和企业造成经济损失。 ( 5 ) 管理不善 目前水箱在管理方面存在许多问题，比如在设计规范中明确要求水箱要定期 清洗，但是在实际运行中很少做到这一点，一般只是在入住前进行刷洗，经防疫 站验收合格后投入使用，从此以后便很少进行维护和清洗。屋顶水箱的密封性能 天津大学硕士学位论文第一章绪论 差也是一个不可忽视的因素，据介绍，个别屋顶水箱内有许多杂物，甚至有闲杂 人员用其洗澡，水箱底有厚厚的淤泥状物质等等，严重影响了水箱内的水质，致 使水箱成了一个严重的、人为的“污染源”。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 水质模型的发展历史 二次供水水质污染问题，很早就受到了人们的重视，并开始了研究，一是制 定严格的饮用水卫生标准进行限量控制和严格的管理措施，二是研制和开发有效 的控制技术措施防治二次污染。 为实时、全面地了解整个管网各管段的水质情况，许多研究者利用先进的计 算机技术，建立监测水质的数学模型，使该模型不仅可以观察监测点处的水质情 况，还可以根据这些点的有效数据，推测出管网其它各处的水质情况，跟踪给水 管网的水质变化，从而评估出给水管网系统的水质状况。 目前的配水管网水质的研究主要集中在两个方面：化学方面研究和微生物方 面研究，当然，部分研究是把这两个方面结合在一起。化学方面研究最多的是余 氯在配水管网中的衰减，其次是消毒副产物在配水管网中的增长；微生物学方面 研究较多的是细菌再生长，近年来对有机营养物质的研究越来越多。建立微生物 学水质模型并不一定要求结果百分之百的可靠，而是作为一种工具来支持我们所 要获得的检验结果，微生物预测模型模拟出来的结果在某种情况下，可以有助于 提高实验设计并能预测结果的范围，并在给定的置信度范围内结果是可靠与可信 的。 国外学者对配水管网水质变化规律及水质模型的研究起步较早，开始于上世 纪七、八十年代，国内对水质模型的研究起步较晚，直到九十年代末才建立了几 种配水系统水质模型。水质模型是建立在管网水力模型基础上的，按照模拟系统 的水力状态，配水系统水质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型【9 】。 1 9 8 0 年w o o d 首先提出了供水管网水质模型的概念，他分析了稳态下管网 中的水质分配问题，此后其他的研究者对稳态下的水质模型进行了扩充，直至动 态水质模型开始使用。稳态水质模型仅能够提供周期性的评估能力，对管网水质 预测缺乏灵活性。动态模型则是模拟各种水力条件随时间变化的管网中，指标物 质在不同的时间和空间分布中的变化情况。1 9 8 6 年，c l a r k e lo 】等发展了一个能够 在时变条件下模拟水质变化的模型。l i o u s 和o n 【1 1 】提出了一种可计算配水管 网水中物质的衰减和生长的模型，它以时间和位置函数的形式给出了物质的浓 天津大学硕士学位论文第一章绪论 度。r o s s m a n 1 2 】等提出了用离散体积元素法( d v e m ) 进行管网水质模拟。 c h a u d h r y 和i s l a m 1 3 】提出了一个计算机模型，利用一个组合系统方法来计算非稳 定流状态下组分在流经管段时的传播和衰减，强调分析管网系统首先要确定初始 稳定状态条件，然后对一个控制方程作数值积分来计算缓变流状态下的相关参 数。 这些模型的提出提高了对配水系统发生的动态水质变化和复杂过程的认识， 可对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。但是水质模型预测直接依赖于系 统水力模型，不准确的水力模型将导致整个水质模拟过程的失败。 国内大约在8 0 年代中后期才对配水管网中的水质变化有了初步认识和简单 的研究，哈尔滨工业大学的赵洪宾教授通过现场实验推导出了配水管网中的余氯 衰减模型。吴文燕博士【1 4 】【1 5 】提出了一种配水系统的水质模型，引入了离散时间 点的左右极限，并对管网中的主要构件进行了分析。李欣博士【l6 】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。但是目前国内外研究的配水系统 水质模型中可以应用于实际的为数很少。 1 3 2 微生物学水质模型 目前许多研究者关注于模拟配水系统中微生物的生长、分布规律，建立微生 物生长的相关模型。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，细菌大量繁殖，影响供水水质。但与建 立其他模型相比，建立微生物学模型存在许多难点，主要表现为以下几个方面【1 7 】： ( 1 ) 微生物细胞与外界生化或环境条件改变的相关反应复杂而且知之甚少： ( 2 ) 微生物的生长具有特定生物变异性的特点； ( 3 ) 微生物计数的准确性低，模型不得不建立在这种不精确的数据基础上； ( 4 ) 微生物的活性改变依赖于生长条件的改变，不同生长条件导致微生物 的活性受到抑制或变异的程度不同。 科学工作者一直以来都尝试着从机理上来描述微生物生长过程，从而了解微 生物生长过程的内在规律。事实上，利用机理模型来描述微生物生长过程是一项 艰巨而又复杂的任务，因为微生物生长过程具有非线性、时变性和非稳态性等特 性。目前基于守恒定理( 物料平衡和能量平衡) 建立的如生长动力学模型、物质消 耗动力学模型和产物形成动力学模型在一定程度上较好地反映了系统内部各状 态间的联系，但是求解这些数学模型并不容易，模型中往往存在着某些反映体系 细胞生长、分泌产物等生物机理参数，它们往往是不可测的，也难以用简单明了 的式子表示，求解时需要作出不少假设，并需要利用数理统计的回归或寻优技术 等处理，这就会削弱模型的准确性。同时，一些经验公式模型被提出来，经验模 天津大学硕士学位论文第一章绪论 型是以一定的理论为基础，并进行适当的简化假设，结合经验和实际数据推导出 来的，在一定条件下经验模型具有相当高的模拟精度，但是其只适用于一定的范 围，外推能力差，随着人们对生化产品质量要求的提高，对模型精度也提出了更 高的要求。 由于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集中在这两方面。早在上世纪8 0 年代，有 的学者就试图建立细菌再生长与浊度、自由性剩余消毒剂和温度的相关关系，但 相关系数很低【18 1 。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 1 9 】等研究了 p i c c o b i o 软件，用于预测配水管网的细菌变化。s a m 2 0 】等建立了一个饮用水管 网中细菌生长的动力学模型，他们认为温度和b d o c 是对管网中微生物生长的 限制因素。s j e y a m k o n d a n 2 1 】等应用人工神经网络的方法建立了微生物生长模 型，用于食品中微生物的预测和风险评价。 1 4 课题主要研究内容 本课题通过对选定实验小区进行水质监测，分析各水质指标的变化规律及其 相关关系，找出影响细菌总数的水质指标：建立管网细菌总数的预测模型，为水 厂及供水管理部门提供可靠的信息，以保障供水安全。具体内容如下： ( 1 ) 选定研究区域，设置监测点，确定水质监测指标，分别进行现场和实验 室水质化验。本课题选定北方某高校校园为研究区域，选择其中的某一学生宿舍 小区和一高层建筑为二次供水水质研究的对象，共设置了6 个监测点，所测的水 质指标主要包括：温度、浊度、总余氯、自由余氯、f e 、u v 2 补t o c 、n h 3 - n 、 n 0 3 一、n 0 2 一、c 1 一、s 0 4 2 - 等理化指标，以及细菌总数( h p c ) ； ( 2 ) 分析实验管网常规水质指标的变化规律及各水质指标间的相关关系，评 价小区二次供水的水质状况； ( 3 ) 确定二次供水管网中影响细菌再生长、分布的关键影响因素，建立细菌 总数预测模型； ( 4 ) 使用实测水质数据对所建细菌总数预测模型进行验证； ( 5 ) i , - t 论解决二次供水水质污染的措施，及控制配水管网细菌再生长的方法。 天津大学硕士学位论文第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 2 1 细菌的生长繁殖 细菌在适宜的环境条件下，不断吸收营养物质，按照自己的代谢方式进行新 陈代谢活动，正常情况下，同化作用大于异化作用，细胞不断增长，这叫做生长。 当细菌细胞个体生长到一定程度时，由一个亲代细胞分裂为两个大小、形状与亲 代细胞相似的子代细胞，使得个体数目增加，这是细菌的繁殖，此种繁殖方式称 为裂殖【2 2 1 。细菌一般以此种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，条件适宜时，大部分细菌繁殖速度极快，世代时间一般仅 为2 0 - 3 0 分钟。 我们肉眼看到或接触到的细菌已不是单个的，而是成千上万个细菌组成的群 体。细菌群体的生长繁殖可分为四个阶段【2 3 】： 时间 图2 - 1 细菌生长曲线 ( 1 ) 迟缓期( l a gp h a s e ) ：细菌接种到培养基处于一个新的生长环境，在 一段时间里并不马上分裂，细菌的数量维持恒定，或增加很少。此时胞内的r n a 、 蛋白质等物质含量有所增加，细菌并非处于完全静止的状态。如果接种量适中、 群体菌龄小( 对数期) 、营养和环境条件适宜，停滞期就短，世代时间短的细菌， 其停滞期也短。该阶段，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 ) 对数生长期( l o g a r i t h m i cp h a s e ) ：细菌经过迟缓期进入对数生长期， 并以最大的速率生长和分裂，细菌数量呈对数增加，而且细菌内各成分按比例有 籁苌蛊籁橱器 天津大学硕士学位论文第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 规律地增加。对数生长期细菌的代谢活性、酶活性高而稳定，大小比较一致，生 命力强。 ( 3 ) 稳定生长期( s t a t i o n a r yp h a s e ) ：由于营养物质消耗，代谢产物积累和 p h 值等环境变化，逐步不适宣于细菌生长，导致生长速率降低直至零( h p 细菌分 裂增加的数量等于细菌死亡数量1 ，结束对数生长期，进入稳定生长期。稳定生 长期的活细菌数最高并维持稳定。 ( 4 ) 衰亡期( d e c l i n ep h a s e ) ：随着营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量 积累，细菌死亡速率逐步增加，活细菌逐步减少，标志进入衰亡期。该时期细菌 代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶。该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在 衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低。 2 2 细菌再生长对水质的影响 尽管出厂水经过加氯消毒大部分微生物已经被杀死，并且维持一定的余氯量 以保证水在输送过程中的水质，但是在用户处的水质细菌学指标合格率仍然下降 很多，主要表现为【2 4 】： ( 1 ) 大肠杆菌的再生长繁殖： ( 2 ) 耐氯微生物( 如藻类) 的滋生：细菌和病毒可被这些藻类微生物的凝 胶状藻膜包围，免受氯的氧化；此类微生物的分泌物和尸体产生新的有机污染物， 消耗水中余氯，为细菌等的生长提供了营养源，有利于细菌的再生长繁殖； ( 3 )自养型铁细菌的繁殖：铁细菌能将亚铁吸收到细胞内氧化成高价铁， 从而获得能量，并将高价铁排出形成f e ( o h ) 3 ，铁细菌在生存期间能排出超过其 自身体积4 9 9 倍的f e ( o h ) 3 ，因此铁细菌不但会造成水质细菌学指标超标，而且 会加速管道的腐蚀，使水的浊度和色度增加； ( 4 ) 硫转化细菌的繁殖：当水中有还原性硫存在时，就会造成硫磺和硫化 细菌的繁殖，将还原性硫氧化成硫磺和硫酸；当水中有氧化态硫存在时，会造成 硫酸还原菌的繁殖； ( 5 ) 硝化与反硝化细菌的繁殖：硝化细菌是自养型细菌，当水中有氨和氧 存在时，亚硝化细菌把氨氧化成亚硝酸，再经过硝化细菌的进一步氧化成为硝酸， 使水中的p h 值降低；反硝化细菌多为异养并兼性的厌氧菌，当水中存在硝酸盐 且处于缺氧( d o 7 5 时，次氯酸 会大量电离产生次氯酸根离子，从而降低了氯的杀菌效果：部分细菌或大肠杆菌 在管网中能自我修复，重新生长。所以即使是保持较高的自由氯( 3 - 5 m g l ) 或氯胺( 3 - 4 m g l ) 也难以控制细菌的再生长，而且加氯量过高还会引起氯化 消毒副产物的生成，对人体健康造成威胁，因此，仅靠增加余氯来控制管网的细 菌生长是不可取的。 2 3 2 4 颗粒物的影晌 j 水中颗粒物易成为细菌生长的载体，并降低氯对细菌的杀灭作用。出厂水中 剩余的铁或铝的化合物能沉积在管壁处，保护细菌免受氯的伤害。因此应严格控 制出厂水中颗粒物数量，有条件时可定时对管网进行冲洗。 2 3 2 5 腐蚀和沉积物积累的影响 输配水管道内腐蚀干扰消毒剂的灭菌效率，氯在管壁一水界面与亚铁离子发 生如下反应： 2 f e ( i - i c 0 3 ) 2 + c 1 2 + c a ( h c 0 3 ) 2 2 f e ( o i - i ) 3 + c a c l 2 + 6 c 0 2 若铁以化合物形式存在，游离氯与之发生反应的活性较化合性氯强。生物膜 积累来自金属管材的亚铁离子，因此，自由余氯运输到生物膜后不仅与细胞外聚 多糖反应，同时消耗亚铁离子，降低自由余氯含量。 沉积物和碎屑在输配水管道内发生积累为细菌提供良好的生长环境，也使细 菌免受消毒剂作用。冲洗或机械清除可除去吸附在管壁的沉积物和管瘤。一般情 况下，冲洗或除垢后应适当提高氯的投加量，以杀灭冲洗下来的细菌，防止生物 污染扩大并提高水质。 2 3 2 6 水力因素的影响 有研究表吲3 9 】：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，可以使运动细菌从水中迁移到管壁表面生存；另外在水 流速度很小或相对静止的管道内，直径小于0 1 l a m 的细菌可通过布朗运动可逆地 移向管壁。 管网中水流速度对细菌生长的影响有以下几个方面：增加流速可以将更多的 天津大学硕士学位论文 第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 营养基质带到管壁生物膜处，有利于细菌的再生长：管道内水流不畅，消毒剂消 耗速度快，微生物易发生再生长，从而导致水质恶化；管内的湍流不利于细菌的 着生，水流骤开骤停可使管壁生物膜冲刷下来，使水流中细菌量急剧上升。 2 4 给水管网细菌再生长机理 给水管网以及二次供水过程中细菌再生长的机理，可按以下两方面进行研 究：一是水处理工艺，二是细菌自身的适应能力以及抵抗能力。， 2 4 1 水处理工艺原因 ( 1 ) 处理不彻底：由于水厂的工艺设计以及运营管理中存在的不足或事故 的出现，使得水厂出水中有机物、悬浮颗粒和微生物等去除不彻底。处理不彻底 时，附生在悬浮颗粒上的细菌很容易通过净水设备进入管网，导致h p c 微生物 或大肠菌检出率高，扫描电镜观察发现，饮用水中1 7 的1 0 - 一1 5 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的大肠菌，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。 虽然处理后的水体中的细菌数量不多，但是由于细菌繁殖的世代周期短，并 且未被去除的有机物质进入管网后，为细菌的再生长繁殖提供了营养物质，都会 促进管网中细菌的再生长。 ( 2 ) 消毒剂失败：在长距离输配水过程中，消毒剂逐渐被消耗，直至降到 有效杀菌浓度以下，在消毒剂不能产生效用的输配水系统中，h p c 细菌和大肠 菌发生再生长，通过补充消毒剂，使系统内各部分维持足够的消毒剂残余量，使 用稳定性强的消毒剂也有利于控制细菌的再生长。选择合适的处理工艺，使用内 涂衬管道或更新管道都可维持较高的消毒剂残余量，有效控制细菌再生长。 ( 3 ) 水力停留时间过长：在管网的末端或是采用水箱、地下水池进行二次 供水的区域，由于水力停留时间过长，造成消毒剂衰减严重，甚至降为零，在这 些区域细菌的繁殖速度加快，水质恶化。 2 4 2 细菌自身的适应能力及抵抗能力 细菌细胞不断地受到经常变化的环境条件的挑战，细菌对变化的环境主要会 天津大学硕士学位论文 第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 产生两种反应【4 0 】：一是逃离环境( 包括死亡) ，二是以自组织行为来适应环境。 细菌可以主动趋向或趋避环境，从而应对环境的变化，当处于不利环境时， 细菌会发生形态变化以迅速扩散到有利的环境中，重新开始生长繁殖。长期处于 不利环境时，细菌可以通过调整体内的代谢过程或改变细胞结构，甚至可吸取环 境中其它细菌释放的遗传信息【4 l 】，使其自身在极端环境条件下仍能进行正常的生 命活动，并逐步形成与环境相对应的独特结构、机能和遗传因子，从而表现出对 环境变化的高度适应性。 经过水厂处理后，给水管网中的水所含营养物质已相当低，对细菌的生长来 说是寡营养环境，不利于细菌的再生长，但是管网水体中的细菌具有其特性能够 在这种环境中生存。能在低营养条件生存的细菌常称为贫( 寡) 营养细菌，寡营养 细菌不是独特和专有的细菌类型：某些寡营养细菌通过适应或突变成为富营养 型，而某些富营养细菌也可耐受饥饿而表现出寡营养细菌的某些特征【4 2 1 。 ( 1 ) 对营养基质的利用更充分 长期存在于寡营养环境中的细菌对可利用基质有较大的亲和力，能够充分利 用水中的有机物，并且，寡养菌还可以通过对二次基质的利用，去除浓度极低的 痕量难降解有机物；寡养细菌具有显著的从大气中摄取营养物质的能力，以利用 大气中的微量碳、氮源来维持正常的生长。 ( 2 ) 细菌的体积缩小，比表面积增大 寡养生境中的细菌具有独特的饥饿生存适应方式，可在很短时间内急剧减小 其细胞体积和通过内源呼吸来减少营养需求，而细菌的总数不变。 ， 同时，由于基质浓度非常低，寡养细菌不仅仅通过被动的扩散渗透和主动运 输收集有用的基质，为了最大限度地收集基质，更加有效地捕捉有机物，寡养细 菌细胞的表面积与体积之比都非常大，在形态上，可变成不同于繁殖体的纤细状 细胞，其长度可达到正常繁殖体的几倍甚至几十倍。 ( 3 ) 管网中细菌多以生物膜形式存在 管网中细菌通常吸附大量的颗粒状物质或是附着在管壁上形成生物膜，从而 得到一定的保护：一是因为颗粒物质表面有细菌生长所需的营养素如有机物等； 二是因为细菌可附着在载体表面四处扩散，以在更大范围寻找营养物质；三是以 生物膜存在时细菌可以最大限度地相互依赖，共享有限的营养物质维持种群生 存；四是生物膜能在一定程度上保护细菌免受消毒剂的作用，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，可有效地富集水流中的 有机物和颗粒物质，相对减轻了余氯对生物膜表面附着细菌的伤害，另一方面， 表面细菌具有生态位优势，生理活性较强，再加上长期的贫营养锻炼，因而具有 较强的抵抗自由余氯毒性的能力。 天津大学硕士学位论文 第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 ( 4 ) 管网内细菌的抗毒性 管网中的细菌能在加入消毒剂的水体中生存，是因为其对消毒剂有抗性【4 3 1 。 细菌的对消毒剂的抗性与其生长条件、胞外分泌物及其形成的荚膜有关，与 高营养基质相比，贫营养基质下生长的细菌具有较高的抗性，生长于贫营养生境 中的肺炎军团菌与营养琼脂中生长的细菌相比，前者的抗性是后者的6 - - 9 倍之 多，在贫营养基质下生长的有荚膜和无荚膜的肺炎克雷伯氏菌株，对自由余氯的 抗性分别增加了3 倍和2 倍1 4 3 1 ，其原因可能与细菌在贫营养、有消毒剂存在下细 胞的形态结构与内含物的变化有关。r u d d 等发现贫营养、有余氯条件下，细菌荚 膜物质主要以胶体形式的聚合物存在，而高速生长条件下的荚膜物质多处于溶解 状态；b e r g 等推测抗性的增加可能是由于细胞膜的渗透性较低；o l s o n 等发现对 氯敏感和具抗性的小肠结肠炎耶尔森氏菌，在细胞蛋白组成上存在差异【4 3 1 。此外， 很多研究表明细菌的抗性也可因细菌附着于物体表面而增强，颗粒物质、管壁等 的表面对附着于其上的细菌有保护作用，群集的细菌或其生物膜具有很强的抗余 氯性，生物膜龄增加，抗性也增加。 细菌的抗性还可能源自于环境中的d n a ，研究发现【4 1 1 ，几乎所有的活细菌 都可向环境主动分泌或因细胞死亡裂解而释放d n a ，这些遗传信息可被感受态 细菌( 不利的生长条件是细菌形成感受态的重要生理基础) 获得，细菌一旦获得 合适的基因，其所能利用的环境中的营养物质的范围有可能扩大，或者获得抵抗 生长抑制因子( 如消毒剂、抗生素等) 的能力，从而能继续生存繁衍下去。 2 5 小结 通过阅读大量相关文献资料，进行整理总结，本章系统、全面地对给水管网 中细菌再生长现象进行了讨论。首先，介绍了给水管网中细菌生长繁殖的方式、 条件和影响因素；其次，对给水管网及二次供水过程中细菌再生长的机理进行了 分析研究，为建立二次供水中细菌分布预测模型奠定了基础，也为二次供水细菌 再生长控制措施的提出提供了依据。 输配水管网及二次供水中细菌的再生长会对水质产生严重的危害，影响细菌 再生长繁殖的因素很多，主要有： ( 1 ) 环境条件：水温可能是细菌在输配水管网内再生长的最重要控制因素， 温度除了影响细菌的生长速度之外，还会影响细菌的滞留期及产量，并且会直接 或间接作用于消毒剂的扩散和灭菌效果等。另外，降水会将营养物和细菌带入水 体中。 ( 2 ) 水体营养物质的影响：细菌在生长过程中必须从外界环境中摄取营养 天津大学硕士学位论文第二章配水系统细菌再生长机理及其影响因素 以满足物质合成和能量代谢需要。水体中的营养物质包括碳源、氮源、矿质元素 和生长因子。 ( 3 ) 管网水中的余氯水平、颗粒物质、水力条件以及腐蚀和沉积物的积累， 都是细菌再生长的影响因素。 造成细菌再生长的原因可归纳为： ( 1 ) 现行水处理工艺方面的不足：包括处理不彻底、消毒剂失败和水力停 留时间过长。 ( 2 ) 细菌自身的适应能力和抵抗能力：细菌可以主动趋向或趋避环境，以 应对环境的变化，由于管网水的寡养环境，使得其中生长的细菌具有了特殊的生 理特性，比如管网内细菌对营养基质的利用更充分，细菌的体积缩小、比表面积 增大，多以生物膜形式存在，对消毒剂具有一定的抗性。 天津大学硕士学位论文第三章管网水质监测与水质分析评价 第三章管网水质监测与水质分析评价 3 1 实验背景介绍 3 1 1 研究区域供水管网概况 根据课题的研究目的和要求，经过认真细致的调研，综合考虑了实际管网的 客观条件以及现场实验的可操作性，本实验选定华北某高校校园管网为本课题的 水质研究区域，该高校现有人口五万多人，学校占地约1 2 平方公里，其配水管 网有六条输水管线( 见附录1 ) ，管径分别为d n l 5 0 、d n 3 0 0 、d n 2 0 0 、d n 2 0 0 、 d n 4 0 0 、d n 3 0 0 ，现状总用水量为9 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 m 3 d 。目前校园用水主要由隶属 于市自来水公司的某水厂供给，该水厂于1 9 6 3 年开始建设，总设计能力5 0 万m 3 d 。 本研究区域管道布设比较密集，通过管网平差可知，许多管道的流速都很低。自 来水入校后在管道中停留时间较长，水质发生变化与管道的腐蚀程度密切相关。 在对校园管网水质进行了总体分析后，选取校园内某新建学生公寓小区为二 次供水细菌分布的研究区域( 见附录2 ) ，该小区共有宿舍楼5 栋，均于2 0 0 3 年 至2 0 0 4 年间建成投入