（环境科学与工程专业论文）南京市饮用水水质调研暨饮用水生物稳定性研究.pdf

i n v e s t i g a n o no n 煳r q u a l i t y o fn 心j i n gd r i n n g ，a t e ra n dr e s e a r c ho nb i o l o g i c a l l ys t a b l e d r i n n g 煳r g r a d u a t e ：c h e ny a - j u n s u p e r v i s o r ：p r o f l ux i w u s e n i o re n g i n e e rz h o uk e - m e i a b s t r a c t n 坨q u a l i t yo ft h er a ww a t e rf r o mt h ey a n g t z er i v e ri nn a n j i n gw h i c hi st h em a i nd r i n k i n gw a t e r g o u t c oo ft h i sc i t y , k e e p si ng r a d ei i - 1 i i , w i t ho n ei n d e x ，p e t r o l e u m ，o n l yr e a c h i n gt h es t a n d a r do fg r a d e i v u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，i ti sn e c e s s a r yt op c r f o ma n a l y s i so l lt h er a ww a t e r , o p t i m i z a t i o no nw a t e r t r c a t m o n tp r o c e s s e sa n ds t u d yo nb i o l o g i c a ls t a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r g a n i cr o a r e r si n r a ww a t e r , t h ep e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i s mo fb i o l o g i c a l l ye n h a n c e da c t i v a t e df i l t e r ( b e a f ) ，b i o l o g i c a l a c t i v a t e do a l b o n ( b a c ) f i l t e ra n dc o m b i n e dp r o c e s s e sw e r es t u d i e da i m i n ga ti m p r o v i n gb i o l o g i c a l s t a b i l i t yo f & i n k i n gw a t e r m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h ei n v e s t i g a t i o no fn a n j i n gr a ww a t e r ，w eg o tt h ec o n c l u s i o n ：t h eo r g a n i c sw h o s em o l e c u l a r w e i g h t sa r el e s st h a n1 k dc o m p o s e dal a r g ep o r t i o no f d i s s o l v e do r g a m cc a r b o n ( d o c ) i nt h el a ww a t e r f r o mt h ey a n g t z er i v e ri nn a n j i n g ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fd o c ，b d o ca n da o cw e t 2 1 6 2 m g l ， 0 6 2 7 m g la n d1 2 1 烬几r e s p e c t i v e l y mr e s u l t so fg a sc h r o m a t o g r a p h y - m a s ss p e c t r o m e t e r ( g c - m s ) s h o w st h a tt h e r ea r c6 5s p e c i e so fm i e r o p o l h t a n t t h em a i nm i c r o p o l l u t a n tc o m p o n e n t sa r ea l k a n e s ， l i p i d ，b e n z o d i a z i p i n e s , k e t o n ea n dp h e n o l sw h i c hc o n s t i t u t ea b o v e9 0 p r o p o r t i o no f t o t a l o r g a n i c s 啊1 er e s e a r c h0 1 1t w ob e a f s ，0 1 1 0f i l l e dw i t hc o l u m n a rc a r b o n , t h eo t h e rw i t hs p h e r i c a lc a _ r b o n i n c l u d e ds t u d yi nt h ei m p a c t so fe m p t yb e dc o n t a c tt i m e0 b c t ) i nt h ef o r m a lo p e r a t i o n a ls t a g e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h eo p t i m a le b c t , 1 0 m i n u t e s ，b a cf i l t e r s r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y , n h 4 + n ， c o d m na n du v 2 5 4w e l e9 8 ，8 6 2 7 a n dl3 r e s p e c t i v e l y n 圮r e s e a r c ho nt w ob a cf i l t e r s ，o l l ef i l l e dw i t hc o l u m n a rc a r b o n ，t h eo t h e rw i t hs p h e r i c a lc a r b o n i n c l u d e ds t u d yi m p a c t so fe b c zt h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h eo p t i m a le b c t , 13 5 m i n u t e s ，b a c f i l t e r s r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y , n h 4 + - n ，c o d a n du v 2 5 4 ，w e r e7 7 ，9 0 3l a n di 麟 r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt of e a t u r e so ft h er a ww a t e r , c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m so ft h ec o n v e n t i o n a lw a t e r t r e a t m e n tp r o c e s s ，e n h a n c e dc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sa n dc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n t + b a c p r o c 馏sw e r es t u d i e d , u n d e ro p t i m a lo p e r a t i n gm o d e s 1 h er e s u l t ss h o w e dt h a tf r o mc o n v e n t i o n a l p r o c e s st oe m h a n c e dc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s st h e nt oc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n t + b a c p r c c e s s ，t h er e m o v a lr a t e so fc o n v e n t i o n a li n d e x e si n c r e a s e dg r a d u a l l y c o n c e n t r a t i o n so fb d o ca n d a o ci nf i n i s h e dw a t e rf r o mt h ec o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sf a i l e dt om e e tt h ed e m a n df o r b i o l o g i c a ls t a b i l i t y t h ec o n c e n t r a t i o no fb d o c i nf i n i s h e dw a t e rf r o mt h ee n h a n c e dc o n v e n t i o n a lw a t e r t r e a t m e n tp r o c e s sw a sb e l o w0 2 m 比w h i l et h a to fa o cw a sa b o u t7 0 烬几a n dc o n c e n t r a t i o n so f b d o ca n da o cw e r e0 15 m g la n d6 0 i ，t g lr e s p e c t i v e l yi nf i n i s h e dw a t e rf r o mc o n v e n t i o n a lw a t e r t r e a t m e n t + b a cp r o c e s s k e yw o r d s ：i n v e s t i g a t i o n , w a t e rq u a l i t y , b i o l o g i c a ls t a b i l i t y , e n h a n c e dc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s ，c o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n t + b i o l o # c a la c t i v a t e dc a r b o np r o c e s s ，d i s s o l v e d o r g a n i cm a t t e r 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。 签名： 陧 日期：雄r c 7 关于学位论文使用授权的说明 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。 一阡黜名：艘丛华7 第一章绪论 1 1 水资源 第一章绪论 水是人类赖以生存的和从事生产不可缺少的资源，随着人口增长、经济发展及人类生活水平的 提高，人类对水的需求日益增长。水资源又是一种有限的，而且不可替代的宝贵资源，水是生态环 境的控制性因素之一，同时也是战略性的经济资源，水资源是一个国家综合国力的有机组成部分。 水覆盖着7 1 的地球表面，因此地球得到了“蓝色星球”的美称，全球的水总储量为 1 3 8 6 x1 0 一，其中9 7 5 左右为含盐的水，另外2 5 左右的淡水，总量约为3 5 0 0 万k o ，分布 在陆地、大气和生物体中，其中固态淡水占8 8 ，多储存在冰川、雪盖中，另外1 2 的淡水多数 是地下水，而可取用的河水、湖水以及浅层地下水等仅占全球水总储量的0 2 左右，这里面还包 括相当大一部分的苦咸水，人们可以直接取用的淡水，即从河流和湖泊中取用的淡水，只占 0 , 0 1 4 1 1 。 我国水资源总量为2 8 x 1 0 1 2 m 3 ，虽居世界第6 位，但人均水资源量为2 2 2 0m 3 ，为世界人均的 1 4 ，在世界1 5 3 个国家和地区的统计中，排名1 2 1 位，另外，我国水资源在区域分布上很不均匀， 特别是北方地区，耕地面积占全国的5 9 2 ，人口占全国的4 4 3 ，而水资源仅占全国的1 4 7 ； 由于我国处于东亚季风区，水量( 降水和径流) 年内和年际变化大，我国各地几乎每年都有旱灾发 生，以黄河流域最甚；全国有3 0 0 多个城市缺水，尤其是北方地区，几乎所有的城市都严重缺水， 如大连、天津、烟台、青岛人均水资源占有量都在2 0 0m 3 左右；全国占地面积大于5 0 0m 2 的岛屿 有6 5 0 0 多个，其中绝大部分属严重缺水。我国是全球人均水资源最贫乏的国家之一，然而，中国 又是世界上用水最多的国家。仅2 0 0 2 年，全国淡水取用量达到5 4 9 7 x 1 0 m 3 ，大约占世界年取用 量的1 3 ，约为美国1 9 9 5 年淡水供应量4 7 x 1 0 n m 3 的1 2 倍【1 1 。 从总体来看，中国水资源领域面临5 大挑战：水资源开发过度，生态破坏严重；城市供水集中， 供需矛盾尖锐；地下水过量开采，环境地质问题突出；水资源开发利用缺乏统筹规划和有效管理； 水资源污染严重，水环境日益恶化。 1 2 地表水环境的污染现状 人们生活用水、生产用水主要来自于地下水和地表水，其中地表水分布较为广泛，来源丰富且 利用较为方便，加之近年来由于地下水的过量使用，水位急剧下降，因而各种地表水源( 如江河、 湖泊、水库等) 已成为人们用水的主要来源，由于世界经济的持续发展，尤其是有机化工、石油化 工、医药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速增长，有机化合物的产量和种类不断增加，各 种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接进入水体，对地表水源造成了极大的危害，水源水质 也因此急剧下降。 1 2 1国外地表水环境的污染现状 在法国巴黎，郊区有三个水厂分别以不同河流当水源，出水供巴黎市区4 0 0 多万市民饮用。水 质字2 0 世纪6 0 年代末开始严重恶化，水中含有大量的有机物和氨。塞纳河、瓦兹河和马思河都不 同程度受到工业和城市污水以及农业污染，它们的总有机碳( t o c ) 均在5 m g l 以上，氨氮含量在 0 3 o 8 m g l 之间，三氯甲烷、邻苯二甲酸酯、四氯化碳、四氯乙烯等微量有机物含量较高，超过 了饮用水标准，致使水厂不得不在水净化处理中增加各种深度处理工艺，强化对污染物的控, i j t 2 j 。 德国的慕尼黑水厂以鲁尔河为水源，自2 0 世纪7 0 年代以来，水源水质严重恶化，水厂进水溶 解性有机碳( d o c ) 高达3 6 - , , s m g l ，氨氮含量在4 - - * m g l ，水厂采用的折点加氯工艺耗氯量高至 东南大学工程硕士学位论文 1 0 - 5 0m g l ，使出厂水中产生了大量的卤代有机物。检出的挥发性溶解有机氯( d o c l ) 为2 0 3 岭l ， 比原水提高了1 5 - 2 0 倍；同样是在德国，穿越其境内的莱茵河，2 0 世纪5 0 年代以前水质较好，河 水经过堤岸过滤后即可安全饮用，但5 0 年代后，河水不断受到各种化学物质的污染，河水经堤岸 过滤后，需进一步深度处理( 臭氧一活性炭) 才能饮用。7 0 年代的调查结果表明，水中的污染物 含量逐年增加，c o d e r 为1 6 2 2m g l ，硫化物为5 0 - 1 0 0m g m ，铁为0 弘lm g n ，磷为0 7 - - 2m g l 【引。 据1 9 8 9 年的报道，美国3 7 个州的地表水源中各类化学物质的浓度不断上升，1 9 个州约1 0 4 6 0 k i n 长的河流遭受到有毒化学物质的严重污染，c h a d i k 和g a r y 等人对美国7 个地表水源作了调查，结 果表明：总有机碳在5 8 1 6 7 m g l 之间，三卤甲烷前体物在3 1 3 1 0 8 7 1 x g l 之间，溴化物在 1 0 0 - 3 5 0 p g l 船t 2 j 。 日本大阪府淀州河，由于上游地区的经济发展和人口增长，自2 0 世纪6 0 年代以来水质下降， 氨氮的年平均值为0 9 m g l ，1 9 6 9 年以来提供淀州河水总量7 0 的琵琶湖，由于藻类大量繁衍，出 现了富营养化现象，水中产生了强烈的土腥味，2 甲基异莰醇( 2 - m m ) 和土臭素含量逐年增加， 给水处理带来了较大的困难吲。 1 2 2 国内地表水环境的污染现状 进入2 1 世纪，我国地表水的污染状况仍然没有得到根本改善，虽然国家各级政府采取了许多 措施来解决，但情况依旧不容乐观，根据原国家环保总局发布的中国环境状况公报，我国的七 大水系中能满足地表水类标准的断面仅占总断面的3 0 左右，而几乎丧失了水体所有功能的劣v 类水的断面竟占到4 0 ，我国饮用水水源水质面临的形势非常严峻。 比较2 0 0 1 2 0 0 5 年度七大水系监测结果( 见表1 1 ) ，符合饮用水水源要求的i 类水的比重 不升反降，特别是2 0 0 4 年度与2 0 0 3 年度相比又出现了一次大的滑坡。另据中国环境监测总站2 0 0 6 年6 月发布的( 1 1 3 个环境保护重点城市集中式饮用水源地水质月报，有1 6 个城市水质全部不达 标，占重点城市的1 4 ；有7 4 个饮用水源地不达标，占重点城市饮用永源地的2 0 ；有5 2 7 亿吨 水量不达标，占重点城市总取水量的3 2 3 。这里的结果主要是通过常规污染指标来反映的，若考 虑到通常难以检测的水中微量有毒有害物质、三致物质以及环境激素类物质等，则目前的饮用水水 源水质污染状况更加严峻。 表1 1 2 0 0 1 - 2 0 0 5 年我国七大流域干流地表水水质情况 按照国家地表水环境质量标准划分类别 年份 m 类 、v 类劣v 类 总体评价 比例与上年比较比例与上年比较比例与上年比较 2 0 0 l5 1 7 下降6 3 8 9 上升4 5 9 4 上升1 5 水质污染依然严峻 2 0 0 25 2 9 上升1 2 6 2 6 8 下降1 2 i 2 0 3 上升1 0 9 水质有所改善 2 0 0 35 2 5 下降0 4 3 8 1 上升1 1 3 9 3 下降1 l 水质状况略有下降 2 0 0 44 1 8 下降l o 7 3 0 3 下降7 8 2 7 9 上升1 8 6水质状况明显下降 2 0 0 54 1 0 下降0 8 3 2 0 下降0 3 2 7 o 下降0 9 水质状况总体持平 我国饮用水水源污染的主要特征是有机污染，并由此引发水源藻类污染和饮用水消毒副产物的 风险【3 】 1 2 3 南京水环境污染现状 南京是中国四大古都之一，著名历史文化名城，江苏省省会，地处长江下游的宁镇丘陵山区， 全市总面积6 5 9 8 平方公里，城区2 0 0 4 4 平方公里，2 0 0 7 年总人1 ：37 4 0 万左右；2 0 0 8 年全市生产 总值实现3 7 7 5 亿元左右，人均国内生产总值超过7 0 0 0 美元，达到中等发达国家人均经济水平。根 据2 0 0 5 、2 0 0 6 、2 0 0 7 年南京市环境状况公报显示：长江南京段总体水质较为稳定，基本达到规划功 能的地表水i i 类标准；主要污染指标生化需氧量、高锰酸盐指数、氨氮和石油类的年均值明显优于 2 第一章绪论 国家标准；7 个省控入江断面中，外秦淮河三汉河口、秦淮新河节制闸、滁河滁河闸断面达标；5 个市控入江断面中，马汊河乙烯桥、七乡河摄山东断面达标；主城北河口、上元门、城北、城南水 厂、江宁区江宁水厂、浦口区江浦、浦口水厂、六合区远古、六合二水厂、溧水县中山水库水厂、 高淳县固城湖水厂等1 1 个主要水厂水源地水质继续保持优良状态，各项监测指标均达到地表水 环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 1 i i 类水质标准，达标率为1 0 0 。根据2 0 0 5 年、2 0 0 6 及2 0 0 7 年南 京市环境状况公报，2 0 0 5 - 2 0 0 7 年长江南京段水质主要污染物年均值见表i 2 。 表1 22 0 0 5 2 0 0 7 年长江南京段水质主要污染物年均值 2 0 0 5 链2 0 0 6 年2 0 0 7 矩国家标准( i i 类) 指标年平均值比上年年平均值比上年年平均值比上年 ( 毫克，升) ( 毫克升) ( 士) ( 毫克升) ( 士) ( 毫克升)( 士) 高锰酸盐指数 1 5 75 41 5 9+ 1 31 8+ 1 3 2g 生化需氧量o 9 l“61 1 2十2 3 11 3 9+ 2 4 1 l9 氨氮o 1 52 8 6o 1 2- 2 0o 1 7+ 4 1 71 5 石油类o 0 23 3 3o 0 2oo 0 2o! 曲0 5 但是，干流中泓水质的基本良好并不等于长江没有污染，长江下游水环境污染主要集中在距江 两岸约百米范围内的近岸水域，该水域称为“岸边污染带”。这种“岸边污染带”常集中出现在城市所 在的水域附近和排污严重的工矿企业集中的水域附近。污染物常常形成宽约百米，长数百米甚至千 米的“岸边污染带”，水质常年在类甚至类、v 类以下。这是因为岸边水域相对水深较小，水流 也较缓，又多有回流；同时，江段排污口密集，污染影响相互迭加，使得污染物不易扩散和稀释。 1 3 饮用水水质与安全 水是生命之源。公众饮用干净的安全饮用水是基本人权。保障公众喝上干净的水是国家、社会、 企业的基本责任，为公众提供安全饮用水是构建和谐社会系统工程的重要组成部分，是深入学习实 践科学发展观的重要体现。随着全国建设小康社会的进展，人们对生活质量的要求越来越高，提倡 安全饮用水是适应时代发展的需要，普及科学饮水知识是企业家和科技工作者的历史使命。 1 3 1 水是生命的基础 水是人体的重要组成部分，是生物机体组成中含量最大的一种物质，一般占人体重的 5 0 。7 0 。年龄越小含水量越高：胎儿体内的含水量约为9 8 ；婴儿体内的含水量约为7 5 ；成 人体内的含水量约为5 5 5 。 由于水是生命本身最重要的成分，所以体内严重缺水或水过剩都将会给人体健康带来大的损 害。正常人体每日摄入水量总是与排出体外的水量处于动态平衡，人每天需要的水量与气候、身体 状况、生活习惯等因素有关，一般情况下人的正常生理需水量约为2 2 5 u d ，至少需要l 【凡( 通常 成年人每天应补给的水量是4 0 m l k g 体重) 。一般说来，人每日2 5 0 0m l 的进水量中，其中：汁液 体水1 4 0 0 m l 、食物水8 0 0 m l 、代谢过程内生成水3 0 0 m l 。同样每日排出的水量也应该是2 5 0 0 m l ， 其中：皮肤蒸发汗7 0 0m l 、肺呼出蒸汽水3 0 0m l 、尿排出水1 3 5 0m l 、粪排出水1 5 0m l 。水平 衡的调节受下丘脑神经中枢控制，它控制渴感和肾脏排水，而发烧、高蛋白膳食、干热气候、呕吐、 腹泻和外伤损害等都会扰乱机体的水平衡【l j 。 由于水具有溶解能力强、介电常数大、黏度小、比热容高等理化性质，使它在生物体内具有特 殊重要的意义。水是维持生命、保持细胞外形、构成各种体液所必要的物质；它参与机体的新陈代 谢，对于各种营养物质的运输和吸收、气体的运输和交换、代谢产物的运输和排泄起着极其重要的 作用：水还是体内生化反应的媒介，同时水本身也参与体内的生化反应；水对机体的体温起着调节 - 3 东南大学工程硕士学位论文 作用；水同时还是机体体内摩擦部位的润滑剂：水在机体内的存在形式包括两部分：细胞外液和细 胞内液，细胞外液占体重的2 0 ，细胞内液占体重的4 0 巧0 。当机体失水量为体重的2 左右时， 是以细胞外液和间液水分丢失为主，此时下丘脑的口渴中枢受到刺激出现意识性摄水要求，出现尿 少和尿钾丢失量增加。当机体失水量为体重的4 左右时，细胞内外液水分的丢失量大致相等，出 现脱水综合症，表现为严重的口渴感，心率加快，体温升高，疲劳等症状。当机体失水量为体重的 6 严l o 时，细胞内液水分丢失的比例增加，表现为呼吸频率增加，血容量减少，恶心，肌肉抽搐， 甚至发生幻觉等症状。 1 3 2 饮用水水质安全与健康 水在自然界的循环过程中，由于人类的活动和工农业的发展，往往会通过不同的途径使天然地 表水和地下水受到不同程度的污染，因此，水又成为人们疾病发生和传播的重要媒介。世界卫生组 织的统计表明，人体所得的各种疾病，8 0 与水有关。从2 0 世纪7 0 年代起。饮用水中的各种化学 成分的数量急剧增加，世界范围内的饮用水中，已经出现了7 6 5 中合成有机化合物，其中1 1 7 是属 于致癌的或有关致癌的物质。2 0 0 3 年，世界水资源大会公布的统计报告称，全球约有1 4 亿人喝不 到安全的饮用水，有2 3 亿人没有起码的卫生条件，每天有6 0 0 0 名儿童死于卫生不良引起的疾病， 尤其在发展中国家已出现了由于饮用水卫生恶劣而造成的令人不安的征兆。我国仅有不足1 1 的人 能喝到符合卫生标准的水，6 5 4 的人口在饮用浑浊、苦咸、受工业污染或能传播疾病的水，约7 亿人在饮用大肠杆菌超标的水，1 7 亿人在饮用受有机物污染的水，其中近4 0 0 0 万人的饮用水污染 尤其严重，主要分布在长江沿岸及人口稠密的地区u j 。 饮用水是否安全将直接影响到使用者的健康，关系到人民生活质量的改善和提高。安全的饮用 水不会因饮入此种水后发生传染病、地方病或长期饮用后也不会发生某些慢性疾病或者产生对健康 不利的影响。安全的饮用水首先必须符合国家饮用水卫生标准，该标准是从保障人体健康角度，结 合具体国情( 技术、经济、居民文化、卫生素质等) 制定。 人类评价饮用水质量的最早参数仅限于感官性的，包括由于视觉、嗅觉和味觉等所感受的浊度、 颜色、肉眼可见物、臭和味等几个参数，供水水质的感官性状项目会影响到其外观、气味或味道， 用户往往以次来评价水质并以次来确定能否接受，因此水的感官性状项目也要达到可按受的水平。 人们对饮用水中污染物对健康危害的认识最早是从致病细菌开始的，1 9 世纪末，由于人类认 识到严重危害生命的霍乱、伤寒、痢疾等传染病是通过饮用水传播的，才第一次把水质与健康直接 联系起来，通过饮用水传播的病原微生物有细菌、原生动物、病毒等。常见的致病细菌有霍乱弧菌、 埃希氏大肠杆菌、空肠弯曲杆菌、沙门氏菌、志贺氏菌等；致病原生动物有隐孢子虫、贾第虫、圆 孢子虫等；致病病毒有诺沃科病毒、螺旋病毒等。我国城市供水基本上采用氯消毒，据不完全统计， 细菌和大肠杆菌指标合格率大多在9 5 以上，从而有效的控制了水传染性疾病。 对饮用水和致癌风险的关系这一问题的提出是基于这样一个事实：随着分析技术的发展，研究 人员在饮用水中发现多种化学物质，其浓度足以造成饮用者有致癌的潜在威胁。饮用水中致癌物根 据进入饮用水的方式可以分为3 类：第一类通过自然因素在水源地进入水体，如砷、石棉、放射性 物质等；第二类是人类生产、生活产生的污染进入水体后的潜在致癌物，如硝酸盐、亚硝酸盐、有 机化合物；第三类是水处理过程中产生的致癌物，如氯代消毒副产物最常见的也是研究最多的是三 卤甲烷和卤乙酸等，美国水厂协会( a w w a ) 研究基金会报道了消毒副产物致癌风险的数据，其中 提到在总的消毒副产物致癌风险中，卤乙酸占9 0 以上。 2 0 世纪9 0 年代早期丹麦的一份医学报告引起公众的强烈关注，根据这份报告，西欧男子的平 均精子数在此前5 0 年内持续减少，同时精子的质量也下降，而且精子数的减少速度十分显著，有 一些国家减少了4 0 。现代科学研究已经证实，在妊娠的关键时期接触太多的雌性激素或类雌性激 素化合物将对胚胎的发育带来不利的影响，而且这些不利影响并不是马上能被察觉，需要在若干年 后才能表现出来，换句话说，在妊娠关键时期雌性激素很小的改变对胚胎的发育和以后的成人都将 4 一 第一章绪论 产生永久的危害。而这一切与饮用水的关系，主要是在于饮用水为这些类雌性激素化合物进入人体 提供了途径。这些合成有机化合物的大部分最终通过各种渠道进入水体，如直接排放或扩散至大气 又通过降雨的形式进入水体，另外一个途径是有机物渗入土壤，最终进入地下含水层。以上所述的 问题都还需进一步证实，但它们已说明如果在饮用水环节受到合成有机化合物的污染，将给我们带 来长期的、严重的后果。 地方病与水质的关系是一个非常典型的问题。由饮用水所导致的地方病是由于饮用水中某些微 量元素过多或严重缺乏而引起的地方性非传染性疾病，这些微量元素是人体中激素、酶和维生素的 组成成分或是人体组织或器官不可缺少的成分，因此过多或过少，均可引起疾病。我国常见的与饮 用水有关的地方病有：地方性氟中毒，主要是摄入过量的氟，主要表现为氟斑牙和氟骨症；地方性 甲状腺肿，主要是严重缺乏碘，严重流行地区儿童可发生地方性克汀病；地方性砷中毒，是由于饮 用含砷量高的水引起的，如黑脚病。 由水源化学性污染而引起的急、慢性中毒事故，国内外均有报道。主要有：镉污染引起的中毒， 如发生在日本富山县神通川流域的痛痛病9 9 0 2 0 0 5 年1 2 月1 5 日广东北江韶关段出现了重金属镉超 标的问题造吨部分下游城市被迫停止供水，虽未造成严重灾难性后果，但给我们敲响了警钟；汞 污染引起的中毒，如发生在日本九州岛南部熊本县水俣镇的水俣病”；六价铬引起的中毒；氰化物 污染引起的中毒。 1 3 3 安全饮用水的水质目标 根据国际水质标准的发展趋势和我国最新饮用水水质标准的要求，在当前水源水质持续恶化的 条件下，应对以下几个方面重点关注，加以解决1 3 】： 水质感官性指标不良，有异臭异味。此外浊度是一项非常重要的感官指标，浊度的有效降低， 意味着水中各种非溶解性物质和微生物的有效去除。发达国家的浊度标准虽然订为1 n t u ，但实际 上出厂水浊度已达到了o 1n t u ，甚至0 0 5 n t u 以下。而根据统计资料。我国2 4 座省会城市，按 浊度小于i n t u ，5 0 的城市合格率低于8 0 ，4 座城市合格率低于5 0 1 3 。 湖泊水库富营养化，藻类繁殖。我国城镇水源约4 5 采用水库、湖泊取水，富营养化已成为 这类水源污染的重要特征。许多城市水源的藻密度高达1 0 7 个l ，使得水厂混凝恶化、滤柱堵塞， 并导致消毒副产物升高、管网水生物不稳定；某些藻类还会产生致病、致癌的藻毒素，新国标规定 微囊藻毒素- l r 低于0 0 0 1 m g l 。微囊藻毒素- l r 毒性很强，严重损害肝脏。我国各城市饮用水中 微囊藻毒素检出频率较高，部分水司接近或超过限值 3 1 。 由于原水中有较高浓度的氨氮，会降低加氯的消毒作用。若采用折点加氯消毒，则加氯量大 容易造成水中消毒副产物的增加。另外，由于普通砂滤柱中生物作用有限，氨氮难以彻底氧化，使 水中亚硝酸盐浓度升高。 耗氧量是水质受到有机污染的替代指标之一，反映各个污染物可被高锰酸盐氧化的共性。耗 氧量高的水有机污染程度高，其中的致嗅、致昧、生色有机物是用户对水质投诉的重要原因；在一 些城市水源水质的调查中已发现耗氧量与致突变性存在明显的正相关性。新国标将耗氧量限值定为 3m g 几，根据3 5 座大城市1 9 8 5 一1 9 9 4 年资料，供水耗氧量超过3m g l 的达到了3 5 。 原水中的微量有机污染物通过现有的常规工艺难以去除，造成很多地区饮用水中有机物总量 或单项有机物浓度超标，致突变活性呈阳性；同时氯与水中的有机物反应，产生卤代消毒副产物， 对于满足更加严格的新国标，部分城市存在一定的困难。而近年开始引起广泛关注的环境激素类物 质，常规处理工艺对其去除作用有限。 由于生活污水对水源的污染，微生物风险不容忽视。隐孢子虫和贾第鞭毛虫已成为发达国家 饮用水健康风险的首要病原微生物，易通过饮用水传播给人和禽畜。其孢囊和卵囊在外界环境中抵 抗力强，流行分布广泛。人感染其孢囊或卵囊后引起腹泻、呕吐、疲劳，免疫力低下者易感染致死。 新国标规定：贾第鞭毛虫限值为小于l ? 1 0 l ；隐孢子虫限值为小于1 个1 0 l 。据调查，贾第鞭毛 5 东南大学工程硕士学位论文 虫孢囊粪检结果：北京、甘肃为2 7 ，浙江乐清2 5 。沈阳1 2 5 。隐孢子虫卵囊在南方地表水 中检测率达1 8 8 - 3 7 5 。初步检测证实我国一些水源确有致病原生动物存在【3 】。 1 4 饮用水的生物稳定性 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。 1 4 1饮用水的生物稳定性及其控制指标 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。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 e 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 面c c 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 ed i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ，n b d o 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 。 1 4 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【4 j ， s e r v a i s 和b i l l e n 等人于1 9 8 7 年提出了 一套b d o c 的测定方法1 5 】，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 0m l 通过0 2 岬醋酸纤维素膜过滤，加5m l 经2 岬n 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 1 - 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 ( 2 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 1 0 。1 3 9 c v 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l o 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 , 口 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 t f l 。s e r v a i 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1 7 一。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【e 】。1 9 9 2 年 f r i a s 和r i b a s 又提出了一种封闭循环测定b d o c 的方法1 9 ；将待测水样用蠕动泵循环通过装有生物 活性填料的小玻璃柱，隔一定时间取样测定d o c 值，直至水中d o c 值恒定，原水与循环后水中 - 6 第一章绪论 最低的d o c 值之差即为b d o c 。该方法快速准确，需待测水样量小，且以生物膜为测定细菌比较 符合管网中细菌以生物膜形式生存的特点。为了比较几种b d o c 测定方法的各自特点和影响因素， 1 9 9 2 年j c b l o c k 等人在欧洲几个国家的7 个实验室进行联合试验l l o 】，以确定影响b d o c 测定准确 定的主要因素( 包括不同实验室、不同接种菌液来源、悬浮细菌或生物膜细菌培养，不同的待测水 样等) ，结果表明不同实验室是影响b d o c 测定结果的主要因素，其相对误差达5 6 6 7 0 7 ，而 接种液的来源引起的相对误差为1 2 - 2 6 ，接种生物膜的b d o c 测定结果比接种悬浮细菌测定的 结果要高，该作者认为是由于接种悬浮细菌时待测水样中异养细菌数少的缘故；研究结果认为接种 液为土著细菌时最佳选择，不会引起过量的误差，可作为标准方法。清华大学刘文君博士对悬浮培 养法的研究表明，在2 8 天测定中b d o c 的降解动力学满足一级反应，动力学方程为 b d o c t = b d o c u ( 1 1 0 - 0 7 7 t ) ；b d o c 3 约占b d o c 2 8 总量的4 0 左右，为缩短培养时间以测定b d o c 3 代 替b d o c 2 8 是可行的l 1 。 b d o c 大多数采用悬浮培养法，测定中首先将水样通过o 2l t m 或0 4 5l x m 超滤膜过滤，测定 d o c ，一般认为水样中绝大部分细菌被截留在膜面上，水中残留细菌极少。然后接种土著菌培养一 定时间，在此过程中细菌分解水中可生物降解有机物成两部分，一部分被氧化成c 0 2 以获得能量来 源，即无机化部分，一部分则合成细菌体，培养完毕后再过滤去除细菌，测定水样中d o c ，初始 d o c 和最终d o c 差值为b d o c 。 因此b d o c 不仅包括有机物被异养细菌无机化的部分，也包括细菌合成细菌体的部分，即包 括同化作用的部分。b d o c 应是细菌合成代谢和分解代谢对有机物消耗的总和。一般以b d o c 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。 1 4 3a o c 测定方法和改进 七十年代末，v a nd e rg o o i j