（环境工程专业论文）饮用水生物稳定性和净水工艺对有机物去除的研究.pdf

东南大学博士学位论文 5 对由普通砂滤池改造而来的生物强化活性滤池进行了强化制水的中试研究，确定了最佳运行 工况，建立了有机物去除的反应器动力学模型，较为系统地开展了有机物去除机理的探索。研究结 果表明：生物强化活性滤池工艺融生物吸附降解和物理截留于一体，与普通过滤相比，对d o c 、a o c 、 三氯甲烷生成势等有机指标的去除能力具有显著的提高，可大幅提高出水的安全性；并且经济实用， 具有良好的应用前景。 6以黄浦江原水为处理对象，对臭氧一生物活性炭( 0 3 - - b a c ) 技术去除水中有机污染物的机 理和性能进行了全面系统地研究。研究结果表明：0 3 b a c 工艺集臭氧氧化、物理化学吸附、生物 降解等多重功能于一体，可有效去除d o c 、c o d 、u v 2 s 。和消毒副产物前体物质等有机污染指标， 是一种优良的饮用水深度处理工艺：臭氧氧化和生物活性炭对不同分子量区间有机物的去除具有明 显的互补性，使该工艺对各分子量区间有机物均有着广诺的去除能力；0 3 一b a c 工艺对饮用水生物 稳定性存在着不利和有利两方面的影响，应把a o c 当作臭氧氧化的新型副产物，在该工艺的开发和 研究中给予足够的重视。 关键词：可同化有机碳( a o c ) ，生物可降解溶解性有机碳( b d o c ) ，生物稳定性，消毒剂，净水 工艺，饮用水 本论文受国家高技术研究发展( 8 6 3 ) 计划( 太湖流域安全饮用水保障技术，编号2 0 0 2 a a 6 0 1 1 3 0 ) 和上海同济高廷耀环保科技发展基金会资助 l j a b s t r a c t s t u d yo nb i o l o g i c a ls t a b i l i t yo fd r 扑i n g ，a t e ra n dr e m o v i n go r g a n i cm a t t e rb y 。 t 芦j e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s e s a b s t r a c t b i o l o g i c a ls t a b i l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t sf o rd r i n k i n gw a t e rs a f e t y 1 1 1 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 e t e r i a lr e g r o w t ht h a ti nt u r nw o u l dl c a dt oc o r r o s i o no f p i p em a t e r i a l s a n dd e t e r i o r a t i o no fw a t e rq u a l i t yi ud i s t r i b u t i o n s y s t e m s ( d s s ) a s s i m i l a b l eo r g a n i c c a r b o n ( a o c ) a n db 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 ) h a v eb e e nw i d e l yc o n s i d e r e da si n d e x e s w h i c hc a nm e a s u r eb i o l o g i c a ls t a b i l i t ya n db a c t e r i a lr e g r o w t hp o t e n t i a lo fd r i n k i n gw a t e lw h c a c o n c e n t r a t i o n so fa o ca n db d o ca l ec o n t r o l l e du n d e rt h r e s h o l d s 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 rw h i c h d o e sn o ts u p p o r tb a c t e r i a lr e g r o w t hw i l lb ep r e p a r e d t h u s ，s t u d yo nr e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e r sa n d b i o l o g i c a ls t a b i l i t yo f d r i n k i n gw a t e ra r ef o c u s e so f w 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 nt h i sp a p e r , t h e m e t h o d st om e a s u r ea o ca n db d o ea r ei m p r o v e d r a a l o v a lc a p a b i l i t vo fo r g a n i cm a t t e r sb yw a t e r p u r i f i c a t i o np r o c e s s e sa n dc h a n g e so fb i o l o g i c a ls t a b i l i t yi nd s sa l ei n v e s t i g a t e d ，t w oa d v a n c e da n d e n h a n c e dp r o c e s s e sa l ea l s oe x p l o r e d m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa l es u m m a r i z e da sf o i l o w s ： 1 t h eg r o w t hc h a r a c t e r i s t i c so f b a c t e r i a ls t a i n s ( o ri n o c u l 曲f o ra o c ( o rb d o c ) b i o a s s a ya r es t u d i e d d i f f e r e n ti n c u b a t i o nc o n d i t i o n sa r ec o m p a r e dr e s p e c t i v e l ya n do p t i m a la s s a ym e t h o d sa r ea t t a i n e d 1 1 他 t i m en e e dt op e r f o r mt h ea o ca s s a yi sr e d u c e db yi n c r e a s i n gt h ei n o c u l u md e n s i t y ( f r o m5 0 0t o1 0 c f u m ua n di n c r e a s i n gt h ei n c u b a t i o nt e m p e r a t u r e ( f r o m1 5t o2 2 1 y i e l df a c t o r so fo r g a n i s m sa l e m e a s u r e db ya ni m p r o v e dm e t h o di nt h el a b p 1 7 一1 1 1 0 。c f u l o ga c e t a t ec a r b o na n dn o x 一1 9 x 1 0 c f u i t g e t a t ec a r b o n t h ea o ca s s a yc a nb eu s e di nt h et a l l g ao f1 0 3 0 0l a ga c e t a t ec a r b o n 几t h e b d o cm e t h o dw i t hb a c t e r i aa t t a c h e ds a n dc a nq u i c k l yd e t e r m i n er e s u l tw i t h i n1 0d a y s w h i c hi sn o t d i 疵r e n tf r o mt h a tb yt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d ( w i t hs u s p e n d e db a c t e r i a , 2 8d a y s ) 2 c h a r a a t e r i s t i c sa n dc o m p o s i t i o n so fo r g a n i cm a t t e r sf r o mr a ww a t e rt a k e na tt h eu p p e rr e a c ho f h u a n g p ur i v ea r es t u d i e db yd e t e r m i n a t i o no f m o l e c u l a rw e i g h t ( m w ) d i s t r i b u t i o na n dg c ，m s r e m o v a l c a p a b i l i t yo f o r g a n i cm a t t e r sb 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 e e s s e s ( t w t p s ) a l ei n v e s t i g a t e di ns h a n g l l a j ， ae a s t e r nc i t yo fc h i n a t h eo r g a n i cm a t t e rc h a r a c t e r so fr a ww a t e rt a k e na tt h eu p p e rr e a c ho fh u a n g p u r i v e ra l eh i g hc o n c e n t r a t i o n s ，e x c e s s i v es p e c i e s ，m a j o r i t yo fl o wm wa 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 t h er e m o v a ir a t i o so fa o ( 2a n db d o ca r e1 e s st h a n3 0p e r c e n tb yt 、v 开s c o n c a n t r a t i o n so f a o ci r i c r e a s ed r a m a t i c a l l yf o rd i s i n f e c t a n ta d d i t i o n t h eo u t p u t so fw a r e l p l a n t su s e dr a ww a t e rf r o m h u a n g p ur i v e ra n dy a n g z ir i v e ra r cb i o l o g i c a l l yu n s t a b l ei ns h a n g h a i 3 1 1 1 ee r i e c t so fd i s i n f e c t a n t so na o cj nd r i n k i n gw a t e ra r et e s t e d c h i o r i n ea n dc h l o r a m i n e o x i d a t i o nc a l lj n c r e a s ea o ci nd r i n k i n gw a t e ro b s e r v a b l y t h eo x i d a t i v er e a c t i o n so fc h l o r i n ea n d c h l o r a m i n ew i t ho r g a n i cm a t t e r sf o r m i n ga o ch a v ed i f i e r e n tp r o p e r t i e s c h a n g e so f b i o l o g i c a ls t a b i l i t yi n d s sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e df o ro n ey e a r s t h er e s u l t ss h o wc h a n g e so fa o ca n db d o ci nd s sa r e a t t r i b u t e dt oc h l o r i n eo 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 a n di m p r o v e dm o d e l so f a o cc h a n g e s w h i c ha r e m o r ea c c o r d a n tw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n so fd s s a r ep r o p o s e db a s e do nt h el a wo fa o cc h a n g e sa n d e f f c c t so f c h l o r i n eo x i d a t i o n 4 c h a r a c t e r i s t i c so f a o ca n db d o ca r ee x p l o r e db yr a t i o so f d j 彘r e n to r g a n i ci n d e x e s d i s t r i b u t i o n o fm wa n de f f e c t so nb a c t e r i ag r o w t h t h er e l a t i v i t yb e t w e e nb d o ca n dd o cj ss u p e r i o rt ot h a tb e t w e e n a o ca n dd o c t h er a t i o so fa o ct ob d o cf o rd i f f e r e n tr a ww a t e ra r cd i v e r s e a n dc l o s ef o rs a m er a w w a t e la o ci sc o m p o s e do f o r g a n i cm a t t e r sw i t hl o wm w m a i n l y t w t p sc a l ln o tr e d u c ea o ce f f e - c t i v e l y b e c a u s er e m o r a lo fl o wm wo r g a n i cm a t t e r sb yt w t p si sl o w b o t ha o ca n dd i s i n f e c t a n tr e s i d u a l sa r e 1 1 1 东南大学博士学位论文 i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tb a c t e r i a ir e g r o w t hi nd s s b o ti ti sd i 伤c u l tt om a k ea o co rd i s i n f e c t e n t r e s i d u a l st or e a c ho rr e t a i nt h et h r e s h o l dw h i c hc 8 1 lr e s t r a i nb a c t e r i a lr e g r o w t h i no r d e rt oi n h i b i tb a c t e r i a l r e g r o w t hi nd r i n k i n gw a t e r , a o ca n dd i s i n f e c t a n tr e s i d u a l so ft h ef i n i s h e dw a t e rm u s t b ec o n t r o l e d s i m u l t a n e o u s l y 5 ap i l o t - s c a l er e s e a r c ho 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 ) ，i m p r o v e df r o mn o r m a l f i l t r a t i o n ，i sc o n d u c t e df o re n h a n c e dt r e a t m e n t t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sa r ed e t e r m i n e d ，m u dak i n e t i c s m o d e l i ss e tu pt os i m u l a t et h ec o u r s eo fb d o cd e s t r u c t i o n m e c h a n i s m so fo r g a n i c sr e m o v a la r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y b e a fc a nr e m o v ep o l l u t a n t sb yb i o l o g i c a id e g r a d a t i o na n dn o r m a lf i l t r a t i o ns y n c h r o n o u s l y t h er e m o v a lr a t i o so fo r g a n i ci n d e x e s ，s u c ha sd o e ，a o c ，t h m f p sa n dc o 功，b yb e a fa r es u p e r i o r t ot h o s eb yt h en o r m a lf i l t r a t i o n t h er e s u l t sp r o v et h et e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h es e c u r i t yo fd r i n k i n g w a t e rr e m a r k a b l y ， 6 s y s t e m a t i c a l r e s e a r c h e so fo z o n e - b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ( 0 3 - b a c ) a f ec a r r i e do u tf o r p e r f o r m a n c et or e m o v eo r g a n i cp o l l u t a n t s r e s u l t ss h o wt h ep r o c e s so f0 3 - b a c ，w h i c hi s o n eo f o u t s t a n d i n ga d v a n c e dd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s ，i n c o r p o r a t eo z o n a t i o n ，a d s o r p t i o na n d b i o d e g r a d a t i o nt or e m o v eo r g a n i cp o l l u t a n l s ，s u c ha sd o e ，c o d 】，u v 2 5 4a n dt h m f p s 0 3 一b a ch a v e b r o a d s p e c t r u me r i e c t st or e m o v eo r g a n i cm a i l e r so f v a r i o u sm wf r a c t i o n sb e c a u s eo f t h ec o m p l e m e n t a r i t y b e t w e e no z o n a t i o na n db i o l o g i e a la c t i v a t e dc a r b o np r o c e s s 0 3 一b a cm a yi n d u c eb o t hd i s a d v a n t a g ea n d a d v a n t a g ee f f e c t st ob i o l o g i c a ls t a b i l i t yo f d r i n k i n gw a t e r , t h e r e f o r ea o c s h o u l db er e g a r d e da san e wt y p e o f b y p r o d u c t so f t h ep r o c e s sa n dp a i da t t e n t i o nt oi 1 1t h ef u t u r e k e yw o r d s ：a o c ，b d o c ，b i o l o g i c a ls t a b i l i t y , d i s i n f e c t a n t ，w a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s e s ，d r i n k i n g w a t e t 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。 研究生签名： 主聋 日 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。 研究生签名：主篷导师签名：趔二期：竺垒：星：矽 第1 章 瞎 第1 章引言 1 1 研究的目的和意义 随着社会经济的高速发展与城市化进程的加速，水资源危机已经成为继石油危机之后人类所面 临的第二大危机。在我国城市用水短缺的形势更为严峻，我国淡水资源人均占有量2 3 4 0 m 3 ，约为世 界人均占有水量的】，4 ，被列为最贫水的1 3 个国家之一，全国6 6 8 个城市有4 0 0 多个缺水“7 “。与此 同时，工业，特别是有机化工、石油化工、医药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速发展， 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，致 使8 2 的水域和9 3 的城市地下水源受到污染，水源水质污染问题日趋严重”；而目前水厂广泛 使用的传统制水工艺己很难达到日益提高的水质标准的要求，饮用水的安全性因而引起人们的普遍 关注。其中，饮用水中的可生物降解有机物引起的管网细菌再生长与饮用水生物稳定性问题，已成 为近年来的给水处理领域的研究热点。 当出厂水中含有了一定量的有机物，随机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”一，并诱发管壁腐蚀与结垢；管壁结垢与腐蚀会降低管网的输水能力，馒二级泵站动力消耗 增加，甚至引起爆管；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； 而病源微生物也易在生物膜中滋生，其随管网水传播更会对饮用者的健康构成直接的威胁。常规净 水工艺中，一般采用加氯消毒并保持管网内一定的余氯含量来控制细菌生长，但现有研究表明部分 细菌或大肠杆菌在经过氯消毒过程后，能在管网中修复、重新生长；并且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。此外，加氯量过高还会引起大量氯化消毒副 产物的生成，使饮用水中“三致”物质增加，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。大量针对给水管网内生物膜的生长、管网水细菌再生长和大 肠杆菌爆发的研究表明：出厂水中存在可生物降解有机物( b o m ) 是管网中异养细菌重新生长的主 要原因，并为此提出了饮用水生物稳定性的概念。 饮用水生物稳定性是指饮用水中可生物降解有机物支持异养细菌生长的潜力，即当有机物成为 异养细菌生长的限制因素时，水中有机营养基质支持细菌生长的最大可能性。饮用水生物稳定性高， 则表明水中细菌生长所需的有机营养物含量低，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有机营养物含量商，细菌容易在其中生长。耳前，国际上普遍阻可同化有 机碳( a s s i m i l 曲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 t m ，简称b d o c ) 作为饮用水生物稳定性的评价指标。a o c 是指可生物降解有机物中 能被转化成细胞体的那部分，主要与低分子量的有机物含量有关，它是微生物极易利用的基质，是细 菌获得酶活性并对有机物进行共代谢最重要的基质。b d o c 是指饮用水中有机物里可被细菌分解成 c o ，和水或合成细胞体的部分，是细菌生长的物质和能量的来源；一般认为b d o c 的含量可代表 水样的可生化性，并与产生的氯化消毒副产物量呈正相关性。只有控制出厂水中的a o c 与b d o c 的含量达到一定的限值，才能有效的防止管网中细菌的再生长。 自上世纪8 0 年代，欧洲学者率先开展了饮用水生物稳定性研究，并逐渐受到各国水处理工作者 关注，现己成为全球给水领域的研究热点。二十年来，世界各国学者对饮用水中可生物降解有机物 特性和生物稳定性的研究已取得了一定的成果。清华大学环境工程系于上世纪末率先在国内开展了 饮用水稳定性的研究，他们主要以北京市水源水、自来水厂、给水管网为主要研究对象，开展了饮 用水中可生物降解有机物特性、测定方法，生物稳定性及其变化规律等方面的研究，为推动国内给 水界全面开展这方面的研究奠定了坚实的基础。 上海作为知名的国际化大都市，为了创造一个良好的国际投资环境，为世博会和国际重要会议 的主办，同时为了上冉人民的身体健康，迫切需要提高饮用水水质和水处理技术。饮用水水质的改 1 东南大学博士学位论文 善将大大提高城市居民的生活质量，还可以改善投资环境，吸引外商投资，加速经济发展，具有明 显的社会效益和间接的经济效益。本研究为国家“8 6 3 ”计划重大科技专项太湖流域安全饮用水保 障技术的组成部分，以上海市饮用水水源水( 黄浦江上游原水) 、自来水厂、给水管网系统、生物 强化处理与深度处理工艺为主要研究对象，开展饮用水中可生物降解有机物特性、水厂常规工艺与 给水管网中生物稳定性变化规律、生物强化处理与深度处理工艺对有机物去除规律的研究，对探索 饮用水中有机物特性，改造现有常规工艺，开发新技术与新工艺。提高除污染能力，提供安全优质 饮用水具有重要的意义。也希望本研究成果可以为太湖流域城市水厂，以及全国城市给水行业的制 水工艺与水平的提高提供一些科学依据与经验借鉴，使居民饮用水水质得到普遍提高，因此本研究 有着重要的理论意义和应用前景。 1 2 饮用水生物稳定性研究进展 工农业生产与人类活动造成的水源水污染日益严重，其中有机污染物g l 起的饮用水水质恶化是 当前水处理界最为关注的饮用水安全性问题。饮用水中存在的有机物将会产生如下危害：1 ) 部分有 机物为高毒性的持久性有机污染物或内分泌干扰物质，具有致癌性、生殖毒性、神经毒性、内分泌 干扰性等危害，对人体健康有直接的威胁；2 ) 部分有机物为消毒副产物的前体物质，在加氯消毒过 程中可形成具有毒性的卤代有机化合物，进而危害人体健康；3 ) 饮用水中的可生物降解有机物将对 给水管网和管网水质产生危害。这其中的第三类危害已成为近年来的关注热点。当出厂水中含有一 定量的有机物，细菌将利用这些营养基质并附着于管网管壁生长形成生物膜，诱发管壁腐蚀和结垢； 生物膜的老化脱落会引起用户永质恶化，色度、浊度和细菌数的上升；管壁结垢和腐蚀会降低管网 的输水能力，增j n - - 级泵站动力消耗，甚至引起爆管；而生物膜的存在有利于病源微生物的滋生和 在管网水中的传播，将会对饮用者的健康构成直接的威胁”“。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生疾病，共有4 9 8 人住院，1 3 人死亡；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 个几。因 此作为细菌营养基质的有机物存在于给水管网中，将给管两和管网水质带来严重的隐患，应加以控 制；自上世纪8 0 年代中期以来，这逐渐成为水处理界的研究热点，并由此提出了饮用水生物稳定性 的概念。 1 2 1 饮用水生物稳定性及其影响因素 1 饮用水生物稳定性的概念 饮用水生物稳定性是指饮用水中可生物降解有机物支持异养细菌生长的潜力，即当有机物成为 异养细菌生长的限制因素时，水中有机营养基质支持细菌生长的最大可能性。饮用水生物稳定性高， 则表明水中细菌生长所需的有机营养物含量低，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有机营养物含量高，细菌容易在其中生长。自来水及其管网中细菌的生 长( 再生长) 按其来源“，可分为：1 ) 出厂水中含有较多的细菌进入管网而引起自来水中细菌的增 加；2 ) 管网中细菌的生长繁殖引起的自来水中细菌的增加；3 ) 管网中外源细菌的进入。而在出厂 水正常消毒与管网状况良好的情况下，第2 点是引起自来水及其管网中细菌生长的主要途径。 2 给水管网中细菌生长机制及其影响因素 细菌在管网中生长包括在水中的悬浮生长和在管壁的附着生长。多数细菌因其分泌的胞外多糖 在水中水解，而使其相对亲水，故给水管道内的湍流效应对细菌悬浮生长不利：而在管壁的粘滞层 中水流速度很小，营养物质浓度梯度以及布朗运动都可使细菌与营养基质从水中迁移到管壁表面。 细菌通过以聚合物架桥为主要机制的可逆粘附过程而牢固粘跗于管壁表面；此过程中，如细菌分泌 的粘附管壁的有机物质与管壁表面作用性质发生变化，则发生不可逆粘附，细菌在管壁定居成功”“。 2 第l 章引言 包括细菌在内的各种微生物、微生物分泌物和微生物碎屑在生存环境相对较好的管壁表面附着、生 长和沉积，使管网内形成生物膜 给水管网中出厂水为贫营养环境，其中生长的细菌大多数是以有机物为营养基质的异养菌。异 养细菌所具有的独特的饥饿生存适应方式，以及几种异莠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为细菌生长提供了适应的微 环境，这些都成为细菌能在管网中生长的重要原因。 影响细菌在给水管网中生长的因素很多，其中主要有以下几点”： 1 ) 余氯。氯和氯胺可利用其氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡，出厂水通过加氯( 或氯 胺) 消毒并保持管网内一定的余氯含量以控制细菌生长是目前世界范围内普遍采用的消毒方法。但 已有研究表明部分细菌或大肠杆菌在通过氯消毒过程后能在管网中修复，重新生长“”。r e i l l y 报道 在管网中余氯 o 2 m g , l 时仍有6 3 1 0 j 水样检出大肠杆菌“”。并且自由氯在水中容易分解，即使保持 较高的自由氯( 3 5 m g l ) 仍难以完全抑制生物膜的形成“”。n a g ) 报道尽管1 2 m g l 的自由氯能 使管壁生物膜上细菌数下降两个对数量级，但生物膜上细菌数仍高达1 0 c f u c m 21 1 9 0 美国水厂协会 ( a w w a ) 推荐维持管网中自由性余氯0 s m g l 或化台性余氯i m g l 以上，但保持管网中足够的 余氯并不能保证是大肠杆菌在管网中消失“ 此外，由于水源永质的恶纯，加氯量过高将会引起大量氯化消毒副产物的生成，使饮用水中“三 致”物质增加，安全性大大降低，对人体健康造成严重威胁，这已引起人们的商度重视。目前美国、 法国、德国、荷兰、加拿大等西方主要国家和世界卫生组织( w h o ) 均对饮用水中氯化消毒副产物 含量作了严格的限制，其中德国对饮用水中三卤甲烷含量的限值最为严格，为 1 0 鹇几”因此靠增 加加氯量、提高余氯承平来控皋4 管网细菌生长显然是不可取的。 2 ) 营养。管网饮用水中存在的细菌大多数是以有机物为营养基质的异养菌，其生命活动必须依 靠分解和利用包括可生物降解有机物质在内的各种营养基质而得以维系。在管网水贫营养环境下， 研究界一般认为有机物质的含量是影响细菌生长的主要因素，因此减少水中可生物降解有机物的含 量将对控制异养细菌地生长起到决定性的作用。但也有研究表明，在一部分水厂出厂水中磷含量极 低的情况下，磷将取代有机物成为引起管网细菌在生长的主要的限制因子“。此外，氨氮、硫酸 盐和碳酸氢盐对管网水中自养细菌的生长有着明显的促进作用，也应引起关注。 3 ) 水力因素。管网中水流速度也会影响到细菌生长，流速增大可以将更多的营养物质带到管壁 生物膜处，为细菌生长提供了更丰富的营养；但同时也增加了管壁处的消毒剂含量和对管壁生物膜 的冲刷作用，对生物膜内细菌生长造成不利影响：此外管网水流静止和骤开骤停等极端情况，可能 导致微生物生长或管壁生物膜脱落，便水中细菌总数急剧上升，水质恶化”。可见，水力因素对管 网细菌生长的影响作用是多方面和相互影响的，应根据具体情况具体分析。 4 ) 颖粒物。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 铁盐或铝盐能在管网中形成絮体沉积在管壁上，增加有机物浓度，保护细菌免受氯的伤害”。因此 应严格控制出厂水中颗粒物的数量。 5 ) 温度。水温可能是影响细菌生长的最主要的因素之一，其会影响到水处理流程中处理效率、 微生物生长速率、消毒效率、余氯消耗、管材腐蚀速度、管网水力条件、水量的需求等，因而直接 或闯接地影响细菌生长。许多研究者发现水湿不仅影响细菌生长速率，两且可政变对数生长期对闽 和产率因子；水温在1 5 c 以上时微生物活动显著加快，但即使在水温为5 c 的冬季管网中仍会有细 菌活动”。 综合以上分析可知，影响管网中细菌生长的因素很多，但当一个水厂及其管网系统相对固定时， 从实际角度来看可人为控制的因素主要是水中有机物营养基质的浓度和余氯的含量。出厂水通过加 氯消毒并保持管网内一定的余氯含量是目前普遍采用的消毒方法，但大量研究证实部分细菌或大肠 杆菌在氯消毒过程后能在管网中修复，重新生长；加氯消毒只能在一定程度上控制细菌生长，并不 3 东南大学博士学位论文 能杜绝细菌生长。此外，加氯量过商，特别是针对现在广泛受到微污染的饮用水水源水，将会引起 大量氯化消毒副产物的生成，使饮用水中“三致”物质增加，安全性大大降低。而异养菌生长必须 依靠管网水中的可生物降解物质，在给水管网贫营养环境下，一般认为有机基质的含量是影响其生 长的主要因素，因此减少水中可生物降艉有机物的含量将对控制异养细菌的生长起到决定性的作用。 1 2 2 水质生物稳定性的主要指标 l 水源水中有机物的来源与分类 水源水中的有机物按其来源可分为两大类：一类为天然有机物州o m ) ，是自然环境的代谢产物， 包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的植物组织及动物的废弃物等；其中腐殖质含量最高，约占地面 水源中有机物总量的6 0 9 0 。腐殖质是一类含酚羟基、羧基、酵羟基等多种官能团的大分子有 机物，分子量为l 1 0 6 ，其中5 0 6 0 是碳水化合物及其关联物质，1 0 3 0 是木质素及其衍 生物，1 3 是蛋白质及其衍生物。腐殖质在天然水体中带负电荷，扩散能力强，分布范围广，是 引起水体色度、异臭味和沉淀物的主要原因物质，也是饮用水中多种消毒副产物( d b p s ) 的前体物 “”。天然有机物中的非腐殖质部分是主要的可生物降解部分，具有较强的亲水性和较低的芳香度， 主要由亲水酸、蛋白质、氨基酸和糖类等组成。 水源水中另一类有机物是人工合成有机物( s o c ) ，包括农药、商业用途的合成物及工业废弃物等， 其中大多数为有毒有机污染物。目前人工合成的有机物种类已达1 0 万种以上，且以每年2 0 0 0 种的 速度增长，它们伴随着人类的各种活动，通过各种不同途径进入水体。美国环境保护署s e p a ) 通 过水质调查发现，供水系统中检测出有机物达2 1 1 0 种，其中7 6 5 种合成有机物存在于饮用水中，1 9 0 种对人体有害，2 0 种为确认的致癌物，2 3 种为可疑致癌物，1 8 种为促癌物，5 6 种为致突变物，这 些物质对人体产生急性或慢性，直接或间接的致毒作用”。国内的研究分析结果也表明，水源水 和自来水中的有机物种类和数量相当大，污染问题相当突出。上海黄浦江水中有机物种类至少在 5 0 0 7 0 0 种之间，g c m s 联机定性检出的2 1 8 种有机物中，属美国e p a 的优先控制污染物达3 9 种 “；而通过对天津引滦水气相色谱质谱( o c m s ) 检测，共检出的6 6 种主要污染物中包括了苯、甲 苯、乙苯等多种优先控制污染物及十几种饱和烃类”1 。 2 饮用水生物稳定性主要指标 由于饮用水中有机物种类繁多，形态结构各异，并且它们含量水平、理化性质也千差万别，所 以想分别测定每一种有机物几乎是不可能和不现实的。目前一般测定水中的总有机碳( t o t a lo r g a n i c c 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 e do r g a n i cc a r b o n ，c o c ) 和溶解态有枧碳 ( d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ，d o e ) 。随着饮用水水质生物稳定性概念的提出，水处理工作者又按有 机物能否被微生物利用的角度划分，将溶解性有机碳分为生物可降解溶锯性有机碳( b 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 。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 酣 o r g a n i cc a r b o n ，n b d o c ) 。b d o c 中能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 s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ，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，已成为研究饮用水生物稳定性所关注的重点和主要指标。 b d o c 和a o c 是衡量水质生物稳定性既有联系又有分别的两个指标：b d o c 是水中有机物中 能破异养菌利用的部分，常规的b d o c 测定方法中，微生物完全降解这部分有机物将需要2 8 天左 右的时间；a o c 是生物可降解有机物中可转化成细胞体的这部分有机物，它是通过一个转化因子或 校正因子以碳浓度来表示的”。由此可以看出：a o c 是有机物中最易被细菌吸收，直接同化成细菌 体的部分，是b d o c 的一部分；b d o c 是水中细菌和其他微生物新陈代谢的物质和能量的来源，包 括其同化作用和异化作用的消耗。它们的含量越低，细菌越不易生长繁殖。又因为a o c 与管网水中 异养菌生长潜力有较好的相关性“，目前大部分研究者将a o c 作为评价管网水中细菌生长潜力的 首要指标。b d o c 一般用以预测和衡量水处理单元( 特别是生物处理单元) 对有机物的去除效率， 4 第1 章引言 预测出厂水需氯量和消毒副产物产生量。但也有研究者发现b d o c 与管网中细菌生长量有较好的相 关性“0 , 4 0 j 。有人试图建立a o c 、b d o c 和d o c 之间的定量关系”，结果发现随原水水质或季节 的不同b d o c d o c 或a o c d o c 值均变化较大，没有规律。p a o d e 和a m