第6章 饮用水水质生物稳定性控制

第6章饮用水水质生物稳定性控制 主要内容 1水质生物稳定性的问题2水质生物稳定的控制技术 第1部分水质生物稳定性的问题 饮用水中微生物的再生长 饮用水中的污染物给人类健康带来了两方面的风险 化学毒理性风险和微生物学风险 化学性风险是由于饮用水中含有各种对人体有害有毒的化学物质而造成的 微生物学风险则是由于饮用水中存在的病原微生物引起的 多数水厂的经验表明 并不能完全依靠消毒剂来防止细菌在管网中的再生长 尤其是细菌在管壁上的附着生长 引起给水管网中细菌的重新生长和繁殖的主要诱因是饮用水中残存的异养细菌生长所需有机营养基质 即使保持较高的余氯量 只要水中存在足够的有机营养物 细菌仍可以在配水管网中生长繁殖 饮用水中微生物的再生长的危害 给水管网中细菌的重新生长和繁殖能引起许多不良后果 包括微生物代谢引起的管网腐蚀 致病微生物和非致病微生物 嗅味和颜色的产生等 国内外均有报道在给水管道生物膜检测到致病菌和条件致病菌 国内因供水二次污染而引起介水传染病的爆发流行屡有发生 国内外管网生物膜生长1 Allen等发现在美国各个水厂的配水管网管壁中都有很大数量的球状菌 杆状藻 丝状菌和藻类 JosephO FalkinhamIII等人在管网生物膜样中检出了Mycobacteriumintracellulare 平均数量为600cfu cm2 Park等人对Scotland东北部的给水管网进行分析 在铸铁管内部发现了Helicobacter的存在 这是给水管网中首次发现这种细菌 国内外管网生物膜生长2 贺北平 在某市对管道取样分析表明 300mm的管道使用20年后内壁黄色锈镏高达40mm 扫描电镜分析证明管壁有杆菌 球菌 丝状菌等 细菌鉴定结果有两种优势异养菌 粘质沙雷氏菌和乙酸钙不动杆菌产碱亚种 前者为条件致病菌 岳舜琳报道某城市发现管垢厚达16 20mm 赤色 有土腥味 检出铁细菌 埃希氏大肠杆菌等6种微生物 刘小琳等对北京市饮用水管网管壁微生物膜群落分析结果表明 管网中存在潜在一些致病菌如蜡状芽孢杆菌 假单胞菌和溶血不动杆菌 城市管网不同管材的腐蚀情况 我国南方某市城市管网生物膜电镜照片 饮用水中微生物的再生长的原因 细菌在管网中的再生长包括两方面 水溶液中的悬浮生长和管壁的附着生长 即生物膜 由于饮用水为贫营养环境 细菌在管壁的附着生长比在水溶液中的悬浮生长占优势 原因在于 1 大分子物质容易在固液表面沉积 构造一个营养相对丰富的微环境 2 即使管网中有机物浓度较低 高水流速度仍能输送较多的营养到固定生长的生物膜表面 3 固定生长的细菌能有效躲过管网余氯的杀伤 4 由于边界层效应可使管壁处水流的冲刷作用减小 基于类似原因 管网水中悬浮或胶体颗粒上也会附着生长一定数量的细菌或其他微生物 而且在常规的对饮用水中细菌或大肠杆菌的检测中不易被检出 管壁生物膜的生长 容易引起管道腐蚀 长粘垢 促使更多细菌生长 生物膜不定期的膜老化脱落还会引起水的色度 浊度上升及水中悬浮细菌数的增加 导致水质恶化 因此 必须设法控制细菌在管网中的再生长 饮用水的生物稳定性 饮用水的生物稳定性 就是指饮用水中可生物降解有机物BOM支持异养细菌生长的潜力 即当有机物成为异养细菌再生长的限制因素时 水中有机营养基质支持异养细菌生长的最大可能性 饮用水生物稳定性高 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 生物稳定的饮用水是指在配水管网中不会引起异养细菌等微生物再生长的饮用水 饮用水生物稳定性的提高意味着其微生物学风险的降低 饮用水管网中细菌再生长的影响因素 配水管网中细菌的再生长过程主要依赖于 微生物分别和充当能源的化合物 包括有机和无机营养物 环境状况 包括温度 水力条件等 以及物化过程 包括沉淀 腐蚀和消毒等 之间的相互作用 促进生长的有机营养物浓度一向被认为是细菌再生长的主要诱因 提高饮用水的生物稳定性 关键在于控制进入给水管网中的有机营养物的含量 其它影响因素1 2 1水温水温可能是细菌生长过程中最重要的速率控制参数 温度直接或间接地影响着控制细菌生长的所有因素 包括处理工艺效率 微生物生长速率 消毒效果 消毒剂余量的扩散 腐蚀率和流速等 2磷酸盐一般认为饮用水中细菌生长的限制因子主要是有机碳 但最近一些研究表明 一些无机营养物质 尤其是磷酸盐 可能会成为某些腐殖质含量较丰富的饮用水中细菌生长的限制因子 磷是微生物正常生长和繁殖不可缺少的元素 在特定情况下 当碳源和氮源充足而磷源缺乏时 磷就会对微生物的生长起到限制性作用 饮用水中可溶性磷酸盐浓度低于10 g l时异养微生物生长就会受到限制 缺磷条件下 外加微量 如1 g l 正磷酸盐时就能大大促进饮用水管网中异养微生物生 Sathasivan等采用利用细菌生长潜力的方法分析了在东京配水管网中采集的28个水样 证实了磷对微生物生长有明显的限制作用 并提出当磷的浓度为1 3 g lPO43 P L时 磷可能成为饮用水中微生物生长的限制因子 赵新华等对中国南方某市配水管网中总磷和细菌总数的关系进行了研究 结果表明 细菌总数与总磷有较好的相关关系 总磷含量较高时细菌总数也较高 其它影响因素3 4 3余氯目前 在各个水厂中 出厂水通过加氯或氯胺消毒并保持管网中一定的余氯以控制细菌生长是普遍采用的方法 氯或氯胺消毒的机理是破坏细胞膜 酶系统和蛋白质 但是 经验已表明并不能完全依赖自有余氯的维持来防止细菌的生长 部分在氯消毒过程中受伤的细菌在管网中能自我修复并重新生长 4流速管网中水的流速可能以几种方式影响管壁上细菌的生长 增加流速可以将更多的营养基质带到管壁生物膜处 同时也增加了氯量和对管壁生物膜的冲刷作用 死水区由于没有氯 往往导致微生物生长 水质恶化 水流骤开骤停能使管壁生物膜冲刷下来 水流中细菌量急剧上升 Donlan和Pipes的研究显示流速对于生物膜计数是负相关关系 其它影响因素5 6 5管材早在1890年 DeVries就报道 在Ratterdam的一家自来水厂中 建造清水池所用的木材会促进铁细菌属 Crenothrix 和栉水 Asellusaquaticus 的生长 合成材料的引进已经大大增加了可降解化合物释放于饮用水中的可能性 一些涂层能促进微生物生长 如PVC 聚乙烯的材料等 6配水管网的管理运行情况如果配水管网管理不善 常常会导致管壁严重腐蚀或者末端滞水等问题 给管网水中细菌再生长创造有利条件 镀锌钢管和PVC管生物膜随时间的变化 生物稳定性的指标AOC和BDOC 饮用水中细菌赖以生存的有机营养物的指标主要包括 生物可同化有机碳 assmilableOrganicCarbon AOC 和生物可降解溶解性有机碳 BiodegradableDissolvedOrganicCarbon BDOC AOC是有机物中最易被细菌吸收同化成细胞体的部分 是可生物降解有机物的一部分 BDOC是水中细菌和其它微生物新陈代谢的物质和能量的来源 包括微生物同化作用和异化作用的消耗 如果饮用水中AOC或BDOC含量较高 则水质生物稳定性较差 细菌就容易在配水管网中生长繁殖 致病菌出现的可能性也随之增大 只有降低出厂水中AOC和BDOC的含量 才能有效控制细菌在管网中的生长繁殖 达到降低饮用水的微生物风险的目的 AOC和BDOC的关系 这两者都是评价饮用水生物稳定性的指标 从概念上看AOC应包含在BDOC之中 但对实际管网分析中 经常发现二者之间没有一定的比例关系 互相独立 作为生物稳定性的两种测定指标 AOC和BDOC各自的应用目的和应用范围并没有严格的限定 不同国家不同地区侧重有所不同 有些国家偏重于AOC的监测研究 有些则偏重于BDOC AOC和BDOC与生物稳定性的关系 VanDerKooij对20个水厂进行调查后 认为当AOC 10 g L乙酸碳时 异养细菌几乎不能生长 饮用水稳定性很好 Lechevallier提出 当AOC 100 g L乙酸碳时 大肠杆菌生长受限制 在有氯的条件下 保持AOC浓度50 100 g L乙酸碳时 水质能达到生物稳定 Dukan等通过动态模型计算出管网中BDOC低于0 25mgC L时能达到水质生物稳定 Laurent等人通过SANCHO模型计算出BDOC 0 15mgC L时异养细菌在水中不能生长 刘文君认为国内管网中BDOC低于0 25mgC L时能达到水质生物稳定 李爽在考察了我国北方 西南和南方的三个重点城市饮用水状况的基础上 依据生物稳定性的水质要求和我国现有国情提出饮用水AOC的控制标准建议值 1 低于100 g L 属于生物稳定 2 低于200 g L 属于生物基本稳定 王丽花等对国内饮用水生物稳定性的调查研究结果表明 我国大部分城市的饮用水属于生物不稳定的饮用水 生物稳定性的指标体系 可生物利用磷 MAP 和总磷 TP 细菌生长潜力 BGP 这种方法以水样中的土著微生物为接种菌种 经过适当的培养 对水样进行计数 以细菌浓度 CFU ml 来表示水样中有机物在不同的无机限制因子条件下支持细菌再生长的潜力 饮用水的生物稳定性不仅与AOC和温度有关 而且与饮用水在管网中的磷 流动 余氯 pH值等因素密切相关 通过开展这方面的研究 以建立更完善的饮用水生物稳定性评价指标体系 饮用水氯消毒 消毒副产物和生物稳定性的关系 第2部分水质生物稳定性的控制技术 常规处理工艺 王丽花等对国内饮用水生物稳定性的调查研究结果表明 常规处理工艺对AOC的去除有一定的效果 一般去效率在14 57 如果工艺运行管理得当 水温较高 进水浓度高时去除率能达到40 以上 因此强化常规处理以综合提高饮用水水质是十分必要的 李爽研究得出 传统工艺对AOC没有明显去除效果 传统处理工艺对BDOC的去除率在10 7 57 2 之间 平均值为23 8 加拿大的Huck对某水厂水源水的研究表明 混凝沉淀对AOC的去除率在0 80 之间 平均去除率为38 去除效果很不稳定 Volk认为叫采用低pH值和用三氯化铁取代硫酸铝作絮凝剂 可增加对可降解有机物的去除率 DOC去除率从29 增加到43 BDOC去除率从30 增加到38 对AOC的去除影响较小 因为组成AOC的物质为非腐殖酸类小分子有机物 而组成BDOC的物质 75 为腐殖酸类有机物 30 为碳水化合物 4 为氨基酸 其中39 有机物的分子量 100 000DaltonS 因此强化混凝对DOC和BDOC有较好的去除率 一般的研究表明 常规处理对AOC和BDOC有一定的去除能力 但波动较大 强化混凝和强化过滤技术可提高现有水厂出厂水的生物稳定性 氧化处理 Ribas等认为臭氧会引起BDOC增加53 8 一63 6 因为部分不可降解有机物被臭氧氧化成易降解有机物 使一些天然有机物氧化成小分子的有机物 而小分子有机物易被生物作为营养吸收 Hu等研究发现臭氧使AOC值升高了2 19倍 鲁巍等认为氧化剂的投加会增加AOC和BDOC浓度 降低生物稳定性 马军等发现臭氧催化氧化比单纯的臭氧氧化能更彻底地将部分大分子有机物氧化成小分子中间产物 陶粒 硅胶和沸石负载TiO23种催化剂分别将AOC从大约300 g L 1增加到674 1 847 2和882 1 g L 1 并且分别使AOC TOC从原水的4 68 升高到30 5 33 21 和46 04 大大地提高了水中有机物的可生物降解性 生物预处理 吴红伟研究表明 生物陶粒预处理对BDOC的去除率为60 对AOC的去除率为45 左右 发挥了较好的作用 具有较强的生物降解能力 上海周家渡水厂采用曝气生物滤池 BAF 预处理黄浦江原水的生产性试验结果表明 周家渡水厂原水的AOC为619 g L 而BAF出水为284 g L 说明BAF对AOC有明显的去除效果 黄河水中AOC和BDOC的浓度分别是276 g L和1 57mg L时 移动床生物膜反应器和陶粒生物滤池都能够十分有效地降低水中AOC和BDOC浓度 移动床生物膜反应器对AOC和BDOC去除率分别为42 8 和65 5 陶粒生物滤池对AOC和BDOC去除率分别为62 3 和86 4 因此采用生物预处理技术可有效地提高出厂水的生物稳定性 活性炭处理技术 王丽花等对国内饮用水生物稳定性的调查研究结果表明 生物活性炭处理由于活性炭上微生物的降解和活性炭的吸附作用 对AOC的去除率较好 一般在30 以上 如果条件合适 能达到60 以上 李灵芝研究得出 GAC对AOC有较高的去除率 39 74 刘文君经过研究指出活性炭对AOC的去除比较稳定 约为30 60 昊红伟等研究表明 活性炭吸附对AOC的去除率在30 一60 左右 对BDOC的去除率达到了33 8 张长等发现 GAC 石英砂生物过滤对于可生化降解部分中的有机碳显示了良好的去除特性 对AOC BDOC的去除率分别高达83 9 和66 0 臭氧活性炭处理 张淑琪等发现 某石化地区地下水原水AOC含量为413 g L 臭氧氧化使水中AOC增加7倍 活性炭工艺出水AOC为257 g L 孔令宇等发现 臭氧 生物活性炭对AOC的去除率 80 出水AOC浓度为25 9 46 4 g乙酸碳 L 属生物稳定性水质 单独GAC柱对AOC的去除率在40 左右 出水AOC浓度为85 8 117 6 g乙酸碳 L 有时不能满足水质生物稳定性的要求 李璇等发现臭氧 生物活性炭明显降低黄浦江水源水厂的砂滤出水中的AOC浓度 提高饮用水的生物稳定性 Hu等发现 臭氧一生物活性炭工艺对AOC的去除率为80 以上 Ribas等认为 臭氧会引起BDOC增加53 8 一63 6 而加臭氧后通过与粒状活性炭过滤 形成BAC 可使DOC去除率达29 9 53 6 BDOC去除率达到52 一70 7 鲁巍等发现 臭氧 生物活性炭可有效去除AOC 而臭氧 普通活性炭无法有效控制臭氧氧化后生成的AO