飲用水水質(zhì)生物穩(wěn)定性控制

1、飲用水水質(zhì)生物穩(wěn)定性控制第1頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四主要內(nèi)容1 水質(zhì)生物穩(wěn)定性的問(wèn)題2水質(zhì)生物穩(wěn)定的控制技術(shù)第2頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四第1部分 水質(zhì)生物穩(wěn)定性的問(wèn)題第3頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四飲用水中微生物的再生長(zhǎng)飲用水中的污染物給人類健康帶來(lái)了兩方面的風(fēng)險(xiǎn)：化學(xué)毒理性風(fēng)險(xiǎn)和微生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)?；瘜W(xué)性風(fēng)險(xiǎn)是由于飲用水中含有各種對(duì)人體有害有毒的化學(xué)物質(zhì)而造成的；微生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)則是由于飲用水中存在的病原微生物引起的。多數(shù)水廠的經(jīng)驗(yàn)表明，并不能完全依靠消毒劑來(lái)防止細(xì)菌在管網(wǎng)中的再生長(zhǎng)，尤其是細(xì)菌在管壁上的附著生

2、長(zhǎng)。引起給水管網(wǎng)中細(xì)菌的重新生長(zhǎng)和繁殖的主要誘因是飲用水中殘存的異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)所需有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，即使保持較高的余氯量，只要水中存在足夠的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，細(xì)菌仍可以在配水管網(wǎng)中生長(zhǎng)繁殖。第4頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四飲用水中微生物的再生長(zhǎng)的危害 給水管網(wǎng)中細(xì)菌的重新生長(zhǎng)和繁殖能引起許多不良后果，包括微生物代謝引起的管網(wǎng)腐蝕、致病微生物和非致病微生物、嗅味和顏色的產(chǎn)生等。國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道在給水管道生物膜檢測(cè)到致病菌和條件致病菌。國(guó)內(nèi)因供水二次污染而引起介水傳染病的爆發(fā)流行屢有發(fā)生。第5頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四國(guó)內(nèi)外管網(wǎng)生物膜生長(zhǎng)1Allen等發(fā)

3、現(xiàn)在美國(guó)各個(gè)水廠的配水管網(wǎng)管壁中都有很大數(shù)量的球狀菌、桿狀藻、絲狀菌和藻類。 Joseph O. Falkinham III等人在管網(wǎng)生物膜樣中檢出了Mycobacterium intracellulare，平均數(shù)量為600 cfu/cm2。Park 等人對(duì)Scotland東北部的給水管網(wǎng)進(jìn)行分析，在鑄鐵管內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了Helicobacter的存在，這是給水管網(wǎng)中首次發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌。第6頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四國(guó)內(nèi)外管網(wǎng)生物膜生長(zhǎng)2賀北平（在某市對(duì)管道取樣分析表明：300mm的管道使用20年后內(nèi)壁黃色銹鎦高達(dá)40mm，掃描電鏡分析證明管壁有桿菌、球菌、絲狀菌等，細(xì)菌

4、鑒定結(jié)果有兩種優(yōu)勢(shì)異養(yǎng)菌：粘質(zhì)沙雷氏菌和乙酸鈣不動(dòng)桿菌產(chǎn)堿亞種，前者為條件致病菌。岳舜琳?qǐng)?bào)道某城市發(fā)現(xiàn)管垢厚達(dá)1620mm，赤色、有土腥味，檢出鐵細(xì)菌、埃希氏大腸桿菌等6種微生物。 劉小琳等對(duì)北京市飲用水管網(wǎng)管壁微生物膜群落分析結(jié)果表明，管網(wǎng)中存在潛在一些致病菌如蠟狀芽孢桿菌、假單胞菌和溶血不動(dòng)桿菌。第7頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四城市管網(wǎng)不同管材的腐蝕情況第8頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四我國(guó)南方某市城市管網(wǎng)生物膜電鏡照片第9頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四飲用水中微生物的再生長(zhǎng)的原因 細(xì)菌在管網(wǎng)中的再生長(zhǎng)包括兩方

5、面：水溶液中的懸浮生長(zhǎng)和管壁的附著生長(zhǎng)，即生物膜。 由于飲用水為貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，細(xì)菌在管壁的附著生長(zhǎng)比在水溶液中的懸浮生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)，原因在于：（1）大分子物質(zhì)容易在固液表面沉積，構(gòu)造一個(gè)營(yíng)養(yǎng)相對(duì)豐富的微環(huán)境；（2）即使管網(wǎng)中有機(jī)物濃度較低，高水流速度仍能輸送較多的營(yíng)養(yǎng)到固定生長(zhǎng)的生物膜表面；（3）固定生長(zhǎng)的細(xì)菌能有效躲過(guò)管網(wǎng)余氯的殺傷；（4）由于邊界層效應(yīng)可使管壁處水流的沖刷作用減小。 基于類似原因，管網(wǎng)水中懸浮或膠體顆粒上也會(huì)附著生長(zhǎng)一定數(shù)量的細(xì)菌或其他微生物，而且在常規(guī)的對(duì)飲用水中細(xì)菌或大腸桿菌的檢測(cè)中不易被檢出。 管壁生物膜的生長(zhǎng)，容易引起管道腐蝕、長(zhǎng)粘垢，促使更多細(xì)菌生長(zhǎng)，生物膜不定期的膜老

6、化脫落還會(huì)引起水的色度、濁度上升及水中懸浮細(xì)菌數(shù)的增加，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。因此，必須設(shè)法控制細(xì)菌在管網(wǎng)中的再生長(zhǎng)。第10頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四飲用水的生物穩(wěn)定性 飲用水的生物穩(wěn)定性，就是指飲用水中可生物降解有機(jī)物BOM支持異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的潛力，即當(dāng)有機(jī)物成為異養(yǎng)細(xì)菌再生長(zhǎng)的限制因素時(shí)，水中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)支持異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的最大可能性。飲用水生物穩(wěn)定性高，表明水中細(xì)菌生長(zhǎng)所需的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物含量低，細(xì)菌不易在其中生長(zhǎng)；反之，飲用水生物穩(wěn)定性低，則表明水中細(xì)菌生長(zhǎng)所需的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物含量高，細(xì)菌容易在其中生長(zhǎng)。 生物穩(wěn)定的飲用水是指在配水管網(wǎng)中不會(huì)引起異養(yǎng)細(xì)菌等微生物再生長(zhǎng)的飲用水

7、，飲用水生物穩(wěn)定性的提高意味著其微生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)的降低。第11頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四飲用水管網(wǎng)中細(xì)菌再生長(zhǎng)的影響因素 配水管網(wǎng)中細(xì)菌的再生長(zhǎng)過(guò)程主要依賴于： 微生物分別和充當(dāng)能源的化合物（包括有機(jī)和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物）、環(huán)境狀況（包括溫度、水力條件等）以及物化過(guò)程（包括沉淀、腐蝕和消毒等）之間的相互作用。促進(jìn)生長(zhǎng)的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物濃度一向被認(rèn)為是細(xì)菌再生長(zhǎng)的主要誘因。提高飲用水的生物穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于控制進(jìn)入給水管網(wǎng)中的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的含量。第12頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四其它影響因素121 水溫 水溫可能是細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中最重要的速率控制參數(shù)。溫度直接或

8、間接地影響著控制細(xì)菌生長(zhǎng)的所有因素，包括處理工藝效率、微生物生長(zhǎng)速率、消毒效果、消毒劑余量的擴(kuò)散、腐蝕率和流速等。2 磷酸鹽 一般認(rèn)為飲用水中細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因子主要是有機(jī)碳，但最近一些研究表明，一些無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，尤其是磷酸鹽，可能會(huì)成為某些腐殖質(zhì)含量較豐富的飲用水中細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因子 。 磷是微生物正常生長(zhǎng)和繁殖不可缺少的元素。在特定情況下，當(dāng)碳源和氮源充足而磷源缺乏時(shí)，磷就會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制性作用。 飲用水中可溶性磷酸鹽濃度低于10g/l時(shí)異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)就會(huì)受到限制。缺磷條件下，外加微量（如1g/l）正磷酸鹽時(shí)就能大大促進(jìn)飲用水管網(wǎng)中異養(yǎng)微生物生。 Sathasivan等采用利用細(xì)菌生

9、長(zhǎng)潛力的方法分析了在東京配水管網(wǎng)中采集的28個(gè)水樣，證實(shí)了磷對(duì)微生物生長(zhǎng)有明顯的限制作用，并提出當(dāng)磷的濃度為13 g/l PO43-P/L時(shí)，磷可能成為飲用水中微生物生長(zhǎng)的限制因子。 趙新華等對(duì)中國(guó)南方某市配水管網(wǎng)中總磷和細(xì)菌總數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，細(xì)菌總數(shù)與總磷有較好的相關(guān)關(guān)系，總磷含量較高時(shí)細(xì)菌總數(shù)也較高。 第13頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四其它影響因素343 余氯 目前，在各個(gè)水廠中，出廠水通過(guò)加氯或氯胺消毒并保持管網(wǎng)中一定的余氯以控制細(xì)菌生長(zhǎng)是普遍采用的方法。氯或氯胺消毒的機(jī)理是破壞細(xì)胞膜、酶系統(tǒng)和蛋白質(zhì)。但是，經(jīng)驗(yàn)已表明并不能完全依賴自有余氯的維持

10、來(lái)防止細(xì)菌的生長(zhǎng)。部分在氯消毒過(guò)程中受傷的細(xì)菌在管網(wǎng)中能自我修復(fù)并重新生長(zhǎng)。4 流速 管網(wǎng)中水的流速可能以幾種方式影響管壁上細(xì)菌的生長(zhǎng)。增加流速可以將更多的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)帶到管壁生物膜處，同時(shí)也增加了氯量和對(duì)管壁生物膜的沖刷作用，死水區(qū)由于沒(méi)有氯，往往導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)、水質(zhì)惡化，水流驟開驟停能使管壁生物膜沖刷下來(lái)，水流中細(xì)菌量急劇上升。Donlan和Pipes的研究顯示流速對(duì)于生物膜計(jì)數(shù)是負(fù)相關(guān)關(guān)系。 第14頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四其它影響因素565 管材 早在1890年，De Vries就報(bào)道，在Ratterdam的一家自來(lái)水廠中，建造清水池所用的木材會(huì)促進(jìn)鐵細(xì)菌屬（

11、Crenothrix）和櫛水（Asellus aquaticus）的生長(zhǎng)。合成材料的引進(jìn)已經(jīng)大大增加了可降解化合物釋放于飲用水中的可能性。一些涂層能促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，如PVC、聚乙烯的材料等。 6 配水管網(wǎng)的管理運(yùn)行情況 如果配水管網(wǎng)管理不善，常常會(huì)導(dǎo)致管壁嚴(yán)重腐蝕或者末端滯水等問(wèn)題，給管網(wǎng)水中細(xì)菌再生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。 第15頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四鍍鋅鋼管和PVC管生物膜隨時(shí)間的變化 第16頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四生物穩(wěn)定性的指標(biāo)AOC和BDOC飲用水中細(xì)菌賴以生存的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的指標(biāo)主要包括：生物可同化有機(jī)碳（assmilable

12、 Organic Carbon, AOC）和生物可降解溶解性有機(jī)碳（Biodegradable Dissolved Organic Carbon, BDOC）。AOC是有機(jī)物中最易被細(xì)菌吸收同化成細(xì)胞體的部分，是可生物降解有機(jī)物的一部分；BDOC是水中細(xì)菌和其它微生物新陳代謝的物質(zhì)和能量的來(lái)源，包括微生物同化作用和異化作用的消耗。如果飲用水中AOC或BDOC含量較高，則水質(zhì)生物穩(wěn)定性較差，細(xì)菌就容易在配水管網(wǎng)中生長(zhǎng)繁殖，致病菌出現(xiàn)的可能性也隨之增大。只有降低出廠水中AOC和BDOC的含量，才能有效控制細(xì)菌在管網(wǎng)中的生長(zhǎng)繁殖，達(dá)到降低飲用水的微生物風(fēng)險(xiǎn)的目的。第17頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月

13、20日，5點(diǎn)33分，星期四AOC和BDOC的關(guān)系這兩者都是評(píng)價(jià)飲用水生物穩(wěn)定性的指標(biāo)，從概念上看AOC應(yīng)包含在BDOC之中，但對(duì)實(shí)際管網(wǎng)分析中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)二者之間沒(méi)有一定的比例關(guān)系，互相獨(dú)立。作為生物穩(wěn)定性的兩種測(cè)定指標(biāo)，AOC和BDOC各自的應(yīng)用目的和應(yīng)用范圍并沒(méi)有嚴(yán)格的限定，不同國(guó)家不同地區(qū)側(cè)重有所不同；有些國(guó)家偏重于AOC的監(jiān)測(cè)研究，有些則偏重于BDOC。 第18頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四AOC和BDOC與生物穩(wěn)定性的關(guān)系Van Der Kooij對(duì)20個(gè)水廠進(jìn)行調(diào)查后，認(rèn)為當(dāng)AOC10g/L乙酸碳時(shí)，異養(yǎng)細(xì)菌幾乎不能生長(zhǎng)，飲用水穩(wěn)定性很好。Lechevall

14、ier提出，當(dāng)AOC100g/L乙酸碳時(shí)，大腸桿菌生長(zhǎng)受限制；在有氯的條件下，保持AOC濃度50100g/L乙酸碳時(shí)，水質(zhì)能達(dá)到生物穩(wěn)定。Dukan等通過(guò)動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出管網(wǎng)中BDOC低于0.25mgC/L時(shí)能達(dá)到水質(zhì)生物穩(wěn)定。Laurent等人通過(guò)SANCHO模型計(jì)算出BDOC100，000DaltonS，因此強(qiáng)化混凝對(duì)DOC和BDOC有較好的去除率。一般的研究表明,常規(guī)處理對(duì)AOC和BDOC有一定的去除能力，但波動(dòng)較大，強(qiáng)化混凝和強(qiáng)化過(guò)濾技術(shù)可提高現(xiàn)有水廠出廠水的生物穩(wěn)定性。第23頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四氧化處理Ribas等認(rèn)為臭氧會(huì)引起B(yǎng)DOC增加53.8%

15、一63.6%，因?yàn)椴糠植豢山到庥袡C(jī)物被臭氧氧化成易降解有機(jī)物，使一些天然有機(jī)物氧化成小分子的有機(jī)物，而小分子有機(jī)物易被生物作為營(yíng)養(yǎng)吸收。Hu等研究發(fā)現(xiàn)臭氧使AOC值升高了2.19倍。魯巍等認(rèn)為氧化劑的投加會(huì)增加AOC和BDOC濃度,降低生物穩(wěn)定性。馬軍等發(fā)現(xiàn)臭氧催化氧化比單純的臭氧氧化能更徹底地將部分大分子有機(jī)物氧化成小分子中間產(chǎn)物,陶粒、硅膠和沸石負(fù)載TiO23種催化劑分別將AOC從大約300gL-1增加到6741、8472和8821gL-1,并且分別使AOC/TOC從原水的468%升高到305%、3321%和4604%,大大地提高了水中有機(jī)物的可生物降解性.第24頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，

16、5月20日，5點(diǎn)33分，星期四生物預(yù)處理 吳紅偉研究表明，生物陶粒預(yù)處理對(duì)BDOC的去除率為60%，對(duì)AOC的去除率為45%左右，發(fā)揮了較好的作用，具有較強(qiáng)的生物降解能力。上海周家渡水廠采用曝氣生物濾池(BAF)預(yù)處理黃浦江原水的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果表明,周家渡水廠原水的AOC為619g/L,而BAF出水為284g/L,說(shuō)明BAF對(duì)AOC有明顯的去除效果。 黃河水中AOC 和 BDOC的濃度分別是276g/L 和 1.57 mg/L時(shí)，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器和陶粒生物濾池都能夠十分有效地降低水中AOC 和 BDOC濃度，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器對(duì)AOC 和 BDOC去除率分別為42.8%和65.5%，陶粒生物

17、濾池對(duì)AOC 和 BDOC去除率分別為62.3%和86.4%。 因此采用生物預(yù)處理技術(shù)可有效地提高出廠水的生物穩(wěn)定性。第25頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四活性炭處理技術(shù) 王麗花等對(duì)國(guó)內(nèi)飲用水生物穩(wěn)定性的調(diào)查研究結(jié)果表明，生物活性炭處理由于活性炭上微生物的降解和活性炭的吸附作用,對(duì)AOC的去除率較好,一般在30%以上,如果條件合適,能達(dá)到60%以上。李靈芝研究得出，GAC對(duì)AOC有較高的去除率(39%74%)。劉文君經(jīng)過(guò)研究指出活性炭對(duì)AOC的去除比較穩(wěn)定,約為30%60%。昊紅偉等研究表明，活性炭吸附對(duì)AOC的去除率在30%一60%左右，對(duì)BDOC的去除率達(dá)到了33.

18、8%。張長(zhǎng)等發(fā)現(xiàn)，GAC-石英砂生物過(guò)濾對(duì)于可生化降解部分中的有機(jī)碳顯示了良好的去除特性,對(duì)AOC、BDOC的去除率分別高達(dá)83.9%和66.0%。第26頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四臭氧活性炭處理張淑琪等發(fā)現(xiàn)，某石化地區(qū)地下水原水AOC含量為413g/L, 臭氧氧化使水中AOC增加7倍，活性炭工藝出水AOC為257g/L。孔令宇等發(fā)現(xiàn)，臭氧生物活性炭對(duì)AOC的去除率80%,出水AOC濃度為25. 946. 4g乙酸碳/L,屬生物穩(wěn)定性水質(zhì);單獨(dú)GAC柱對(duì)AOC的去除率在40%左右,出水AOC濃度為85. 8117. 6g乙酸碳/L,有時(shí)不能滿足水質(zhì)生物穩(wěn)定性的要求。

19、李璇等發(fā)現(xiàn)臭氧生物活性炭明顯降低黃浦江水源水廠的砂濾出水中的AOC濃度，提高飲用水的生物穩(wěn)定性。Hu等發(fā)現(xiàn)，臭氧一生物活性炭工藝對(duì)AOC的去除率為80%以上。Ribas等認(rèn)為，臭氧會(huì)引起B(yǎng)DOC增加53.8%一63.6%，而加臭氧后通過(guò)與粒狀活性炭過(guò)濾，形成BAC，可使DOC去除率達(dá)29.9%53.6%，BDOC去除率達(dá)到52%一70.7%。魯巍等發(fā)現(xiàn)，臭氧+生物活性炭可有效去除AOC,而臭氧+普通活性炭無(wú)法有效控制臭氧氧化后生成的AOC.。國(guó)內(nèi)外的研究一般都表明，飲用水處理過(guò)程中投加臭氧,可提高飲用水的可生物降解性.臭氧氧化后繼的生物過(guò)濾,可以減少水中可生物降解有機(jī)物數(shù)量,提高飲用水的生物穩(wěn)定性。第27頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)33分，星期四膜處理SIDDIQUI等認(rèn)為UF對(duì)DOC去除率僅