第6章 饮用水水质生物稳定性控制

其它影响因素5－6
• 5 管材 早在1890年，De Vries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（Asellus aquaticus）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。
AOC和BDOC与生物稳定性的关系
• Van Der Kooij对20个水厂进行调查后，认为当AOC<10μg/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<100μg/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50~100μg/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100μg/L，属于生物 稳定；（2）低于200μg/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。
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。
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。
• 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。 • Joseph O. Falkinham III等人在管网生物膜样中检 出了Mycobacterium intracellulare，平均数量为 600 cfu/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。
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300μg·L-1增加 到674· 1、847· 2和882·1μg·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.
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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。
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。
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。
镀锌钢管和PVC管生物膜随时间的变化
100000
生物膜活菌数 (cfu/cm*cm)
80000 60000 40000 20000 0 镀锌钢管 PVC管 十二个月 六个月
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（assmilable Organic Carbon, AOC） 和生物可降解溶解性有机碳（Biodegradable Dissolved Organic Carbon, 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。
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
饮用水氯消分 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。
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。
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。
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10μg/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1μg/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 μg/l PO43--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。
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。