研究飲用水臭氧消毒中微生物的再生原因和影響因素

 

為保證到達(dá)供水管網(wǎng)末梢飲用水的衛(wèi)生安全，避免微生物再生造成感官上的不適和對用戶健康的潛在風(fēng)險，需要對飲用水進(jìn)行消毒，一是殺滅水源水中的病原微生物或使其失去活性; 二是通過保留部分消毒劑余量，防止微生物再度滋生，確保飲用水的生物穩(wěn)定性。在眾多飲用水消毒方法中，臭氧因?qū)Χ喾N微生物滅活能力強(qiáng)、無氯味等優(yōu)點而備受青睞，近年來實際工程中應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。但是臭氧不穩(wěn)定、易分解，持續(xù)消毒效果差，而且臭氧能將水中大分子有機(jī)物氧化成易于生物降解的小分子有機(jī)物，從而為微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，造成管網(wǎng)中微生物再次生長和繁殖，影響水質(zhì)并威脅用戶健康。因此，研究飲用水臭氧消毒工程中微生物的再生原因和影響因素，探尋生物穩(wěn)定性控制措施，對優(yōu)化臭氧消毒工藝、確保水質(zhì)安全、保障用水戶健康具有重要意義。

 

1 供水管網(wǎng)中微生物的再生和危害

1.1 管網(wǎng)中微生物的來源

管網(wǎng)中微生物的來源主要有以下幾種。

 

( 1) 出廠水中殘留微生物。飲用水消毒過程中，部分微生物可能由于滅活不完全而進(jìn)入管網(wǎng)，在輸送過程中由于消毒劑濃度下降，受傷的細(xì)菌復(fù)活并利用管網(wǎng)中有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)大量繁殖，進(jìn)而威脅著飲用水的生物穩(wěn)定性。

( 2) 管壁生物膜脫落進(jìn)入管網(wǎng)。盡管管網(wǎng)內(nèi)生物量以懸浮菌為主，但管壁生物膜也是水中懸浮菌的來源之一，也是造成管壁腐蝕的重要因素。當(dāng)管壁生物膜生長到一定程度，上層細(xì)菌因為生物膜底層營養(yǎng)，氧傳質(zhì)較難，壞死性脫落而進(jìn)入管網(wǎng)水中。

( 3) 管網(wǎng)二次污染。由于管網(wǎng)停水后水逆流、地下輸水管網(wǎng)破損或由于維護(hù)、維修等原因形成的負(fù)壓，使外界環(huán)境中的微生物侵入管道。

 

1.2 管網(wǎng)中微生物的再生原因

由于給水管網(wǎng)中輸送的出廠水為貧營養(yǎng)環(huán)境，導(dǎo)致其中生長的異養(yǎng)菌在這種環(huán)境下以其獨特的饑餓生存適應(yīng)方式存活下來。與依賴高營養(yǎng)基質(zhì)生存的細(xì)菌相比，生長在貧營養(yǎng)基質(zhì)下的細(xì)菌對消毒劑產(chǎn)生了更強(qiáng)的抗性。對采用臭氧消毒的供水工程，因臭氧氧化能力較強(qiáng)，水中的大分子有機(jī)物的結(jié)構(gòu)會被氧化分解為以醇、酯、羧酸烷烴類等為主的小分子有機(jī)物，有機(jī)物的可生物利用性顯著增強(qiáng)，而生物膜、顆粒物質(zhì)、管壁表面的表面粗糙、邊界層效應(yīng)也為微生物在管網(wǎng)中生長提供了有利條件。所以，經(jīng)過臭氧消毒后，進(jìn)入管網(wǎng)的細(xì)菌仍具有再生的可能性。

 

1.3 管網(wǎng)中微生物再生的危害

管網(wǎng)中微生物再生首先可能會造成用戶端水質(zhì)微生物指標(biāo)的超標(biāo)，其次可能會引起濁度、色度、有機(jī)物、亞硝酸鹽等指標(biāo)濃度的變化，因此而威脅用水戶身體健康。同時，當(dāng)管網(wǎng)水中某一類微生物大量生長時，會使水體產(chǎn)異味和臭味; 當(dāng)管網(wǎng)水中鐵細(xì)菌生長時，會形成絮狀物，造成水的濁度增加; 當(dāng)管網(wǎng)水中單胞菌屬生長時，會引起腸道疾病等。

 

2 飲用水生物穩(wěn)定性及評價指標(biāo)

2.1 生物穩(wěn)定性的概念

飲用水生物穩(wěn)定性是指飲用水中可生物降解有機(jī)物支持異養(yǎng)細(xì)菌生長的潛力，即當(dāng)有機(jī)物成為異養(yǎng)細(xì)菌生長的限制因素時，水中有機(jī)營養(yǎng)基質(zhì)支持細(xì)菌生長的很大可能性。飲用水生物穩(wěn)定性低，則表明水中細(xì)菌生長所需的有機(jī)營養(yǎng)物含量高，細(xì)菌容易生長; 飲用水生物穩(wěn)定性高，則表明管網(wǎng)中微生物細(xì)菌生長所需的有機(jī)營養(yǎng)物含量低，細(xì)菌不易生長。

2.2 飲用水生物穩(wěn)定性的評價指標(biāo)

目前，飲用水生物穩(wěn)定性的評價指標(biāo)主要以可生物同化有機(jī)碳( assimilable organic carbon，AOC) 為主，只有保持出廠水中AOC 含量在一定水平以下，才能根本解決管網(wǎng)中微生物再生問題。AOC 是很易被微生物合成菌體的、支持異養(yǎng)細(xì)菌生長繁殖很好營養(yǎng)基質(zhì)的有機(jī)物，與管網(wǎng)中細(xì)菌生長有較好的相關(guān)性，在國外普遍作為反映飲用水生物穩(wěn)定性的替代參數(shù)。

 

3 采用臭氧消毒時飲用水生物穩(wěn)定性的影響因素

國內(nèi)外相關(guān)研究表明，飲用水中影響生物穩(wěn)定性的因素主要包括: 溫度、管材、水力停留時間、營養(yǎng)源、消毒劑濃度、水處理工藝等。針對采用臭氧消毒的供水工程，對以上因素可能產(chǎn)生的影響做如下分析。

 

3.1 溫度

溫度對于微生物再生作用的主要效果是改變微生物的基礎(chǔ)生長速率。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溫越高時，水中微生物的活動越明顯，水溫不但對細(xì)菌生長速率產(chǎn)生一定的影響，還影響了細(xì)菌的停滯期和細(xì)胞的產(chǎn)量。馬穎等通過一系列實驗探討了溫度與飲用水中生物穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并建立了AOC－T 的評價體系( 表1) 。結(jié)果表明，通常情況下，生活飲用水在保存溫度小于15 ℃的時候生物穩(wěn)定性良好; 在保存溫度大于15 ℃的時候生物穩(wěn)定性較差，而在35 ℃時，飲用水幾乎不具有生物穩(wěn)定性。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，以地表水為水源時，若采用臭氧消毒同時未進(jìn)行深度處理時，消毒后水體的AOC 濃度通常在100μg /L 以上，根據(jù)AOC－T 評價體系，其生物穩(wěn)定性較差。而一般情況下地表水水溫較地下水水溫高，故南方濕熱地區(qū)采用地表水水源時，尤其應(yīng)該注意控制水體的AOC 含量。

 

3.2 管材

供水管網(wǎng)管材類型對生物穩(wěn)定性的影響差異應(yīng)予以重視。由于金屬管壁的腐蝕較塑料管材明顯，同時不同材料管壁的粗糙程度不同，對AOC 產(chǎn)生影響亦不同。付軍等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)投加一定量的消毒劑時，金屬管中AOC 顯著高于塑料管材及出廠水，銅管和鍍鋅管中AOC 高于PPＲ 管。此外，不同的管材腐蝕所釋放的物質(zhì)也有所差異，對水質(zhì)指標(biāo)的影響也不同。管材的管齡以及腐蝕程度都是影響供水水體中微生物穩(wěn)定性的重要因素。羅東浦等研究發(fā)現(xiàn)臭氧對PPＲ、PE、不銹鋼等多種供水管材都存在溶蝕作用，導(dǎo)致水質(zhì)VOCs、TOC 等有機(jī)物指標(biāo)升高，不同類型供水管材存在較明顯差別。肖偉民等開展了不同消毒劑的管材浸泡試驗，發(fā)現(xiàn)管材對水質(zhì)VOCs、TOC 指標(biāo)的影響要大于消毒劑種類的影響。盡管并未有直接研究證實臭氧消毒供水工程中管材對水質(zhì)生物穩(wěn)定性的影響，但根據(jù)上述研究仍可以判斷，當(dāng)飲用水采用臭氧消毒時，管材將是其中一項重要影響因素。

 

3.3 水力停留時間和臭氧濃度

飲用水從出廠到用戶的停留時間越短，流速越快，微生物再生越少。然而，管網(wǎng)水水流對細(xì)菌的生長具有雙重效應(yīng): 一方面，流速越大，管壁生物膜處的營養(yǎng)物質(zhì)越多，從而促進(jìn)細(xì)菌生長; 另一方面，流速越大，對管壁生物膜的沖刷越強(qiáng)，阻礙生物膜生長。由于臭氧半衰期短，出廠一段距離后，臭氧濃度即會降低到較低水平，因此需要同時考慮水流帶來的管壁營養(yǎng)物質(zhì)累積和對生物膜的沖刷。

 

臭氧濃度對生物穩(wěn)定性的影響也有兩面性: 一方面，低臭氧濃度會給細(xì)菌提供在管網(wǎng)中二次生長的有利條件［18］; 另一方面，臭氧投加量低，水體AOC 水平也低，水質(zhì)生物穩(wěn)定性增強(qiáng)。

 

3.4 營養(yǎng)源

飲用水生物穩(wěn)定性與其所在水中的營養(yǎng)環(huán)境有很大關(guān)聯(lián)，這既包括AOC、BDOC 等形態(tài)的碳源，也包括MAP 等磷源以及氨氮等氮源，這些都是微生物生長的營養(yǎng)因子。相關(guān)研究表明，有機(jī)碳、氮、磷的比例為100 ∶ 10 ∶ 1 左右就可提供微生物生長的必要條件。廖一鳴等研究證實調(diào)控上述營養(yǎng)因子的水平能夠控制微生物的再生。

 

3.5 水處理工藝

不同的水處理工藝去除AOC 的效果也顯著不同，這將影響到采用臭氧消毒時的飲用水生物穩(wěn)定性。從表2 可知，常規(guī)處理工藝和優(yōu)化混凝工藝對AOC 有一定去除能力，但效果不穩(wěn)定。活性炭是非極性或弱極性的吸附材料，能有效地去除水中有機(jī)物，并且臭氧－活性炭工藝能夠?qū)OC 達(dá)到很好的去除效果，可獲得生物穩(wěn)定的出廠水。

4 采用臭氧消毒時飲用水生物穩(wěn)定性的控制措施

( 1) 規(guī)范臭氧消毒應(yīng)用范圍。為避免微生物在供水管道中滋生引起的二次污染，筆者建議僅將單一臭氧消毒用于配水管網(wǎng)較短的小型水廠; 而由于酸性條件下，臭氧分解產(chǎn)生的羥基自由基較少，所以臭氧消毒不適用于pH 值較低的水體; 由于溫度過高會降低臭氧在水中的溶解度，加速分解，而水溫過低，會降低羥基自由基的反應(yīng)速度，所以在水溫過高或過低的水體不使用臭氧消毒。

( 2) 重視水質(zhì)凈化效果，控制臭氧投加量。建議在臭氧消毒之前先確保顆粒物的良好去除效果，因為臭氧無法殺滅顆粒物所包裹的微生物，同時通過減少對臭氧的持續(xù)性消耗，可在一定程度上保證殘余臭氧的濃度，抑制生物膜生長。當(dāng)濁度低于0.2 NTU 時，1.6 ～ 2 min mg /L 的作用量對于消毒即可( 例如投加0.4 mg /L 臭氧持續(xù)5 min) 。由3.3 部分論述可知，在可控制微生物二次生長水平的前提條件下，盡可能降低臭氧投加量，也是增強(qiáng)水質(zhì)生物穩(wěn)定性的方法之一。

( 3) 優(yōu)化水處理工藝，控制營養(yǎng)元素濃度。去除微生物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)是實現(xiàn)生物穩(wěn)定性目標(biāo)重要途徑。臭氧不僅對水的可生化性有所改善，而且對有機(jī)營養(yǎng)基質(zhì)的含量可以不斷增加，升高AOC 濃度，而AOC 的增加是水處理的不利影響因素。常規(guī)水處理工藝對AOC 去除效果有限，在水源水有機(jī)物含量較高差或受到污染時，臭氧必須與預(yù)處理、活性炭等工藝相結(jié)合，才能對AOC 有較好的去除，保證飲用水中生物的穩(wěn)定性。

( 4) 采用優(yōu)質(zhì)供水管材，加強(qiáng)管網(wǎng)維護(hù)。鑄鐵管道易形成鐵銹瘤，內(nèi)表面的不平整形成營養(yǎng)相對豐富區(qū)域，使細(xì)菌附著生長導(dǎo)致飲用水生物穩(wěn)定性下降。相對鑄鐵管道，塑料和不銹鋼材質(zhì)的管道因其內(nèi)壁表面光滑不易附著細(xì)菌，微生物與消毒劑更能充分接觸，從而有利于生物穩(wěn)定性的控制。另外，對管道進(jìn)行防腐、內(nèi)表面光滑處理，采用性能良好管材更換舊管道，加強(qiáng)供水管網(wǎng)檢修與維護(hù)，做好定期沖洗等都會有對供水管網(wǎng)微生物再生很好的防治作用。

 

5 結(jié)語

近年來，臭氧消毒在供水工程中的應(yīng)用日趨增加。然而，臭氧不穩(wěn)定、易分解，消毒后會增加水中AOC 含量，管網(wǎng)中微生物存在大量繁殖的可能。因此，考慮到維持供水管網(wǎng)中水質(zhì)生物穩(wěn)定性的需要，應(yīng)用過程中應(yīng)注意以下事項。

( 1) 根據(jù)供水工程的管網(wǎng)長度、水體pH 值、水溫等條件，確定是否適宜選用臭氧消毒工程建設(shè)中應(yīng)該采用PPＲ、不銹鋼等優(yōu)質(zhì)管材，避免有機(jī)物的溶出和微生物的附著再生;

( 2) 在水廠水處理工藝中，應(yīng)提升水質(zhì)凈化效果，合理控制臭氧投加量，優(yōu)化處理工藝，控制出廠水中營養(yǎng)元素的含量，盡可能提高管網(wǎng)水的生物穩(wěn)定性;

( 3) 水廠應(yīng)加強(qiáng)對出廠水和末梢水中臭氧濃度、微生物指標(biāo)的檢測，確保符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。