深度處理對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

李帥1，鹿長青1,2，林惠榮1，張勝華1

(1. 中國科學院城市環(huán)境研究所，福建廈門361021；2. 合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009)

摘要給水系統(tǒng)中細菌再生長是自來水管網(wǎng)水質(zhì)惡化的主要原因之一，水中可同化有機碳(AOC)被認為是影響細菌再生長的主要因素。飲用水常規(guī)的處理工藝僅能去除約20%的AOC，不過生物預處理、臭氧—生物活性炭、納濾可以有效去除AOC，從而提高飲用水生物穩(wěn)定性。在保證水中消毒劑余量的前提下，常規(guī)處理結(jié)合深度處理去除AOC是控制細菌再生長的有效方式。

關鍵詞深度處理生物穩(wěn)定性可同化有機碳(AOC)生物預處理臭氧—生物活性炭膜過濾

中圖分類號：TU991文獻標識碼： B

[收稿日期]2014-12-25

[基金項目]國家自然科學

[作者簡介]李帥(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為飲用水處理及水處理微生物學。電話： 0592-6190536；E-mail： shuaili@iue.ac.cn。

[通訊作者]張勝華，電話： 0592-6190530；E-mail： shzhang@iue.ac.cn。

Effect of Advanced Treatment on Biological Stability of Drinking Water

Li Shuai1, Lu Changqing1,2, Lin Huirong1, Zhang Shenghua1

(1.InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China;

2.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

AbstractBacterial regrowth in water supply system is one of main reasons causing water quality deterioration in pipeline, and assimilable organic carbon (AOC) is the key factor of bacterial regrowth. The conventional treatment can only remove about 20% AOC. However, the advanced technologies such as biological pretreatment, O3-BAC and nano-membrane filtration, can remove AOC effectively and improve biological stability in drinking water. The combined processes of conventional treatment and these advanced ones are often applied in full-scale water purification facilities to remove AOC and control the bacterial regrowth with the premise of sufficient disinfectant residues.

Keywordsadvanced treatmentbiological stabilityassimilable organic carbon (AOC)biological pretreatment O3-BACmembrane filtration

經(jīng)給水廠處理后的飲用水在輸送至用戶的途中，在水中仍存在可生物降解有機物，因此出水中未被消毒工藝殺死的微生物或經(jīng)其他途徑進入給水管網(wǎng)的微生物可以利用這些有機物生長繁殖。給水管網(wǎng)中微生物存在的形式有兩種： 懸浮生長和管壁附著生長。由于水中余氯的存在，微生物的懸浮生長會得到一定程度的抑制，但是管壁附著生長的微生物可以形成生物膜，生物膜可以減少余氯對微生物的損傷。管網(wǎng)中普遍存在生物膜，水中的營養(yǎng)物質(zhì)、溫度、水力因素、消毒劑種類和余量及管道材質(zhì)都是給水管網(wǎng)中生物膜形成的影響因素[1]。給水管網(wǎng)管壁上的生物膜會導致水質(zhì)惡化，引起色度和濁度升高，加劇管道腐蝕，縮小過水斷面，發(fā)生爆管，增加能耗，降低輸水能力，而且病原微生物的再生長會增加水傳播疾病暴發(fā)的可能性。細菌再生長是水廠和用戶之間水質(zhì)惡化的最主要原因[2]。

本文討論了飲用水處理工藝對水中可同化有機碳的影響，希望能為飲用水生物穩(wěn)定性的研究及實際控制提供合理建議。

1飲用水生物穩(wěn)定性及其評價指標

1.1飲用水生物穩(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物(BOM)支持異養(yǎng)菌生長的潛力，即當飲用水中的有機物成為限制異養(yǎng)菌生長的唯一因素時，水中營養(yǎng)物質(zhì)支持細菌生長繁殖的最大潛力[3]。

1.2飲用水生物穩(wěn)定性評價指標

1.2.1可同化有機碳

可同化有機碳(AOC)指溶解性有機碳(DOC)中易被細菌吸收同化，轉(zhuǎn)化為細胞質(zhì)量的部分[4,5]。AOC通常由分子量小于1000Da，帶有負電荷官能團的低分子量有機物組成[6,7]，通常只占總有機碳很小的一部分，為0.1%～9.0%[8]。

給水管網(wǎng)中AOC濃度和異養(yǎng)菌密度之間有明顯的關系[9,10]，因而被認為是飲用水給水系統(tǒng)中控制微生物生長的主要營養(yǎng)物質(zhì)[11,12]。目前，國際上大都采用測定飲用水中AOC的方法來判斷給水管網(wǎng)中大腸桿菌等異養(yǎng)菌的再生繁殖潛力[5]。一般認為給水管網(wǎng)中沒有余氯時，AOC濃度小于10μg/L的飲用水中異養(yǎng)菌不會增加[9]；而給水管網(wǎng)中存在余氯時，AOC濃度介于50～100μg/L就可以限制大腸桿菌的再生長[10]。

1.2.2可生物降解溶解性有機碳

可生物降解溶解性有機碳(BDOC)是水中微生物新陳代謝的物質(zhì)和能量來源，包括微生物同化作用和異化作用的消耗。飲用水中BDOC占總DOC的10%～30%[13]。

BDOC作為評價水質(zhì)生物穩(wěn)定性的指標也受到了研究者的關注。Kooij[9]認為BDOC不能作為預測細菌再生長的參數(shù)，因為BDOC濃度和異養(yǎng)菌數(shù)量之間并沒有明顯的關系。而Escobar等[14]認為AOC和BDOC應該作為兩個相互補充的參數(shù)來表征飲用水生物穩(wěn)定性，如果只選擇兩者之一，可能會高估或者低估飲用水的生物穩(wěn)定性。原因可能是AOC和BDOC測定的是BOM中的不同部分[15]，AOC不能反映處理過程中BDOC的去除量、管網(wǎng)中可被水解轉(zhuǎn)化成AOC的BDOC的量[3]。

1.2.3微生物可利用磷

盡管AOC被認為是飲用水給水系統(tǒng)中控制微生物生長的主要營養(yǎng)物質(zhì)，但是Lehtola[16,17]發(fā)現(xiàn)在一些含有足夠有機物的水中，限制微生物生長的不是有機碳而是磷，在這種情況下，由于微生物對磷的需求較少，磷濃度一個很小的變化都會大大影響微生物的生長，因此AOC和磷酸銨鎂(MAP)都應該作為飲用水中限制微生物生長的因素。另外，姜登嶺等[18]研究發(fā)現(xiàn)在水源水和處理工藝中，AOC是微生物生長繁殖的決定性因素，而在其研究的配水干管中，磷成為細菌再生長的限制因子。Sang[19]也認為磷是飲用水中細菌生長的限制因素，應該得到重視。

因此，BDOC和MAP應該作為AOC的補充指標，才能更全面的評價飲用水的生物穩(wěn)定性。

2常規(guī)處理工藝對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

常規(guī)處理對AOC 的去除非常有限，去除率為30%以下[4]，平均為20%左右[20]，因此在受污染的情況下無法保證飲用水的生物穩(wěn)定性[5,21]。

常規(guī)的混凝沉淀可有效去除懸浮物和膠體物質(zhì)，但對溶解性有機物的去除效果卻不佳，主要去除分子量大于1萬Da的有機物，對分子量小于3000Da的有機物幾乎無法去除甚至反而使其增加[22]，而AOC是以小分子有機物為主，因此去除效果不佳。氯消毒時，氯與未被去除的有機物發(fā)生氧化反應，將其轉(zhuǎn)化為容易被細菌利用的有機物，使AOC濃度有所上升[4,5,17,23,24]。因此，有必要對飲用水進行深度處理，以減少AOC含量，提高生物穩(wěn)定性。

3深度處理對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

3.1生物預處理對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

生物預處理是指在常規(guī)凈水工藝之前，增設生物處理工藝，利用微生物的新陳代謝，對水中的有機污染物、氮磷及鐵錳等無機污染物進行初步處理，如此可以減輕后續(xù)工藝的負擔。飲用水生物預處理一般采用生物膜法，如曝氣生物濾池(BAF)、陶粒生物濾池、浸沒式彈性填料接觸氧化池、生物流化床等，附著在填料表面的生物膜可以降解水中的有機物、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而達到凈化水質(zhì)的目的[25-27]。

Okabe等[23]研究了多介質(zhì)過濾(MF)、旋轉(zhuǎn)膜生物反應器(RBMR)、多介質(zhì)過濾+生物活性炭(MF+BAC)對混凝沉淀出水AOC的去除效果，發(fā)現(xiàn)RBMR或MF+BAC對AOC的去除率大于85%，而MF對AOC的去除率為75%，RBMR或MF+BAC處理出水中生物膜的生長比MF處理出水慢，生物處理(RBMR或MF+BAC)可以有效去除AOC，改善飲用水生物穩(wěn)定性。

BAF預處理可以消耗原水中大部分可生物降解有機物，減少給水管網(wǎng)中細菌再生的可能性，提高飲用水的生物穩(wěn)定性[27]。生物陶粒預處理可以去除45%左右的AOC，如果在它之前先經(jīng)過預臭氧化，生物處理的去除率可增大到58.4%[12, 20]；而Li等[5]研究發(fā)現(xiàn)生物陶粒預處理對AOC的去除率為 54%，有效減小了后續(xù)單元的負擔，降低了飲用水的潛在危害性。Hu[28]以活性黏土、沸石為填料，發(fā)現(xiàn)生物過濾預處理的最佳空床接觸時間為30min，可以去除40%～45%的AOC。Lim等[29]對曝氣式浸沒生物濾池進行了研究，發(fā)現(xiàn)生物處理可以提高生物穩(wěn)定性。

可見，生物預處理可以降解可生物降解有機物，減少AOC，降低給水管網(wǎng)中細菌再生長的可能性，提高出水的生物穩(wěn)定性[26，30]。

3.2臭氧—生物濾池對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

臭氧—生物活性炭(O3-BAC)中臭氧化和生物過濾兩種工藝在提高飲用水生物穩(wěn)定性的過程中缺一不可。前者可以去除水中的嗅和味，有效殺滅微生物，又可以將大分子有機物氧化分解為小分子有機物，如有機酸、醛類、酮酸等，提高了有機物的可生化降解性，使水中AOC和MAP濃度上升[16,17,31-39]，這也為生物活性炭(BAC)濾池中的生物膜微生物提供了豐富的營養(yǎng)，提高其活性，使其可以高效去除水中的有機物。整個工藝對AOC、BDOC等的去除效果大大高于單一工藝的去除效果，具有明顯的協(xié)同作用。O3-BAC出水營養(yǎng)性指標(氨氮、總磷、鐵、錳、AOC)較常規(guī)處理明顯降低，一定程度上抑制了管網(wǎng)中細菌的再生長，提高了飲用水的生物穩(wěn)定性和安全性[5,21,38,40]。在傳統(tǒng)處理工藝的基礎上補充預臭氧、O3-BAC可以大大改善飲用水的生物穩(wěn)定性[41]。但是，O3-BAC可能發(fā)生活性炭表面生物膜老化脫落并穿透炭層，造成生物泄露，所以在應用過程中應注意。

張朝暉等[42]研究發(fā)現(xiàn)曝氣生物濾池和O3-BAC對AOC的去除率分別為70%和82%, 認為顆?；钚蕴?GAC)或者無煙煤作為濾料都可以有效去除AOC；而Chien[31,32]認為與GAC相比，無煙煤對AOC的去除效果較低，不能滿足水質(zhì)要求，因此不能代替GAC作為生物過濾過程的填料。

3.3膜過濾對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

膜分離技術是20世紀70年代開始發(fā)展起來的，在90年代得到快速發(fā)展，被認為是當前最具發(fā)展?jié)摿Φ纳疃人幚砑夹g。膜分離技術以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，根據(jù)膜孔徑的大小可以分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)。

微濾膜和超濾膜是低壓驅(qū)動膜，可有效去除水中的顆粒物、細菌和胞囊，但是其對有機物的去除效果較差。超濾出水生物量大大減少，但是AOC濃度依然偏高，出水生物膜生長快，無法保證出水的生物穩(wěn)定性，這也說明了減少水中營養(yǎng)物質(zhì)以抑制細菌再生長的重要性[23]。因此，超濾必須與其他工藝(如活性炭吸附或納濾、反滲透)結(jié)合，才能保證出水水質(zhì)[42]。

與微濾、超濾相比，納濾和反滲透則能去除廣泛的有機污染物。納濾膜的小孔徑、電荷特性使得納濾膜可以去除分子量為200～300 Da的有機物和多價離子[43]。納濾可以有效截留多糖、腐殖質(zhì)等高分子有機物，這些高分子有機物的透過率低于1%；帶電的低分子有機物可以被納濾有效截留，透過率低于3%；電中性的低分子有機物和疏水性有機物的透過率分別為6%和12%[44]。納濾可以有效去除BDOC[45]，但是納濾對AOC的截留效果不佳，去除程度不足以限制細菌生長，濾過水中的AOC濃度高于生物穩(wěn)定飲用水的標準，也就是說納濾出水不具有生物穩(wěn)定性[44-46]，盡管如此，與原水相比，納濾也大大減小了AOC濃度；納濾和超濾所不能去除的天然有機物(NOM)比進水中的NOM親水性更強，分子更小，可生物降解性更強[47]。高通量反滲透膜對AOC的去除效果較好，其出水是生物穩(wěn)定的[44]。

Escobar等[48]認為反滲透和納濾對AOC的去除機理主要是電荷排斥，對BDOC的去除主要依靠孔徑截留；發(fā)現(xiàn)在低硬度、低離子強度的條件下，AOC的去除率更高，另外高pH也會使AOC去除率略有升高；水廠中納濾可以有效去除BDOC，但是不能截留原水中的大部分AOC，其原因可能是前處理階段加酸導致的低pH、高硬度、高離子強度造成的。

4深度處理工藝在我國自來水廠的應用情況

目前，由于原水水質(zhì)惡化及人們對水質(zhì)要求的提高，我國很多水廠對處理工藝進行了升級改造，在94家已建和在建的深度處理水廠中，有73家水廠選用了O3-BAC技術，14家水廠選用了膜過濾技術，19家水廠增加了生物預處理工藝。O3-BAC和生物預處理可以有效去除氨氮、COD等，而細菌、大分子物質(zhì)等可以被膜過濾技術有效截留，經(jīng)過升級改造，水廠出水水質(zhì)明顯提高，具體如表1所示[49]。

表1　深度處理工藝在我國部分地區(qū)水廠的應用情況

注： a-山東省9家水廠中東營市第二自來水廠原水水質(zhì)較差，其濁度為30 NTU，氨氮為1mg/L，CODMn為4.2mg/L，屬Ⅳ類水；b-上海市8家水廠中青浦第二水廠原水中氨氮濃度高達2.5mg/L，屬劣Ⅴ類水；c-余杭仁和水廠原水濁度高達282 NTU，經(jīng)過處理，出水濁度降至0.1 NTU

5結(jié)語

給水管網(wǎng)中細菌再生長是管網(wǎng)水質(zhì)惡化的主要原因，AOC和余氯被認為是影響給水系統(tǒng)中異養(yǎng)菌生長的兩個主要因素。當AOC濃度足夠低時，AOC對控制生物膜形成和異養(yǎng)菌濃度具有重要影響；當AOC濃度過高(>50μg AC/L)時，余氯是控制細菌生長所必需的[50]。但是氯的使用帶來的消毒副產(chǎn)物會危害人體健康，因此最佳辦法仍是提高AOC去除率，盡可能地降低AOC濃度，同時保證余氯，防止細菌再生長的發(fā)生。

氧化劑(如臭氧、過氧化氫、氯)可以氧化有機物，使得AOC濃度升高，降低生物穩(wěn)定性，但也提高了有機物的可生化性，可以結(jié)合生物處理，提高有機物去除率，從而提高生物穩(wěn)定性。

常規(guī)飲用水處理工藝對于水中AOC的去除效果不佳，需要配合深度處理工藝提高AOC去除率，提高飲用水生物穩(wěn)定性。常規(guī)處理結(jié)合生物預處理、臭氧—生物活性炭和膜處理可有效提高生物穩(wěn)定性。

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