深度處理對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響

深度處理對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響

李帥1，鹿長(zhǎng)青1,2，林惠榮1，張勝華1

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

摘要給水系統(tǒng)中細(xì)菌再生長(zhǎng)是自來(lái)水管網(wǎng)水質(zhì)惡化的主要原因之一，水中可同化有機(jī)碳(AOC)被認(rèn)為是影響細(xì)菌再生長(zhǎng)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(guò)生物預(yù)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(xì)菌再生長(zhǎng)的有效方式。

關(guān)鍵詞深度處理生物穩(wěn)定性可同化有機(jī)碳(AOC)生物預(yù)處理臭氧—生物活性炭膜過(guò)濾

中圖分類號(hào)：TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

[收稿日期]2014-12-25

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)

[作者簡(jiǎn)介]李帥(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱嬘盟幚砑八幚砦⑸飳W(xué)。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(jī)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(jìn)入給水管網(wǎng)的微生物可以利用這些有機(jī)物生長(zhǎng)繁殖。給水管網(wǎng)中微生物存在的形式有兩種： 懸浮生長(zhǎng)和管壁附著生長(zhǎng)。由于水中余氯的存在，微生物的懸浮生長(zhǎng)會(huì)得到一定程度的抑制，但是管壁附著生長(zhǎng)的微生物可以形成生物膜，生物膜可以減少余氯對(duì)微生物的損傷。管網(wǎng)中普遍存在生物膜，水中的營(yíng)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(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化，引起色度和濁度升高，加劇管道腐蝕，縮小過(guò)水?dāng)嗝?，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(zhǎng)會(huì)增加水傳播疾病暴發(fā)的可能性。細(xì)菌再生長(zhǎng)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(duì)水中可同化有機(jī)碳的影響，希望能為飲用水生物穩(wěn)定性的研究及實(shí)際控制提供合理建議。

1飲用水生物穩(wěn)定性及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(jī)物(BOM)支持異養(yǎng)菌生長(zhǎng)的潛力，即當(dāng)飲用水中的有機(jī)物成為限制異養(yǎng)菌生長(zhǎng)的唯一因素時(shí)，水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)支持細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的最大潛力[3]。

1.2飲用水生物穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.1可同化有機(jī)碳

可同化有機(jī)碳(AOC)指溶解性有機(jī)碳(DOC)中易被細(xì)菌吸收同化，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞質(zhì)量的部分[4,5]。AOC通常由分子量小于1000Da，帶有負(fù)電荷官能團(tuán)的低分子量有機(jī)物組成[6,7]，通常只占總有機(jī)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(guān)系[9,10]，因而被認(rèn)為是飲用水給水系統(tǒng)中控制微生物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[11,12]。目前，國(guó)際上大都采用測(cè)定飲用水中AOC的方法來(lái)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(rèn)為給水管網(wǎng)中沒(méi)有余氯時(shí)，AOC濃度小于10μg/L的飲用水中異養(yǎng)菌不會(huì)增加[9]；而給水管網(wǎng)中存在余氯時(shí)，AOC濃度介于50～100μg/L就可以限制大腸桿菌的再生長(zhǎng)[10]。

1.2.2可生物降解溶解性有機(jī)碳

可生物降解溶解性有機(jī)碳(BDOC)是水中微生物新陳代謝的物質(zhì)和能量來(lái)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(píng)價(jià)水質(zhì)生物穩(wěn)定性的指標(biāo)也受到了研究者的關(guān)注。Kooij[9]認(rèn)為BDOC不能作為預(yù)測(cè)細(xì)菌再生長(zhǎng)的參數(shù)，因?yàn)锽DOC濃度和異養(yǎng)菌數(shù)量之間并沒(méi)有明顯的關(guān)系。而Escobar等[14]認(rèn)為AOC和BDOC應(yīng)該作為兩個(gè)相互補(bǔ)充的參數(shù)來(lái)表征飲用水生物穩(wěn)定性，如果只選擇兩者之一，可能會(huì)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(cè)定的是BOM中的不同部分[15]，AOC不能反映處理過(guò)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(rèn)為是飲用水給水系統(tǒng)中控制微生物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但是Lehtola[16,17]發(fā)現(xiàn)在一些含有足夠有機(jī)物的水中，限制微生物生長(zhǎng)的不是有機(jī)碳而是磷，在這種情況下，由于微生物對(duì)磷的需求較少，磷濃度一個(gè)很小的變化都會(huì)大大影響微生物的生長(zhǎng)，因此AOC和磷酸銨鎂(MAP)都應(yīng)該作為飲用水中限制微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)繁殖的決定性因素，而在其研究的配水干管中，磷成為細(xì)菌再生長(zhǎng)的限制因子。Sang[19]也認(rèn)為磷是飲用水中細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因素，應(yīng)該得到重視。

因此，BDOC和MAP應(yīng)該作為AOC的補(bǔ)充指標(biāo)，才能更全面的評(píng)價(jià)飲用水的生物穩(wěn)定性。

2常規(guī)處理工藝對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響

常規(guī)處理對(duì)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(wú)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(duì)溶解性有機(jī)物的去除效果卻不佳，主要去除分子量大于1萬(wàn)Da的有機(jī)物，對(duì)分子量小于3000Da的有機(jī)物幾乎無(wú)法去除甚至反而使其增加[22]，而AOC是以小分子有機(jī)物為主，因此去除效果不佳。氯消毒時(shí)，氯與未被去除的有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為容易被細(xì)菌利用的有機(jī)物，使AOC濃度有所上升[4,5,17,23,24]。因此，有必要對(duì)飲用水進(jìn)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(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響

3.1生物預(yù)處理對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響

生物預(yù)處理是指在常規(guī)凈水工藝之前，增設(shè)生物處理工藝，利用微生物的新陳代謝，對(duì)水中的有機(jī)污染物、氮磷及鐵錳等無(wú)機(jī)污染物進(jìn)行初步處理，如此可以減輕后續(xù)工藝的負(fù)擔(dān)。飲用水生物預(yù)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(méi)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(jī)物、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[25-27]。

Okabe等[23]研究了多介質(zhì)過(guò)濾(MF)、旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器(RBMR)、多介質(zhì)過(guò)濾+生物活性炭(MF+BAC)對(duì)混凝沉淀出水AOC的去除效果，發(fā)現(xiàn)RBMR或MF+BAC對(duì)AOC的去除率大于85%，而MF對(duì)AOC的去除率為75%，RBMR或MF+BAC處理出水中生物膜的生長(zhǎng)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(yù)處理可以消耗原水中大部分可生物降解有機(jī)物，減少給水管網(wǎng)中細(xì)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(yù)處理可以去除45%左右的AOC，如果在它之前先經(jīng)過(guò)預(yù)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(yù)處理對(duì)AOC的去除率為 54%，有效減小了后續(xù)單元的負(fù)擔(dān)，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(guò)濾預(yù)處理的最佳空床接觸時(shí)間為30min，可以去除40%～45%的AOC。Lim等[29]對(duì)曝氣式浸沒(méi)生物濾池進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生物處理可以提高生物穩(wěn)定性。

可見(jiàn)，生物預(yù)處理可以降解可生物降解有機(jī)物，減少AOC，降低給水管網(wǎng)中細(xì)菌再生長(zhǎng)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(duì)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(guò)濾兩種工藝在提高飲用水生物穩(wěn)定性的過(guò)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(jī)物氧化分解為小分子有機(jī)物，如有機(jī)酸、醛類、酮酸等，提高了有機(jī)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(yíng)養(yǎng)，提高其活性，使其可以高效去除水中的有機(jī)物。整個(gè)工藝對(duì)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(yíng)養(yǎng)性指標(biāo)(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(xì)菌的再生長(zhǎng)，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(chǔ)上補(bǔ)充預(yù)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(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意。

張朝暉等[42]研究發(fā)現(xiàn)曝氣生物濾池和O3-BAC對(duì)AOC的去除率分別為70%和82%, 認(rèn)為顆?；钚蕴?GAC)或者無(wú)煙煤作為濾料都可以有效去除AOC；而Chien[31,32]認(rèn)為與GAC相比，無(wú)煙煤對(duì)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(guò)濾過(guò)程的填料。

3.3膜過(guò)濾對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響

膜分離技術(shù)是20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，在90年代得到快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ纳疃人幚砑夹g(shù)。膜分離技術(shù)以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)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(dòng)膜，可有效去除水中的顆粒物、細(xì)菌和胞囊，但是其對(duì)有機(jī)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(zhǎng)快，無(wú)法保證出水的生物穩(wěn)定性，這也說(shuō)明了減少水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以抑制細(xì)菌再生長(zhǎng)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(jī)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(jī)物和多價(jià)離子[43]。納濾可以有效截留多糖、腐殖質(zhì)等高分子有機(jī)物，這些高分子有機(jī)物的透過(guò)率低于1%；帶電的低分子有機(jī)物可以被納濾有效截留，透過(guò)率低于3%；電中性的低分子有機(jī)物和疏水性有機(jī)物的透過(guò)率分別為6%和12%[44]。納濾可以有效去除BDOC[45]，但是納濾對(duì)AOC的截留效果不佳，去除程度不足以限制細(xì)菌生長(zhǎng)，濾過(guò)水中的AOC濃度高于生物穩(wěn)定飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)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(jī)物(NOM)比進(jìn)水中的NOM親水性更強(qiáng)，分子更小，可生物降解性更強(qiáng)[47]。高通量反滲透膜對(duì)AOC的去除效果較好，其出水是生物穩(wěn)定的[44]。

Escobar等[48]認(rèn)為反滲透和納濾對(duì)AOC的去除機(jī)理主要是電荷排斥，對(duì)BDOC的去除主要依靠孔徑截留；發(fā)現(xiàn)在低硬度、低離子強(qiáng)度的條件下，AOC的去除率更高，另外高pH也會(huì)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(dǎo)致的低pH、高硬度、高離子強(qiáng)度造成的。

4深度處理工藝在我國(guó)自來(lái)水廠的應(yīng)用情況

目前，由于原水水質(zhì)惡化及人們對(duì)水質(zhì)要求的提高，我國(guó)很多水廠對(duì)處理工藝進(jìn)行了升級(jí)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(shù)，14家水廠選用了膜過(guò)濾技術(shù)，19家水廠增加了生物預(yù)處理工藝。O3-BAC和生物預(yù)處理可以有效去除氨氮、COD等，而細(xì)菌、大分子物質(zhì)等可以被膜過(guò)濾技術(shù)有效截留，經(jīng)過(guò)升級(jí)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(guó)部分地區(qū)水廠的應(yīng)用情況

注： a-山東省9家水廠中東營(yíng)市第二自來(lái)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(dá)2.5mg/L，屬劣Ⅴ類水；c-余杭仁和水廠原水濁度高達(dá)282 NTU，經(jīng)過(guò)處理，出水濁度降至0.1 NTU

5結(jié)語(yǔ)

給水管網(wǎng)中細(xì)菌再生長(zhǎng)是管網(wǎng)水質(zhì)惡化的主要原因，AOC和余氯被認(rèn)為是影響給水系統(tǒng)中異養(yǎng)菌生長(zhǎng)的兩個(gè)主要因素。當(dāng)AOC濃度足夠低時(shí)，AOC對(duì)控制生物膜形成和異養(yǎng)菌濃度具有重要影響；當(dāng)AOC濃度過(guò)高(>50μg AC/L)時(shí)，余氯是控制細(xì)菌生長(zhǎng)所必需的[50]。但是氯的使用帶來(lái)的消毒副產(chǎn)物會(huì)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(shí)保證余氯，防止細(xì)菌再生長(zhǎng)的發(fā)生。

氧化劑(如臭氧、過(guò)氧化氫、氯)可以氧化有機(jī)物，使得AOC濃度升高，降低生物穩(wěn)定性，但也提高了有機(jī)物的可生化性，可以結(jié)合生物處理，提高有機(jī)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(duì)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(yù)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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