配水系统生物稳定性及其影响因素

邱晓霞 于水利

　　摘 要：本文介绍了水的生物稳定性的概念，提出了一种新的水生物稳定性的评判方法，对影响水生物稳定性的有机物、消毒方法、及配水管网等主要因素进行了详细分析。指出在关注水的生物稳定性（AOC、BDOC、细菌数）的同时应对水的整体质量水平（以TOC为代表的有机物指标及Ames实验等毒理学指标）进行监测，才能真正反应在配水过程中的水质变化，揭示各种成份之间的转化过程及不同成份对人体的影响，此时才使水的生物稳定性研究具有实际意义。在氯化消毒中，余氯本身并不能保证水的生物稳定性，而氯胺消毒的配水系统的细菌总数低，生物稳定性好。配水系统的生物稳定性与管网的材料、管壁粗糙度、水流状态、腐蚀程度及管壁附着生物膜水平等因素密切相关。
　　关键词：生物稳定性，配水系统，AOC，BDOC，TOC

The Biostability of Distribution System
and its Influencing Factors
Qiu Xiaoxia Yu Shuili

　　Abstract: Nowadays the water treatment plant effluent is pure and meets the standards for drinking water, but when water enters the distribution system, things are different. When biodegradable organic matter is not removed effectively during water treatment, bacteria may proliferate in the distribution system. This bacterial growth can deteriorate water quality, accelerate pipe corrosion, and potentially increase the incident of bacteriological diseases. A new method of evaluating the water biostability is advanced in this paper, emphasizing on the detailed analysis of its influencing factors, such as organic matters, disinfecting method, and the distributing network, as well as the concept of water biostability introduced.
　　Key Words: Water Biostability, Distribution System, AOC, BOC, BDOC

1．概述

　　随着人民生活水平的提高和医药、卫生事业的不断进步，人们对饮用水的水量、水质要求显著提高。而另一方面，随着世界人口的不断增长和工业化进程的加快，工业和生活污水的大量排放量越来越大，造成水源污染的日趋严重，对人类的健康造成了严重的威胁。 据统计^〔1〕，我国有80％的水域、45％的地表水体受到污染，90％以上的城市水源遭到严重污染，在131条流经城市的河流中有近一半受到中等以上程度的污染。尤其值得格外关注的是，在这些污染物中，已检测出的有数以百计的有机化合物。如果在水处理过程中，可生物降解的有机物质未被去除，则这些有机物就会作为未被完全杀死的细菌的营养源，就会使这些未被完全杀死的细菌在配水系统中复苏、增殖，从而使水质恶化，加速管网的腐蚀，并潜在地增加细菌学疾病的发病率。通常将上述水质的饮用水称为生物不稳定水。提供优质、安全的饮用水，水的生物稳定性是一个不可回避而且急待解决的重要课题。影响处理水在配水系统中的生物稳定性的因素很多，水中的有机物含量、成份及其沿配水方向的变化规律、采用的消毒工艺、管网的腐蚀程度及对管网腐蚀的控制等都会对配水的生物稳定性有很大的影响。
　　做到不仅能够保证净化水的质量，而且能确保净化水在配水系统中的生物稳定性，是水处理工作者今后研究的目标。这方面的研究，国外刚刚起步，国内涉及水的生物稳定性研究的文献报导更少。本文拟就影响水的生物稳定性的主要因素进行初步探讨。

2．水的生物稳定性的评判方法

　　目前国内外水处理工作者对水的生物稳定性有不同的理解，其评判标准也不尽相同，这方面的研究还停留在评判方法的阶段。虽然也有部分学者对纳滤膜出水的生物稳定性进行了研究，但得出的结果不尽人意。I.C.Escobar等人^{[ 2 ]}的研究表明，纳滤系统对可以被异养微生物利用的可溶性有机碳BDOC（Biodegradeble Dissolved Organic Carbon）的去除效果较好，去除率达到97％；由于阻垢剂等化学药品的加入，出水中可同化有机碳AOC（Assimilable Organic Carbon）值反而有所升高。可见，纳滤系统可透过大量的可同化有机碳AOC，水的生物稳定性很难保证。但是，在G.Randon^{[3 ]}等人的研究中指出，纳滤系统的出水中不含病原微生物等微污染物，在配水系统中纳滤出水表现了良好的物理化学和微生物稳定性，从而得到了完全不同的研究结果。究其原因，目前国内外对水的生物稳定性的研究，大多仅对AOC、BDOC等局部参数进行讨论，缺乏对水的整体质量水平（总有机碳及对人体有害的微量物质等指标）进行全面评价。因为在配水系统中各种水质参数是互相转化的，只有全面评价水质水平，而不是仅用一个或二个孤立指标评价纳滤的生物稳定性,才能使纳滤膜出水的生物稳定性研究更科学、更全面、更具有实际意义。
　　因此，作者认为对出水的AOC、BDOC和TOC同时进行研究（因为TOC与AOC、BDOC之间在配水系统中是相互转化的，各参数之间有着密切的联系），分析三者之间的转化规律，并结合细菌数量、有机物及生物膜形态等的分析结果，综合考察配水系统水质随时间、空间的变化规律，从而提出了一种新的评判水的生物稳定性的方法。

3．水中有机污染物对配水系统生物稳定性的影响

　　如上所述，通常水中的有机物质可分为两类，一类是可生物降解的有机物（BOM），另一类是难以生物降解的有机物。其中，可生物降解的有机物（BOM）是水的生物稳定性研究的核心。现有的众多分析水中BOM浓度的方法中，比较完善的方法有：（1）用AOC浓度表示BOM的方法。（2）用BDOC浓度表达BOM的方法。
　　BDOC含量表示可以被异养微生物利用的可溶性有机碳（DOC）的浓度。有机化合物（无论是颗粒的还是溶解性的），都为异养菌提供了能量来源。异养菌利用有机碳合成新的细胞物质或产生能量。在水流经配水系统的过程中，BOM被水中的微生物逐渐消耗利用，微生物得到增殖，结果使配水水质逐渐变坏，加速了管网腐蚀，也产生了其它一些不良影响。
　　Joret等人^{[ 4 ]}提出：BDOC值代表了饮用水中10－30％的总DOC含量。文献建议，为限制细菌再生，应保证在水处理出水中完全杜绝可生物降解有机物的存在。Servais等人提出，处理水中的BDOC值小于等于0.16mg/l的水为生物稳定水（即在配水系统中无BDOC的消耗）。最近，Volk等人提出^{[ 5 ]}，20℃时BDOC值为0.15mg/l、15℃时为0.30mg/l时，可以保证生物稳定性。当BDOC值大于0.10－0.15mg/l时有大肠杆菌出现。
　　AOC是总有机碳（TOC）中可以生物同化吸收的那一部分有机碳。在配水系统数据中，AOC浓度和异养菌的密度之间存在着显著的关联性。Van der Kooij指出，在非加氯消毒的系统中，当AOC小于10μg/l时，异养菌不发生增殖；LeChevallier等指出，当AOC浓度小于50－100μg/l时，细菌再生将受到抑制。
　　AOC是水中总有机碳的一部分，可以用来衡量水中异养菌再生的生物稳定性，而AOC/BDOC的比值可以看作是饮用水中存在的可生物降解有机化合物的相对生物稳定性。由于在Van der Kooij的研究中，BDOC值与异养菌的数量之间没有显著的相关性，因此BDOC值不能用来预测细菌的增殖能力。
　　在控制水的生物稳定性的工艺研究中，纳滤膜分离方法倍受重视。纳滤膜有较高的膜通量，操作压力低，孔径范围介于反渗透膜和超滤膜之间，对二价和多价离子及分子量在200～1000之间的有机物有较高的脱除性能，对单价离子和小分子的脱除率则较低，因此纳滤膜可以截留一定的有机及无机污染物，同时出水中可以保留一定对人体有益的微量物质成份，有利于人体的健康；但是如果纳滤膜透过物质中含有可为异养微生物利用的有机物及一定的细菌、微生物、病毒，则在配水过程中，水中的细菌、微生物、病毒就会利用这些微量有机物进行生长、繁殖，一方面减少水中有机物含量、改变水中有机物成份，另一方面又在管壁形成生物膜，脱落的生物膜会对配水造成二次污染。水中病毒复苏后若大量繁殖，又会造成水传播疾病的发生。因此，将纳滤膜法水处理技术应用到优质、安全饮用水的生产实践中，还需要进一步对其出水的生物稳定性进行研究。如上所述，在纳滤出水的生物稳定性研究方面，I.C.Escobar和G.Randon等人进行了大量研究，但研究结果不尽相同。

4．消毒措施对配水系统生物稳定性的影响：

　　传统的净水厂一般都采用游离态的氯（液氯）作为后续消毒剂。消毒的主要目的是杀死饮用水中对人体有害的病原微生物。但有资料显示，氯化消毒效果并非人们预先想象的那么好^[12]。即使水中的余氯保持较高的水平（2.0mg/l），仍然检测到了大肠杆菌等病原微生物的存在^{[ 6 ]}，而且带来了诸如氯化消毒副产物、余氯、隐孢子虫耐受性等一系列的问题。这使得人们对于饮用水的安全性产生畏惧，也促使人们探求新的消毒技术体系。
　　相同浓度的游离氯与氯胺相比，氯胺对配水系统中生物膜的控制作用优于游离氯。氯化消毒后水中余氯含量为10－12mg/l时，13/79个水样中均检测到大肠杆菌。针对这一情况，C.D.Norton等人对氯化消毒和氯胺消毒技术进行了对比，研究其对配水系统生物稳定性的影响^{[ 6 ]}。研究结果表明，在氯化消毒中，余氯含量与水中的微生物含量没有线性相关性，即余氯本身并不能保证水的生物稳定性。在由氯化消毒改为氯胺消毒的两套系统中，氯胺消毒都表现了明显的优势。投药量相同的情况下，氯胺消毒的剩余消毒剂含量高于氯化消毒；而当配水系统中的剩余消毒剂含量相同时，氯胺消毒的配水系统的细菌总数低，生物稳定性好。

5．配水管网对配水生物稳定性的影响:

　　配水系统的生物稳定性与管网的材料、管壁粗糙度、水流状态、腐蚀程度及管壁附着生物膜水平等因素密切相关。另外，据文献报道，配水系统的生物稳定性还与配水管网的使用年限有关，管网的使用年限每延长十年，配水的微生物含量就有一个数量级的增加。
　　因此，在考察配水系统的生物稳定性时，要同时考虑以上诸多因素的影响，在数据分析时应力求做到全面、准确、有理论依据。

6．小结

　　研究水的生物稳定性时，必须同时考虑AOC、BDOC和TOC（因为TOC与AOC、BDOC之间在配水系统中是相互转化的，各参数之间有着密切的联系），分析三者之间的转化规律，并结合细菌数量、有机物及生物膜形态等的分析结果，综合考察配水系统水质随时间、空间的变化规律，才能切实掌握水的生物稳定性。在氯化消毒中，余氯本身并不能保证水的生物稳定性，而氯胺消毒的配水系统的细菌总数低，生物稳定性好。配水系统的生物稳定性与管网的材料、管壁粗糙度、水流状态、腐蚀程度及管壁附着生物膜水平等因素密切相关。

参考文献

　　1、国家环保总局，环境统计年报，1999
　　2、Isabel C. Escobar ET AL, Influence of NF on distribution system biostability, J. AWWA, vol (91), 6
　　3、Guy Randon ET AL, Study of the behavior of a water distribution system supplied by a nanofiltration plant
　　4、J.C.Joret ET AL，Biodegradable Dissolved Organic Carbon Content of Drinking Water and Potential Regrowth of Bacteria .J. Water Sci. & Tech.，1991：2：95
　　5、C.Volk ET AL，Comparison of Two Techniques for Measuring Biodegradable Dissolved Organic Carbon in Water. J. Envir. Tech.，1994：15：545
　　6、Cheryl D. Norton ET AL, Chloramination: its effect on distribution system water quality, J.AWWA, 1989：7