小编导读
本文节选自《给水系统中水质生物稳定性研究进展》，作者为东南大学能源与环境学院的李传扬、余冉和朱光灿，发表在《净水技术》2017年第三期，入选《净水技术》高校优秀论文奖学金暨研发机构人才储备计划。
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小编导读 本文节选自《给水系统中水质生物稳定性研究进展》，作者为东南大学能源与环境学院的李传扬、余冉和朱光灿，发表在《净水技术》2017年第三期，入选《净水技术》高校优秀论文奖学金暨研发机构人才储备计划。 饮用水生物稳定性是指当有机物成为异养菌生长的限制因素时，有机物支持异养菌生长的最大潜力，而供水管网内细菌再生则反映了水中可生物降解有机物的含量，通常水厂多采用加氯消毒来限制出水中的细菌数量，但这一过程并不能完全杀死微生物，研究指出，即使给水系统中保持较高的余氯，若水中营养基质充分，细菌仍然可能再生，且加氯消毒容易引起水体中消毒副产物含量的增加，降低水质安全，所以国内外研究指出抑制细菌再生，保证水质生物稳定性不能完全依赖加氯消毒，可通过控制细菌再生所依赖的营养基质达到目的。国际上主要以生物可同化有机碳(assimilable organic carbon，AOC) 、可生物降解溶解性有机碳(biodegradable dissolved organic carbon，BDOC)作为评价饮用水生物稳定性的主要指标。近年来，有学者提出新的评价测试方法，如日本Sathasivan提出细菌再生长潜力法（bacterial regrowth potential，BRP），将BRP作为饮用水生物稳定性的一个评价指标；芬兰学者提出将微生物可利用磷（microbially available phosphorus，MAP）、TP作为参考指标。 因此，为了综合衡量水质的生物稳定性，采取最佳的处理技术以及保障水质生物稳定性，本文在对比分析AOC、BDOC、BRP、MAP、TP等对水质生物稳定性的影响基础上，总结概括保障出厂水生物稳定性的给水处理技术以及影响供水管网中水质生物稳定性的因素及控制策略，为保障饮用水的安全提供参考。 为了衡量水质的生物稳定性，国内外学者多以微生物所需的营养基质为基础，展开对饮用水生物稳定性评价指标的研究，包括以下三种：①以AOC和BDOC为主的有机碳评价指标；②以MAP和TP为主的磷评价指标；③以BRP等为主的评价指标。 水中有机碳含量通常是异养微生物生长的限制因素，且异养微生物的大量繁殖，会导致管网水中细菌总数的增加，降低水质安全，因此，为了抑制管网水中细菌的再生，降低配水管网中细菌总数，提高水质的生物稳定性，国内外学者研究指出AOC和BDOC与管网水中异养菌再生有较好的相关性，因此国际上将其作为评价饮用水生物稳定性的主要指标。AOC是有机物中最易被细菌吸收并同化成细菌体的部分；BDOC是水中异养菌等新陈代谢的物质和能量来源 。研究发现对于水质较为稳定的水源，AOC和BDOC在浓度上存在着一定的比例关系。一般认为不加氯时AOC在10~20μg乙酸碳/L，加氯时AOC在50~100 μg乙酸碳/L的水具有生物稳定性。Joret研究认为BDOC<0.1mg/L时大肠杆菌在水中生长受到抑制；VolK等认为当BDOC值在20 ℃时低于0.15 mg/L，15 ℃时低于0.20 mg/L，水质具有生物稳定性。 Van Der Kooij以荧光假单胞菌P17(fluorescent pseudomonads)为标准测试菌，首次提出AOC的测定方法。但由于P17菌存在不能利用草酸类有机物的缺陷，故引入以草酸为生长基质的螺旋菌NOX为测试菌种，此法有助于提升AOC检测精度。 AOC的测定是在灭菌后的水样中接种P17和NOX两种标准测试菌，采用平板计数测定其生长稳定期的细菌数，再通过该细菌在标准待测物(一般是乙酸钠)中所得的产率系数折算，计算出水样中AOC的浓度。该过程中P17菌和NOX菌的接种方法主要有三种：（1）分别接种法，即在两份相同待测水样中，分别接种P17和NOX培养后测算AOC，二者总和即为AOC；（2）同时接种法，即在水样中同时接种P17和NOX，通过平板计数，计算AOC浓度；（3）先后接种法，即先接种P17菌，于待测水样中求出AOC-P17浓度后，经滤膜过滤以去除P17，再接种NOX菌，测出AOC-NOX浓度，二者之和即为AOC 。 综合比较上述方法，先后接种法应用较为广泛，测定精度高，但仍有其缺陷，首先荧光假单胞菌和螺旋菌为特定的测试菌，只能利用某些特定的有机物，不能体现实际给水管网中多种细菌的相互作用及不同细菌胞外酶对大分子有机物的分解作用；其次，在测算AOC浓度时只是以细菌生长至稳定期的最大菌落数进行计数，忽略了净增长期中细菌的死亡数，势必会引起测定结果的偏差；另外，待测水样在高温灭菌时可能会改变水中有机物的结构；最后，在菌种的获取、转存、培养计数等过程中操作复杂，对操作人员专业水平要求较高，很难达到水厂的日常测定需要。因此，为了综合评价水质的生物稳定性，国外学者进一步提出BDOC，与AOC共同反映水质的生物稳定性。 BDOC的测定可分为静态培养和动态培养。静态培养法主要有以土著细菌作为接种液的悬浮培养法和以附着生物膜的石英砂为接种物的生物砂培养法。测定时，需采用滤膜去除待测水样中的不溶性物质后再进行接种，室温（20 ℃左右）及避光培养，当水样中DOC值趋于稳定时，测算培养前后DOC值之差即为BDOC。该法简单易行，可同时检测多个水样，虽检测时间长（悬浮培养法约28 d），但异养菌对有机物消耗较高，测定结果更加准确，已成为测定BDOC的主流方法。 动态培养法需引入生物反应器，以生物膜为测定细菌，符合管网中多种细菌共存特点，测定时间缩短至2~3 d，且测定结果与静态培养没有显著差异，但动态培养法中每个生物反应器一次只能测定一个待测水样，不适合用于批量试验的研究，并且每次测样前均需用待测水样对生物反应器进行活化，操作繁琐。该法现多用于评价水源水中有机物的可生化性以及判断不同水源水是否适合采用生物处理技术。 为了较为更好的水质生物稳定性，国内外研究学者通过大量研究，对AOC和BDOC在饮用水中的浓度提出了科学的建议。 表1 AOC和BDOC浓度与饮用水水质生物稳定性的关系
一般而言，细菌再生与AOC相关性较好，与BDOC的相关性较差，二者互补可共同评价水质生物稳定性，近年来研究学者不断对 AOC 和 BDOC与饮用水水质生物稳定性的关系展开研究。刘文君研究三种测定AOC的方法并对其进行了完善，建议国内饮用水中的AOC应控制在200 μg乙酸碳/L以下，即可保证管网水质生物稳定性；当供水管网中BDOC质量浓度<0.33 mg/L时，BDOC降解幅度较小，细菌再生受到抑制；当管网水中BDOC浓度超过这个阈值时，生物稳定性就会改变，细菌也容易再生。因此通过控制出厂水中AOC和BDOC的浓度，可有效抑制给水系统中细菌的再生，保障管网水质的生物稳定性。 磷控制指标主要指微生物可利用磷（microbially available phosphous，MAP）、TP对异养菌再生的限制，研究指出水中营养基质的比例与微生物的生长关系密切，一般认为C(BOD5):N:P为100:10:1，当营养基质比例失调，低基质成分即为影响微生物生长的主因。一般而言多将有机物作为限制微生物生长的主因，但国内外学者通过研究发现磷对控制配水系统中水质生物稳定也起到关键作用，并提出当TP<5 μg/L时可有效保障管网水质生物稳定性 ；当管网水中有机物含量相对较高，磷含量较低时，MAP将取代有机物成为细菌再生的限制因子；因此将MAP、TP作为磷控制因子对水质的生物稳定性进行评价意义较大。 MAP的测定也是以P17菌为测试菌，以磷酸氢盐（Na2HPO4）为磷源，室温培养至稳定期计数，根据磷含量与该浓度下P17菌达到稳定期的数量Nmax做标准曲线，得到一条相关性较好的直线，求出MAP的产率系数，即可通过测定的细菌数计算出水样中微生物可利用磷的浓度，该方法可测定质量浓度为0.5~10μg/L的MAP；水样中TP的测定根据国标多采用钼锑抗分光光度法，但该法最低检测浓度为0.01 mg/L，学者研究指出饮用水中的磷低于10 μg/L时才会对微生物的生长产生抑制，因此该法不适于饮用水中痕量磷的测定，现多采用孔雀绿-磷钼杂多酸分光光度法，最低检出浓度为1 μg/L，能够满足水质生物稳定性的测定要求。 Sathasivan等提出当MAP的质量浓度为1~3 μg/L时，磷即成为微生物再生的限制因子，由于国际上认为水中BDOC质量浓度<0.25 mg/L时水质是稳定的，那么其对应磷元素的含量即为1~3 μg/L，即当管网水中磷元素的含量低于3 μg/L时可以保证管网水质的生物稳定性。芬兰学者在AOC测定方法的基础上，利用P17菌株与水中磷含量的相关性，并通过对多个水厂的饮用水生物稳定性研究表明，MAP与细菌再生有着较好的相关性。 磷作为细菌再生限制因素的提出，改变了AOC和BDOC是供水系统中细菌再生主要限制因子的传统观念，促进了饮用水生物稳定性更加深入的研究。 上文已经指出AOC和BDOC测定过程中存在的一些问题，因此，为了避免上述问题，Sathasivan通过研究东京供水管网中的限制因子时提出细菌再生长潜力法（bacterial regrowth potential，BRP），此法的接种液是水样中的土著微生物，经室温下培养3~5 d后进行平板计数，以细菌浓度（CFU/mL）衡量有机物支持异养菌再生的潜力。 比较BRP和BDOC测定原理可以发现，BRP和BDOC在接种液和培养条件上类似，BDOC直接测定微生物所利用的有机碳，而BRP测定有机碳转化成的生物量，二者具有相关性。对于水质稳定的水体，AOC和BDOC在浓度上保持着一定的比例，研究发现BRP和BDOC具有较好的相关性，因此BRP可在一定程度上反映AOC的浓度，可用于初步判断水质的生物稳定性。 BRP在监测手段上也存在不足，如对不同试验阶段或者不同水源进行测定时，由于接种菌的差异，BRP的测定结果在不同批次中可比性较差，不易对水质生物稳定性进行连续性研究，但该法对同一批次水样，接种菌均为土著混合菌，水样中的营养基质降解充分，测定准确，同时BRP的测定流程较为简单，对实验仪器和菌种没有特殊需求，可为不便测定AOC和BDOC的水厂提供一个较为合适的参考指标。 综合上述，为了更为直观地比较不同评价指标的检测技术、优缺点和适用范围等，对饮用水生物稳定性评价指标进行列表对比分析，如表2所示。 表2 饮用水水质生物稳定性评价指标对比分析表
由于常规工艺对水体中溶解性有机污染物的去除能力有限，而AOC多与分子量低于1 000道尔顿的小分子有机物有关，若处理不当，出厂水中有机物含量较高，则会促使管网中异养细菌的再生，引起水质的不稳定。 目前，国际上多以AOC和BDOC来衡量水质的生物稳定性，那么在反映水处理技术对生物稳定的控制措施上也多以AOC和BDOC作为参考指标。研究指出影响出厂水生物稳定性的因素从根本上讲主要有水源水中所含有机物的种类和浓度以及各水厂的制水工艺等。近年来，水源污染较为严重，多数水体中有机物种类和浓度都有超标，因此，在保障饮用水安全和提高水质的生物稳定性上，水厂采用的制水工艺至关重要。 当前国内多数水厂的处理技术仍然是在常规处理技术（混凝-沉淀-砂滤-消毒）的基础上，结合当地水源水质特点，通过强化或者增设水处理单元，提高对有机污染物的去除率，进而降低AOC和BDOC，以达到提高水质生物稳定性的目的。 国内外学者研究发现，当水源水中AOC<200 μg乙酸碳/L时，可选择强化常规处理工艺，如强化混凝和强化过滤。在强化混凝阶段如降低pH、增加混凝剂的投量、投加助凝剂等改善混凝效果，当水中pH值为5.0~6.0时，较低的pH有助于提高混凝剂的水解产物对有机物的吸附效果，且采用高分子混凝剂和投加助凝剂均能够提高对水中有机物的去除效果，研究表明，相对于常规处理工艺，强化混凝对水体中溶解性有机物（DOC）和BDOC的去除率分别提高了30%和20%；而强化过滤则是从滤料出发，用沸石、活性炭或者无烟煤等多孔滤料替换普通石英砂或者将生物滤料与石英砂相结合，形成生物强化滤池，集过滤和生物降解于一体，如采用活性炭-石英砂或者无烟煤-石英砂，长期运行效果表明，AOC和BDOC的去除效果明显优于常规处理出水水质。但随着水源水质的恶化，仅仅通过强化常规处理很难保证出厂水中有机物含量达标，水质的生物稳定性也很难有所保障。 当水源水中AOC在200~300 μg乙酸碳/L时，水体中可作为营养基质的小分子有机物浓度升高，研究学者提出可在常规处理技术的基础上，增设生物预处理或者增加吸附处理单元，其中生物接触氧化预处理在工程实践中应用较多，生物预处理影响因素，如水温、气水比、填料以及水力停留时间等，在实际生产中，气水比多在（0.8~1.2）:1内选取，可根据有机物的去除率进行适当调整；而水力停留时间多在1~2 h，由于接触氧化池中微生物的生存环境对pH要求较高，研究指出水中pH值最宜在6.0~8.0，有助于提高微生物对有机物的去除。当采用吸附预处理时，多用活性炭或者沸石，其吸附效率与吸附剂自身特性、水温、pH、离子强度等关系密切，当水体中有机物含量较高时，吸附预处理对有机物的吸附效果较好，可降低出厂水中AOC和BDOC的浓度，如当采用粉末活性炭吸附水体中有机物时，由于水中氢离子被吸附到活性炭表面，增加了吸附剂的表面活性，同时由于有机物携带大量的羧基和酚羟基而带负电荷，能够与氢离子结合形成偶极分子，从而降低水体中AOC和BDOC等有机物的浓度，进一步研究指出，吸附剂的吸附效率随着pH的降低而升高，因此，可通过适当调节水中pH以获得较高的吸附效率。 当水源水中AOC在300~400 μg乙酸碳/L时，可以采用生物预处理与强化常规处理或者增设生物活性炭处理单元，这一阶段主要是结合生物预处理对有机物的部分降解，然后再强化常规处理以进一步降低水中有机物的含量。而通过增设生物活性炭处理单元，则可以利用活性炭上生物膜作用，进一步保障出水安全； 当水源水中AOC>400 μg乙酸碳/L时，则需要增设深度处理单元，目前水厂多选用预处理-强化常规处理-臭氧生物活性炭深度处理组合工艺，预处理包括生物预处理和预臭氧，生物预处理的作用上述已经介绍过。预臭氧主要是利用臭氧的强氧化性，将水体中大分子难降解有机物分解为小分子可生物降解有机物，此阶段AOC和BDOC的含量都会有所升高，但在后续生物活性炭滤池中通过活性炭上长满的生物膜的生物作用，对有机物进行降解，AOC和BDOC的浓度能够得到有效控制，研究指出，臭氧生物活性炭对AOC和BDOC的控制效果明显优于单独使用活性炭。目前水厂多采用臭氧生物活性炭作为出厂水的把关措施，在臭氧投加量上，预臭氧的投加量多在0.5~1.0 mg/L，其接触时间多在10 min左右，对于后臭氧，其投加量较大，多在1.0~3.0 mg/L，接触时间10 min左右，可根据出水水质进行适当的优化与调控，在生物活性炭滤池中，需首先进行生物挂膜，可通过水体中有机物的去除率初步判断挂膜是否成功，影响滤池降解有机物的因素很多，如水温、滤速等，冬季水温低，滤料中生物膜生长缓慢，生物作用减弱，处理效果降低；夏季温度高，生物生长较快，污染物去除率高，但滤速不宜过高或过低，多控制在6~8 m/h 。 结合本节内容，根据水源水中AOC的浓度不同，可采取不同的处理工艺及其组合工艺，以保障出厂水中水质的生物稳定性，如表3所示。 表3不同水质下水处理工艺对AOC的去除效果
管网中影响AOC和BDOC变化的因素主要有加氯消毒过程中氯对有机物的氧化作用以及管网中是否存在生物膜的生物降解作用，一般而言，管网中细菌的再生与消毒剂的种类和浓度、营养基质、水温、管材、停留时间等密切相关，如表4所示。 表4 管网中AOC和BDOC的变化
国内学者研究指出，AOC和BDOC与管网中余氯含量和沿程中微生物的种类和活性密切相关，其浓度一般随管网延伸而先增加后减少，温度越高下降越快；余氯的存在，会氧化有机物增加AOC和BDOC的浓度，而管网中存在的异养菌则会消耗AOC和BDOC。研究指出，消毒剂对水质的生物稳定性影响较大，除去紫外消毒，其他消毒剂如臭氧、氯胺等都会引起 AOC不同程度的增加，其增加的程度与消毒剂的氧化能力、有机物的含量和性质密切相关，吴卿通过研究指出AOC与自由余氯间呈正相关，与细菌总数间无相关性；BDOC 与自由余氯呈负相关，与细菌总数呈一定的正相关性。研究指出，加氯消毒会使生物活性炭滤池出水的AOC浓度增加20%左右，而采用氯胺消毒出厂水中AOC浓度增加约10%，相比之下，氯胺消毒AOC的生成量低于加氯消毒。因此在出厂水消毒阶段，若要控制管网中水质的生物稳定性，在消毒环节，要更加注重消毒剂的种类和投加量以及有效控制出水中余氯含量。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）明确指出，加氯消毒30 min后出厂水中游离性余氯含量不低于0.3 mg/L，管网末梢余氯不得低于0.05 mg/L。研究指出管网水在长距离输送过程中，AOC和BDOC随着管线的延长存在一定范围内的变化，主要是受到余氯以及水中营养基质的影响，而余氯在氧化有机物以及防止细菌的大量繁殖时消耗较为严重，当管网中余氯低于0.05 mg/L时，水质安全得不到保障，需二次加氯。因此，为了保障水质安全，提高水质生物稳定性，要严格控制出厂水中余氯含量，但余氯含量并不是越高越好，较高的余氯量需要投加大量的消毒剂，会导致出厂水中消毒副产物如三卤甲烷、卤乙酸等含量的急剧升高。所以，管网水中余氯浓度的控制需要根据不同供水管网中的水质进行大量分析研究，国内外众多学者研究指出余氯控制在0.5~0.65 mg/L时供水管网中水质生物稳定性较高，水质安全能够得到保障。 管网水中营养基质包括前面提及的的AOC、BDOC以及MAP、TP等。研究指出，AOC与磷的比例对管网中细菌的再生密切相关，若管网水中有机物的浓度较低，则其限制因素为有机碳；而当水体中磷元素的含量偏低时，磷即成为限制细菌再生的影响因素。LeChevalier在多年研究的基础上，指出当管网水中保留一定的余氯浓度，若要保证管网水的生物稳定性，AOC浓度不宜超过50~100 μg 乙酸碳/L。 国外有学者研究指出，当水体中TP低于5μg/L时，对管网中细菌的再生抑制效果较好。磷元素作为限制因子的提出，能够对AOC浓度较高的饮用水，可以通过控制磷元素的含量，抑制管网中异养菌的再生。也有学者提出，微生物生长对营养物质的比例有一定的要求，通常认为碳氮磷的比例约在100:10:1左右时较适合微生物的生长，但任何一种营养元素的匮乏，都会对微生物的生长产生抑制，被污染的水源水，经水厂不同处理工艺的处理后，仍然含有一定浓度的营养元素，可能会引起管网中细菌的再生，因此，在出厂水之前，水厂需要通过净水技术的优化，使得出水中有机物以及氮磷等营养元素得到有效去除，以抑制管网中细菌的再生。 管网中细菌的再生对水温要求较高，合适的温度，有助于提高细菌的活性，有利于细菌的再生。研究指出，随着水温的不断升高，细胞的产率和细菌的生长速度都会明显加快。同时，在营养基质较为充分的条件下，水温可加速生物膜的形成，Silhan通过研究指出在未进行加氯消毒的出厂水中水温是影响生物膜形成的主要因素。 由于出厂水一般需要通过长距离管道的输送方能送到用户家中，输送过程中管网中的水力条件以及管材对管网细菌的再生都会产生较大的影响。一般而言，水力条件如流速和水力停留时间等，多数研究指出流速加快能够为管壁生物提供较多的营养基质，但同时大流速产生的剪切力会破坏管壁上形成的生物膜，并容易使生物膜脱落，即高流速对生物膜的形成起到限制作用；对于低流速，由于水力停留时间较长，消毒效果减弱，前期由于加氯导致损伤的细菌容易再生，降低水质的安全。 在输配水管网中，管材的选择是关键，当前国内输水多使用金属管材和塑料管材，管材对细菌的再生主要是以下俩点：一方面管材在水中长时间浸泡自身可能向水中释放一些营养物质，可能会促进细菌的再生，因此，管材的腐蚀应被作为衡量管网水中细菌再生的参考因素；另一方面，有些管材抗腐蚀性强，此时应该考虑管道内壁的粗糙度和孔度等理化性质对细菌再生可能带来的影响。国内外研究指出，PE管、PVC管等相对于铸铁管、钢塑管等不利于生物膜的生长。但也有研究指出，无论使用哪一种管材，长时间运行下，管壁上都会形成较多的生物膜，这与原水水质、出厂水水质、加氯消毒以及管材的自身理化性质都有可能影响到管网中细菌的再生。因此，选择合适的管材，按时对管道进行管理如冲刷管道、更新管材等以降低管道的腐蚀和结垢情况，抑制细菌的再生保障出水水质。 给水系统中水质生物稳定性的控制与水厂的处理工艺密不可分。多数情况下，需要在出厂水之前，将水中AOC、BDOC等浓度降到最低，在水处理过程中，根据水源水质特点，通过增设预处理(如预臭氧、生物预处理、吸附预处理)或者强化常规处理工艺（强化混凝或者强化生物过滤）以及在深度处理阶段增设臭氧-生物活性炭或者超滤膜过滤技术等，有效降解和去除水中的有机物，最大限度地降低出厂水中有机物的含量。同时为了抑制供水管网中细菌的再生，在出厂水加氯消毒过程中，选择合适的消毒剂和消毒方式，合理控制管网水中余氯含量。在考察指标上，管网中复杂的物理化学以及生物变化，出厂水中单一控制指标的检测不能够充分保证水质稳定，因此在水厂处理阶段要跟踪检测水中AOC、BDOC、BRP以及TP、MAP等能够反映水质生物稳定性控制指标，并探讨各项控制指标之间的关系，综合反映水质的生物稳定性。其中研究磷含量与AOC和BDOC共同对水中生物稳定性的影响研究以及相互限制的程度，探讨饮用水深度处理技术中磷的去除研究，对进一步保障水质生物稳定性提出新的安全措施。同时水厂可根据管道输水实践，优选管材、控制流速和水力停留时间等以延长管网使用寿命，抑制细菌的再生，提高管网水生物稳定性，保障供水安全。
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