深度处理对饮用水生物稳定性的影响

深度处理对饮用水生物稳定性的影响

李帅1，鹿长青1,2，林惠荣1，张胜华1

(1. 中国科学院城市环境研究所，福建厦门361021；2. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009)

摘要给水系统中细菌再生长是自来水管网水质恶化的主要原因之一，水中可同化有机碳(AOC)被认为是影响细菌再生长的主要因素。饮用水常规的处理工艺仅能去除约20%的AOC，不过生物预处理、臭氧—生物活性炭、纳滤可以有效去除AOC，从而提高饮用水生物稳定性。在保证水中消毒剂余量的前提下，常规处理结合深度处理去除AOC是控制细菌再生长的有效方式。

关键词深度处理生物稳定性可同化有机碳(AOC)生物预处理臭氧—生物活性炭膜过滤

中图分类号：TU991文献标识码： B

[收稿日期]2014-12-25

[基金项目]国家自然科学

[作者简介]李帅(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为饮用水处理及水处理微生物学。电话： 0592-6190536；E-mail： shuaili@iue.ac.cn。

[通讯作者]张胜华，电话： 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

经给水厂处理后的饮用水在输送至用户的途中，在水中仍存在可生物降解有机物，因此出水中未被消毒工艺杀死的微生物或经其他途径进入给水管网的微生物可以利用这些有机物生长繁殖。给水管网中微生物存在的形式有两种： 悬浮生长和管壁附着生长。由于水中余氯的存在，微生物的悬浮生长会得到一定程度的抑制，但是管壁附着生长的微生物可以形成生物膜，生物膜可以减少余氯对微生物的损伤。管网中普遍存在生物膜，水中的营养物质、温度、水力因素、消毒剂种类和余量及管道材质都是给水管网中生物膜形成的影响因素[1]。给水管网管壁上的生物膜会导致水质恶化，引起色度和浊度升高，加剧管道腐蚀，缩小过水断面，发生爆管，增加能耗，降低输水能力，而且病原微生物的再生长会增加水传播疾病暴发的可能性。细菌再生长是水厂和用户之间水质恶化的最主要原因[2]。

本文讨论了饮用水处理工艺对水中可同化有机碳的影响，希望能为饮用水生物稳定性的研究及实际控制提供合理建议。

1饮用水生物稳定性及其评价指标

1.1饮用水生物稳定性的概念

饮用水生物稳定性是指饮用水中可生物降解有机物(BOM)支持异养菌生长的潜力，即当饮用水中的有机物成为限制异养菌生长的唯一因素时，水中营养物质支持细菌生长繁殖的最大潜力[3]。

1.2饮用水生物稳定性评价指标

1.2.1可同化有机碳

可同化有机碳(AOC)指溶解性有机碳(DOC)中易被细菌吸收同化，转化为细胞质量的部分[4,5]。AOC通常由分子量小于1000Da，带有负电荷官能团的低分子量有机物组成[6,7]，通常只占总有机碳很小的一部分，为0.1%～9.0%[8]。

给水管网中AOC浓度和异养菌密度之间有明显的关系[9,10]，因而被认为是饮用水给水系统中控制微生物生长的主要营养物质[11,12]。目前，国际上大都采用测定饮用水中AOC的方法来判断给水管网中大肠杆菌等异养菌的再生繁殖潜力[5]。一般认为给水管网中没有余氯时，AOC浓度小于10μg/L的饮用水中异养菌不会增加[9]；而给水管网中存在余氯时，AOC浓度介于50～100μg/L就可以限制大肠杆菌的再生长[10]。

1.2.2可生物降解溶解性有机碳

可生物降解溶解性有机碳(BDOC)是水中微生物新陈代谢的物质和能量来源，包括微生物同化作用和异化作用的消耗。饮用水中BDOC占总DOC的10%～30%[13]。

BDOC作为评价水质生物稳定性的指标也受到了研究者的关注。Kooij[9]认为BDOC不能作为预测细菌再生长的参数，因为BDOC浓度和异养菌数量之间并没有明显的关系。而Escobar等[14]认为AOC和BDOC应该作为两个相互补充的参数来表征饮用水生物稳定性，如果只选择两者之一，可能会高估或者低估饮用水的生物稳定性。原因可能是AOC和BDOC测定的是BOM中的不同部分[15]，AOC不能反映处理过程中BDOC的去除量、管网中可被水解转化成AOC的BDOC的量[3]。

1.2.3微生物可利用磷

尽管AOC被认为是饮用水给水系统中控制微生物生长的主要营养物质，但是Lehtola[16,17]发现在一些含有足够有机物的水中，限制微生物生长的不是有机碳而是磷，在这种情况下，由于微生物对磷的需求较少，磷浓度一个很小的变化都会大大影响微生物的生长，因此AOC和磷酸铵镁(MAP)都应该作为饮用水中限制微生物生长的因素。另外，姜登岭等[18]研究发现在水源水和处理工艺中，AOC是微生物生长繁殖的决定性因素，而在其研究的配水干管中，磷成为细菌再生长的限制因子。Sang[19]也认为磷是饮用水中细菌生长的限制因素，应该得到重视。

因此，BDOC和MAP应该作为AOC的补充指标，才能更全面的评价饮用水的生物稳定性。

2常规处理工艺对饮用水生物稳定性的影响

常规处理对AOC 的去除非常有限，去除率为30%以下[4]，平均为20%左右[20]，因此在受污染的情况下无法保证饮用水的生物稳定性[5,21]。

常规的混凝沉淀可有效去除悬浮物和胶体物质，但对溶解性有机物的去除效果却不佳，主要去除分子量大于1万Da的有机物，对分子量小于3000Da的有机物几乎无法去除甚至反而使其增加[22]，而AOC是以小分子有机物为主，因此去除效果不佳。氯消毒时，氯与未被去除的有机物发生氧化反应，将其转化为容易被细菌利用的有机物，使AOC浓度有所上升[4,5,17,23,24]。因此，有必要对饮用水进行深度处理，以减少AOC含量，提高生物稳定性。

3深度处理对饮用水生物稳定性的影响

3.1生物预处理对饮用水生物稳定性的影响

生物预处理是指在常规净水工艺之前，增设生物处理工艺，利用微生物的新陈代谢，对水中的有机污染物、氮磷及铁锰等无机污染物进行初步处理，如此可以减轻后续工艺的负担。饮用水生物预处理一般采用生物膜法，如曝气生物滤池(BAF)、陶粒生物滤池、浸没式弹性填料接触氧化池、生物流化床等，附着在填料表面的生物膜可以降解水中的有机物、氮磷等营养物质，从而达到净化水质的目的[25-27]。

Okabe等[23]研究了多介质过滤(MF)、旋转膜生物反应器(RBMR)、多介质过滤+生物活性炭(MF+BAC)对混凝沉淀出水AOC的去除效果，发现RBMR或MF+BAC对AOC的去除率大于85%，而MF对AOC的去除率为75%，RBMR或MF+BAC处理出水中生物膜的生长比MF处理出水慢，生物处理(RBMR或MF+BAC)可以有效去除AOC，改善饮用水生物稳定性。

BAF预处理可以消耗原水中大部分可生物降解有机物，减少给水管网中细菌再生的可能性，提高饮用水的生物稳定性[27]。生物陶粒预处理可以去除45%左右的AOC，如果在它之前先经过预臭氧化，生物处理的去除率可增大到58.4%[12, 20]；而Li等[5]研究发现生物陶粒预处理对AOC的去除率为 54%，有效减小了后续单元的负担，降低了饮用水的潜在危害性。Hu[28]以活性黏土、沸石为填料，发现生物过滤预处理的最佳空床接触时间为30min，可以去除40%～45%的AOC。Lim等[29]对曝气式浸没生物滤池进行了研究，发现生物处理可以提高生物稳定性。

可见，生物预处理可以降解可生物降解有机物，减少AOC，降低给水管网中细菌再生长的可能性，提高出水的生物稳定性[26，30]。

3.2臭氧—生物滤池对饮用水生物稳定性的影响

臭氧—生物活性炭(O3-BAC)中臭氧化和生物过滤两种工艺在提高饮用水生物稳定性的过程中缺一不可。前者可以去除水中的嗅和味，有效杀灭微生物，又可以将大分子有机物氧化分解为小分子有机物，如有机酸、醛类、酮酸等，提高了有机物的可生化降解性，使水中AOC和MAP浓度上升[16,17,31-39]，这也为生物活性炭(BAC)滤池中的生物膜微生物提供了丰富的营养，提高其活性，使其可以高效去除水中的有机物。整个工艺对AOC、BDOC等的去除效果大大高于单一工艺的去除效果，具有明显的协同作用。O3-BAC出水营养性指标(氨氮、总磷、铁、锰、AOC)较常规处理明显降低，一定程度上抑制了管网中细菌的再生长，提高了饮用水的生物稳定性和安全性[5,21,38,40]。在传统处理工艺的基础上补充预臭氧、O3-BAC可以大大改善饮用水的生物稳定性[41]。但是，O3-BAC可能发生活性炭表面生物膜老化脱落并穿透炭层，造成生物泄露，所以在应用过程中应注意。

张朝晖等[42]研究发现曝气生物滤池和O3-BAC对AOC的去除率分别为70%和82%, 认为颗粒活性炭(GAC)或者无烟煤作为滤料都可以有效去除AOC；而Chien[31,32]认为与GAC相比，无烟煤对AOC的去除效果较低，不能满足水质要求，因此不能代替GAC作为生物过滤过程的填料。

3.3膜过滤对饮用水生物稳定性的影响

膜分离技术是20世纪70年代开始发展起来的，在90年代得到快速发展，被认为是当前最具发展潜力的深度水处理技术。膜分离技术以膜两侧的压力差为驱动力，根据膜孔径的大小可以分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)。

微滤膜和超滤膜是低压驱动膜，可有效去除水中的颗粒物、细菌和胞囊，但是其对有机物的去除效果较差。超滤出水生物量大大减少，但是AOC浓度依然偏高，出水生物膜生长快，无法保证出水的生物稳定性，这也说明了减少水中营养物质以抑制细菌再生长的重要性[23]。因此，超滤必须与其他工艺(如活性炭吸附或纳滤、反渗透)结合，才能保证出水水质[42]。

与微滤、超滤相比，纳滤和反渗透则能去除广泛的有机污染物。纳滤膜的小孔径、电荷特性使得纳滤膜可以去除分子量为200～300 Da的有机物和多价离子[43]。纳滤可以有效截留多糖、腐殖质等高分子有机物，这些高分子有机物的透过率低于1%；带电的低分子有机物可以被纳滤有效截留，透过率低于3%；电中性的低分子有机物和疏水性有机物的透过率分别为6%和12%[44]。纳滤可以有效去除BDOC[45]，但是纳滤对AOC的截留效果不佳，去除程度不足以限制细菌生长，滤过水中的AOC浓度高于生物稳定饮用水的标准，也就是说纳滤出水不具有生物稳定性[44-46]，尽管如此，与原水相比，纳滤也大大减小了AOC浓度；纳滤和超滤所不能去除的天然有机物(NOM)比进水中的NOM亲水性更强，分子更小，可生物降解性更强[47]。高通量反渗透膜对AOC的去除效果较好，其出水是生物稳定的[44]。

Escobar等[48]认为反渗透和纳滤对AOC的去除机理主要是电荷排斥，对BDOC的去除主要依靠孔径截留；发现在低硬度、低离子强度的条件下，AOC的去除率更高，另外高pH也会使AOC去除率略有升高；水厂中纳滤可以有效去除BDOC，但是不能截留原水中的大部分AOC，其原因可能是前处理阶段加酸导致的低pH、高硬度、高离子强度造成的。

4深度处理工艺在我国自来水厂的应用情况

目前，由于原水水质恶化及人们对水质要求的提高，我国很多水厂对处理工艺进行了升级改造，在94家已建和在建的深度处理水厂中，有73家水厂选用了O3-BAC技术，14家水厂选用了膜过滤技术，19家水厂增加了生物预处理工艺。O3-BAC和生物预处理可以有效去除氨氮、COD等，而细菌、大分子物质等可以被膜过滤技术有效截留，经过升级改造，水厂出水水质明显提高，具体如表1所示[49]。

表1　深度处理工艺在我国部分地区水厂的应用情况

注： a-山东省9家水厂中东营市第二自来水厂原水水质较差，其浊度为30 NTU，氨氮为1mg/L，CODMn为4.2mg/L，属Ⅳ类水；b-上海市8家水厂中青浦第二水厂原水中氨氮浓度高达2.5mg/L，属劣Ⅴ类水；c-余杭仁和水厂原水浊度高达282 NTU，经过处理，出水浊度降至0.1 NTU

5结语

给水管网中细菌再生长是管网水质恶化的主要原因，AOC和余氯被认为是影响给水系统中异养菌生长的两个主要因素。当AOC浓度足够低时，AOC对控制生物膜形成和异养菌浓度具有重要影响；当AOC浓度过高(>50μg AC/L)时，余氯是控制细菌生长所必需的[50]。但是氯的使用带来的消毒副产物会危害人体健康，因此最佳办法仍是提高AOC去除率，尽可能地降低AOC浓度，同时保证余氯，防止细菌再生长的发生。

氧化剂(如臭氧、过氧化氢、氯)可以氧化有机物，使得AOC浓度升高，降低生物稳定性，但也提高了有机物的可生化性，可以结合生物处理，提高有机物去除率，从而提高生物稳定性。

常规饮用水处理工艺对于水中AOC的去除效果不佳，需要配合深度处理工艺提高AOC去除率，提高饮用水生物稳定性。常规处理结合生物预处理、臭氧—生物活性炭和膜处理可有效提高生物稳定性。

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