饮用水臭氧消毒生物稳定性影响因素及其控制

2019-12-27刘满苍刘行刚李冬晓乔舒悦杨书君

中国农村水利水电 2019年12期

刘满苍，刘行刚，谢薇，李冬晓，陈峥，乔舒悦，杨书君

(1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056000；2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；3 北京市农村改水领导小组办公室，北京 100053；4. 浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引言

为保证到达供水管网末梢饮用水的卫生安全，避免微生物再生造成感官上的不适和对用户健康的潜在风险，需要对饮用水进行消毒，一是杀灭水源水中的病原微生物或使其失去活性；二是通过保留部分消毒剂余量，防止微生物再度滋生，确保饮用水的生物稳定性[1]。在众多饮用水消毒方法中，臭氧因对多种微生物灭活能力强、无氯味等优点而备受青睐，近年来实际工程中应用范围逐步扩大。但是臭氧不稳定、易分解，持续消毒效果差，而且臭氧能将水中大分子有机物氧化成易于生物降解的小分子有机物，从而为微生物提供营养物质，造成管网中微生物再次生长和繁殖，影响水质并威胁用户健康[2]。因此，研究饮用水臭氧消毒工程中微生物的再生原因和影响因素，探寻生物稳定性控制措施，对优化臭氧消毒工艺、确保水质安全、保障用水户健康具有重要意义。

1 供水管网中微生物的再生和危害

1.1 管网中微生物的来源

管网中微生物的来源主要有以下几种。

(1)出厂水中残留微生物。饮用水消毒过程中，部分微生物可能由于灭活不完全而进入管网，在输送过程中由于消毒剂浓度下降，受伤的细菌复活并利用管网中有机营养物质大量繁殖，进而威胁着饮用水的生物稳定性[3]。

(2)管壁生物膜脱落进入管网。尽管管网内生物量以悬浮菌为主，但管壁生物膜也是水中悬浮菌的来源之一，也是造成管壁腐蚀的重要因素。当管壁生物膜生长到一定程度，上层细菌因为生物膜底层营养，氧传质较难，坏死性脱落而进入管网水中[4]。

(3)管网二次污染。由于管网停水后水逆流、地下输水管网破损或由于维护、维修等原因形成的负压，使外界环境中的微生物侵入管道。

1.2 管网中微生物的再生原因

由于给水管网中输送的出厂水为贫营养环境，导致其中生长的异养菌在这种环境下以其独特的饥饿生存适应方式存活下来。与依赖高营养基质生存的细菌相比，生长在贫营养基质下的细菌对消毒剂产生了更强的抗性[5]。对采用臭氧消毒的供水工程，因臭氧氧化能力较强，水中的大分子有机物的结构会被氧化分解为以醇、酯、羧酸烷烃类等为主的小分子有机物，有机物的可生物利用性显著增强，而生物膜、颗粒物质、管壁表面的表面粗糙、边界层效应也为微生物在管网中生长提供了有利条件[6,7]。所以，经过臭氧消毒后，进入管网的细菌仍具有再生的可能性。

1.3 管网中微生物再生的危害

管网中微生物再生首先可能会造成用户端水质微生物指标的超标，其次可能会引起浊度、色度、有机物、亚硝酸盐等指标浓度的变化，因此而威胁用水户身体健康。同时，当管网水中某一类微生物大量生长时，会使水体产异味和臭味；当管网水中铁细菌生长时，会形成絮状物，造成水的浊度增加；当管网水中单胞菌属生长时，会引起肠道疾病等[8]。

2 饮用水生物稳定性及评价指标

2.1 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支持异养细菌生长的潜力，即当有机物成为异养细菌生长的限制因素时，水中有机营养基质支持细菌生长的最大可能性。饮用水生物稳定性低，则表明水中细菌生长所需的有机营养物含量高，细菌容易生长；饮用水生物稳定性高，则表明管网中微生物细菌生长所需的有机营养物含量低，细菌不易生长[8,9]。

2.2 饮用水生物稳定性的评价指标

目前，饮用水生物稳定性的评价指标主要以可生物同化有机碳(assimilableorganiccarbon,AOC)为主，只有保持出厂水中AOC含量在一定水平以下，才能根本解决管网中微生物再生问题。AOC是最易被微生物合成菌体的、支持异养细菌生长繁殖最好营养基质的有机物，与管网中细菌生长有较好的相关性，在国外普遍作为反映饮用水生物稳定性的替代参数。

3 采用臭氧消毒时饮用水生物稳定性的影响因素

国内外相关研究表明，饮用水中影响生物稳定性的因素主要包括：温度、管材、水力停留时间、营养源、消毒剂浓度、水处理工艺等。针对采用臭氧消毒的供水工程，对以上因素可能产生的影响做如下分析。

3.1 温度

温度对于微生物再生作用的主要效果是改变微生物的基础生长速率。研究发现，当水温越高时，水中微生物的活动越明显，水温不但对细菌生长速率产生一定的影响，还影响了细菌的停滞期和细胞的产量。马颖等[10]通过一系列实验探讨了温度与饮用水中生物稳定性之间的关系, 并建立了AOC-T的评价体系(表1)。结果表明，通常情况下，生活饮用水在保存温度小于15 ℃的时候生物稳定性良好；在保存温度大于15 ℃的时候生物稳定性较差，而在35 ℃时，饮用水几乎不具有生物稳定性。

表1 静止状态下饮用水中AOC-T的评价体系Table 1 Evaluation system of AOC-T in drinking water under static state

注：Y代表具有生物稳定性，N代表不具有生物稳定性。

相关文献表明[11-13]，以地表水为水源时，若采用臭氧消毒同时未进行深度处理时，消毒后水体的AOC浓度通常在100μg/L以上，根据AOC-T评价体系，其生物稳定性较差。而一般情况下地表水水温较地下水水温高，故南方湿热地区采用地表水水源时，尤其应该注意控制水体的AOC含量。

3.2 管材

供水管网管材类型对生物稳定性的影响差异应予以重视。由于金属管壁的腐蚀较塑料管材明显，同时不同材料管壁的粗糙程度不同，对AOC产生影响亦不同。付军等[14]研究发现当投加一定量的消毒剂时，金属管中AOC 显著高于塑料管材及出厂水，铜管和镀锌管中AOC 高于PPR管。此外，不同的管材腐蚀所释放的物质也有所差异，对水质指标的影响也不同。管材的管龄以及腐蚀程度都是影响供水水体中微生物稳定性的重要因素[15]。罗东浦[16]等研究发现臭氧对PPR、PE、不锈钢等多种供水管材都存在溶蚀作用，导致水质VOCs、TOC等有机物指标升高，不同类型供水管材存在较明显差别。肖伟民等[17]开展了不同消毒剂的管材浸泡试验，发现管材对水质VOCs、TOC指标的影响要大于消毒剂种类的影响。尽管并未有直接研究证实臭氧消毒供水工程中管材对水质生物稳定性的影响，但根据上述研究仍可以判断，当饮用水采用臭氧消毒时，管材将是其中一项重要影响因素。

3.3 水力停留时间和臭氧浓度

饮用水从出厂到用户的停留时间越短，流速越快，微生物再生越少。然而，管网水水流对细菌的生长具有双重效应：一方面，流速越大，管壁生物膜处的营养物质越多，从而促进细菌生长；另一方面，流速越大，对管壁生物膜的冲刷越强，阻碍生物膜生长。由于臭氧半衰期短，出厂一段距离后，臭氧浓度即会降低到较低水平，因此需要同时考虑水流带来的管壁营养物质累积和对生物膜的冲刷。

臭氧浓度对生物稳定性的影响也有两面性：一方面，低臭氧浓度会给细菌提供在管网中二次生长的有利条件[18]；另一方面，臭氧投加量低，水体AOC水平也低，水质生物稳定性增强[19,20]。

3.4 营养源

饮用水生物稳定性与其所在水中的营养环境有很大关联，这既包括 AOC、BDOC 等形态的碳源，也包括 MAP等磷源以及氨氮等氮源，这些都是微生物生长的营养因子。相关研究表明[21,22]，有机碳、氮、磷的比例为100∶10∶1左右就可提供微生物生长的必要条件。廖一鸣等[12]研究证实调控上述营养因子的水平能够控制微生物的再生。

3.5 水处理工艺

不同的水处理工艺去除AOC的效果也显著不同，这将影响到采用臭氧消毒时的饮用水生物稳定性。从表2可知，常规处理工艺和优化混凝工艺对 AOC 有一定去除能力，但效果不稳定。活性炭是非极性或弱极性的吸附材料，能有效地去除水中有机物，并且臭氧-活性炭工艺能够对AOC达到很好的去除效果，可获得生物稳定的出厂水。

表2 不同处理工艺对AOC的去除效果Tab.2 Removal of AOC by different treatment processes

4 采用臭氧消毒时饮用水生物稳定性的控制措施

(1)规范臭氧消毒应用范围。为避免微生物在供水管道中滋生引起的二次污染，笔者建议仅将单一臭氧消毒用于配水管网较短的小型水厂；而由于酸性条件下，臭氧分解产生的羟基自由基较少，所以臭氧消毒不适用于pH值较低的水体；由于温度过高会降低臭氧在水中的溶解度，加速分解，而水温过低，会降低羟基自由基的反应速度，所以在水温过高或过低的水体不使用臭氧消毒。

(2)重视水质净化效果，控制臭氧投加量。建议在臭氧消毒之前先确保颗粒物的良好去除效果，因为臭氧无法杀灭颗粒物所包裹的微生物，同时通过减少对臭氧的持续性消耗，可在一定程度上保证残余臭氧的浓度，抑制生物膜生长。当浊度低于0.2 NTU时，1.6～2 min mg/L的作用量对于消毒即可(例如投加0.4 mg/L臭氧持续5 min)[2,31]。由3.3部分论述可知，在可控制微生物二次生长水平的前提条件下，尽可能降低臭氧投加量，也是增强水质生物稳定性的方法之一。

(3)优化水处理工艺，控制营养元素浓度。去除微生物生长所需营养物质是实现生物稳定性目标重要途径。臭氧不仅对水的可生化性有所改善，而且对有机营养基质的含量可以不断增加，升高AOC浓度，而AOC的增加是水处理的不利影响因素。常规水处理工艺对AOC去除效果有限[9,12]，在水源水有机物含量较高差或受到污染时，臭氧必须与预处理、活性炭等工艺相结合，才能对AOC有较好的去除，保证饮用水中生物的稳定性。

(4)采用优质供水管材，加强管网维护。铸铁管道易形成铁锈瘤，内表面的不平整形成营养相对丰富区域，使细菌附着生长导致饮用水生物稳定性下降。相对铸铁管道，塑料和不锈钢材质的管道因其内壁表面光滑不易附着细菌，微生物与消毒剂更能充分接触，从而有利于生物稳定性的控制。另外，对管道进行防腐、内表面光滑处理，采用性能良好管材更换旧管道，加强供水管网检修与维护，做好定期冲洗等都会有对供水管网微生物再生很好的防治作用。