给水管壁生物膜中微量无机物吸附/解吸研究进展

冯静怡，张永吉，周玲玲

(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

0 引言

城市给水管网具有覆盖面广、系统复杂、用水工况随机性强等特点而成为供水安全的薄弱环节。自从20世纪30年代美国在未加氯消毒的给水管网中发现细菌再生长现象以来，管网中细菌再生长及其所带来的水质问题日益得到了人们的关注和重视。研究表明随着输送距离和时间的增加在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应，造成的浊度、色度升高、产生不良气味、口感恶化以及条件致病菌增殖等问题一直是研究者们力图攻克的难题[1]。

据统计，中国管网水水质合格率较出厂水下降0.88%，其中浊度平均比出厂水高0.3NTU，细菌总数增加4倍左右，而大肠杆菌合格率只有90%左右，还伴随铁猛含量超标，浊度色度增加，甚至出现“红水”“黑水”等水质安全事件[2]。1968年芝加哥对供水管网水样与出厂水水样的水质对比发现，镉、铬、钴、铜、铁、铅、锰、镍、银、锌等微量无机污染物的浓度在15%～67%的水样中有所增加[3]。

美国科学家M. Edwards在2003年IWA年会报告中指出，给水管网中出现的各种水质问题将是21世纪世界各国供水行业的极大挑战。

1 微量无机污染物的危害

饮用水中的微量无机污染物超标会对人体健康造成严重危害，会导致人体出现肠胃炎、肝炎、冠心病等疾病。其中铅的超标可影响人体的生殖系统，引起免疫系统疾病和心血管疾病，甚至引发癌症，对婴幼儿身体和神经发育造成威胁。锌超标会引起锌中毒而破坏肠胃功能，还可能导致贫血。体内锌/铜比值增大，会使体内胆固醇代谢紊乱，产生高胆固醇血症，继而引起高血压、冠心病等。锌过量还会使人体抗癌能力降低，甚至刺激肿瘤生长并致癌[4]。研究发现在长期使用的给水管网系统中存着铅、铁、锰、铜、锌等16种金属元素，大多积累在管壁生物膜中[5]，当生物膜老化或管道系统水力变化造成生物膜脱落时，管网水质金属无机污染物超标严重[6-7]。所以，管网中微量无机污染物的问题也逐渐开始受到重视。

2 管壁生物膜吸附/解吸无机污染物过程

管壁生物膜不仅是细菌生长的场所，还能汇集各种污染物。给水管壁生物膜是由饮用水中的贫营养微生物形成，在贫营养环境中，99%以上的微生物细胞都是附着在水体中的某种介质表面形成贫营养生物膜，在微生物胞外聚合物的作用下[8]可以更好地代谢难降解的有机化合物，并且可以一定程度上抵抗消毒剂的作用[9]。研究发现，给水管壁生物膜不仅会造成输水能耗的增加、引起管网水中余氯消耗、降低管网的生物稳定性等问题，还能够累积微量无机污染物(trace inorganic contaminants，TICs)并在一定条件下解吸释放到管网水中[10]。因此，给水管壁生物膜会决定水中微量有机物污染物、无机污染物、微生物等的迁移、转化及解吸和释放。管网水中的微量无机污染物和管壁生物膜相互作用下，会逐渐地在管壁中累积，使管壁成分不断发生改变，而在水质、水力条件变换等扰动下，管壁又会逐渐地释放出污染物。

研究表明，水中污染物会在管壁生物膜上发生聚结、转化和降解，因而污染物的传输、转移和最终归宿可能会受到生物膜作用的影响[11]。通过对比11种微量无机污染物在管壁生物膜和沉积物中发现，生物膜对水中微量无机物有较强的富集作用，生物膜对钡的累积浓度最高，其次为铅、镍和铬等。生物膜吸附铅、镉的研究表明，生物膜及铁、锰氧化物对铅、镉的累积占主导地位。生物膜吸附铅主要由生物膜上锰氧化物控制，吸附镉主要由膜上铁氧化物控制。温度对生物膜累积无机物有一定影响，温度高的夏季生物膜活性高，铁锰的沉积量高，而冬季时候温度低使得生物膜活性降低，铁锰量低[12]。

3 管壁生物膜中吸附/解吸无机污染物迁移的影响因素

影响生物膜对无机污染物含量的因素很多，如生物膜生长时间、微生物的种类及其生长状态、胞外聚合物基质对无机污染物的吸附，以及生物膜中富集的无机、有机物质等。成熟且较厚的生物膜与污染物接触的时间越长，污染物富集越多。生物膜的组成和形态影响其对无机污染物的吸附，生物膜胞外聚合物中的羰基和羟基官能团具有非常高的无机污染物吸附能力，胞外聚合物的结合力依赖于无机污染物的特性和微生物组织的性质，胞外聚合物组分(如蛋白质、糖类、有机质)的变化可能影响生物膜对无机污染物的吸附。

生物膜对微量无机污染物有明显的富集作用，对微量无机污染物的迁移、转化、生物可利用性以及最终归宿等具有较强的控制作用，生物膜吸附镉的实验表明，在生物膜吸附镉的过程中，生物膜对镉的吸附随生物膜上铁氧化物的含量呈规律性变化，对于相同平衡浓度镉的吸附溶液，生物膜吸附镉的量随生物膜上铁氧化物含量的增加而减少[13]。

温度、碱度和pH都会影响铜的解吸，随着碱度的增加和pH的降低，铜的解吸量增加，而较高的温度也会增加铜在水中的释放[14]。水中余氯浓度的增加也会影响无机污染物在生物膜上的累积和解吸，如只需0.2 mg/L的氯就会提高无机污染物在生物膜上的累积，随着氯的浓度的增加，锰、铁、铜和铅等在生物膜中的含量进一步增加。而水中有机物的浓度会影响铅、锰、铜等无机物从生物膜中释放到水中，研究表明，水中增加1 mg/L的天然有机物，生物膜中的83%～95%铅会解吸到水中[15]。

4 结语

综上所述，在给水管网系统中，生物膜中无机污染物的吸附/解析是影响饮用水水质安全的重要因素。国内外从20世纪80年代就开始了给水管壁生物膜及其对管网水质的影响研究，并围绕生物膜生长的影响因素、控制方法等方面开展研究[16]。随着无机污染物走进研究生人员的视野，深入开展生物膜中微量无机污染物的累积/解吸过程的研究，从而解析给水管网中微量无机污染物的归趋，并提出相应的控制方法，对于控制给水管网中的无机污染物的含量，保障给水管网水质安全具有重要的理论意义。