给水管网中管壁微生物膜对消毒副产物生成的影响

2023-12-20文泽伟王业腾

皮革制作与环保科技 2023年21期

文泽伟，曹宇，王业腾

（1.佛山市南海区蓝湾水环境投资建设有限公司，广东佛山 528200；2.中建生态环境集团有限公司，广东佛山 528200）

引言

随着生活水平的日益提高，人们对饮用水的安全问题也越来越关注和重视。我国1959年诞生的第一个饮用水水质标准涵盖了16项水质指标，经过多次修改，2006年12月颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）[1]中，将水质指标增加到106项，可见我国对饮用水安全的重视程度。其中，饮用水中的消毒副产物一直是备受关注的重点之一，新标准增加了对净化水质时产生的二氯乙酸等卤代有机物质的检测。

目前大多数自来水厂出厂水均符合饮用水卫生标准，但出厂水在管网输送和水池（箱）储蓄过程中，管网与其输送的水体构成一个庞大复杂的“反应器”，其中会发生一系列物化、生化反应，导致细菌滋生，水质变差[2]。已有研究报道细胞类物质能与氯反应产生副产物，但是对于给水管网管壁滋生的微生物膜与消毒剂反应生成消毒副产物的研究却比较少见。

1 饮用水消毒技术

饮用水消毒技术是保障公众健康的重要措施，其目的是杀灭水中的细菌、病毒及其他有害微生物，以确保饮用水的安全性。常见的饮用水消毒技术包括氯化消毒、氯胺消毒等[1]。

1.1 氯化消毒

氯化消毒是利用氯或次氯酸盐在水中反应产生次氯酸（HOCI）来完成消毒的方式。氯化消毒具有很多优点：（1）氯杀菌能力强；（2）余氯仍具有持续消毒能力[3]；（3）工艺成熟简单，成本较低，材料来源方便。

同时，氯化消毒也有其缺点：（1）大量使用也带来了环境污染问题，例如水源地附近水体中的有机氯可能会导致生物体内产生致癌物质；（2）有可能产生致癌性的三氯甲烷等化合物，对人体健康不利；（3）在养殖场应用时受有机质、还原物质和pH值的影响大，消毒效果会受到影响。

1.2 氯胺消毒

氯胺实际上是一种复杂的无机氯胺和有机氯胺的混合物。其作为消毒剂具有很多优点：（1）大幅降低了氯消毒时三卤甲烷和卤乙酸等消毒副产物的产生量；（2）氯胺消毒稳定性好，杀菌持久性强；（3）氯胺氧化性较弱，大大减少了氯消毒残留的臭味；（4）氯胺腐蚀性小、价格低廉[4]。

氯胺消毒的缺点也比较明显：（1）其消毒杀菌作用不及自由氯；（2）氯胺投加量需严格控制，否则容易激活水中的氨氧化细菌，从而生成亚硝酸盐和氨氮；（3）相对于氯消毒，氯胺消毒工艺更加复杂，操作管理不便。因此单独采用氯胺消毒的水厂较少，其通常作为辅助消毒剂以抑制管网中细菌的再繁殖。

2 消毒副产物概况

2.1 消毒副产物

消毒副产物（DBPs）是指采用消毒剂对饮用水进行消毒时，其与饮用水中的一些前体物质发生取代、加成和氧化等一系列化学反应后产生的物质。最初的饮用水消毒副产物是指用氯进行消毒产生的副产物，后来随着消毒剂种类的增多，这种副产物涵盖的范围也跳脱出了氯的“笼子”，范围得到了进一步扩大。

2.2 消毒副产物的影响因素

消毒副产物的影响因素有很多，比如消毒剂的种类和浓度。不同的消毒剂对水中有机物的灭活能力不同，产生的消毒副产物也各不相同。此外，消毒剂浓度越高，消毒作用越强，但同时也会导致消毒副产物的生成量增加。再比如，水中有机物含量也是影响消毒副产物产生的重要因素。有机物含量越高，消毒剂与有机物反应的几率越大，导致消毒副产物生成量增加。除此之外，水质的硬度、水温、水的pH值、消毒剂与水的反应时间等都是影响消毒副产物的因素。

2.3 消毒副产物的危害及控制

大部分已经鉴定的DBPs都具有细胞毒性和基因毒性，控制饮用水中的消毒副产物（DBPs）可以从三方面入手[5]：（1）去除原水中的NOM；（2）改变消毒工艺或采用新的消毒剂，减少消毒过程中DBPs的产生；（3）去除饮用水中已生成的DBPs。其中，在进行地表水处理时，可采用强化混凝、GAC吸附、膜过滤技术等去除NOM。

3 给水管网微生物稳定性研究

大量研究表明，出厂水中存在的可生物降解的有机物是管网中异养菌再生长的主要原因，因此提出了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支持异养菌生长的潜力，饮用水稳定性越高，则表明水中细菌生长所需的有机营养物质含量越低，细菌越不易在其中生长，反之亦然。

3.1 给水管网中的细菌再生长

尽管自来水厂通常通过投加氯消毒灭活病原菌，同时保持管网末端一定量的余氯来控制细菌在管网中的生长，但出厂水中仍残存有细菌；部分氯消毒后的受伤细菌也会在管网中自我修复，重新生长；同时管网的交叉连接和倒虹吸等其它原因也会造成外界细菌重新进入管道。当管网水中存在可生物降解有机物时，这些残存的细菌就能够获得营养重新生长繁殖，导致用户水质变差[6]。

3.2 给水管网中的管壁微生物膜

3.2.1 管壁微生物膜的形成过程

游离细菌与饮水管道内壁表面接触后，粘附到管道内壁表面，粘附的细菌在管道表面形成生物膜。当微生物滞留在水系统边界上时，例如在管道内壁和水箱内壁或附着于惰性及活性实体的表面，它们就会进行繁殖、分化，并分泌多糖基质，将这些菌体群落包裹其中，使生物膜不断加厚。

3.2.2 管壁微生物的特性

（1）生物多样性：管壁微生物膜中包含的微生物种类繁多，包括不同种类的细菌、藻类和真菌等，形成了一个复杂的微生物群落。（2）黏附性：微生物膜具有很高的黏附性，可以牢固地附着在管渠内壁上，这种黏附性主要由微生物表面分泌出的粘附物质所导致，可以抵抗水流的冲刷作用。（3）耐受性：管壁微生物膜能够耐受一定程度的环境变化，例如高浓度的有机物质和重金属等污染物，因为微生物能够分解这些有机物质并将其转化为无机物质。（4）稳定性：管壁微生物膜具有一定的稳定性，其结构可以长期保持，微生物也可以进行正常的生理活动。

3.2.3 管壁微生物膜的影响因素

管壁微生物膜的影响因素很多，包括水中的营养基质浓度、水流速度、消毒剂的浓度、水中悬浮菌的数量、水温等。

水温影响微生物生长速率、消毒效果、管道腐蚀速率及和生物膜相关的其他现象。在贫营养环境中，相对于冷水来说，温水中的细菌生长更加迅速。管壁微生物膜主要组成菌为异养菌，所以需要足够生物生长的有机物，如充足的磷、氮和其他基础的营养物质。管网水属于典型的贫营养环境，营养元素浓度的改变会对管网中微生物的生长产生较大影响。微生物之间的相互作用也是一个重要的影响因素，不同的微生物会竞争有限的营养物质。

此外，管网中的水流速度也会影响细菌生长，水流流速过快会使更多的营养基质附着于管壁生物膜；水流流速过慢会使消毒剂消耗加快，促使水中余氮量减少，余氮量不足则无法有效杀灭经消毒而受伤的细菌，给了它们更多“喘息”的机会得以自我修复并继续生长；而当水流突然打开或者突然停止时，又会快速冲刷管壁生物膜，使细菌快速繁殖。

综上所述，管壁微生物膜的形成与水温、营养物质、微生物种类及其相互之间的作用，以及消毒剂、管网内水质特征等都有密切关系，相关人员在考察管壁微生物膜时要综合考虑多方面的因素。

3.3 给水管网生物膜反应器研究

常用的生物膜模拟系统包括简单封闭式模拟系统和开放式模拟系统[7]。其中简单封闭式模拟系统主要模仿生物膜的基本结构，由一个模拟磷脂分子的容器和一个或多个模拟蛋白质分子的计算模型组成。在此模型中，磷脂分子可以随机移动，而蛋白质分子则可以随机在磷脂分子层中移动。该系统主要用于研究生物膜的基本性质。开放式模拟系统在简单封闭式模拟系统之上增加了生物膜相互作用的外部环境，包含一个或多个模拟细胞模型的磷脂分子层和蛋白质分子以及一个模拟外部环境的计算区域。其主要用于研究生物膜与外部环境的相互作用。

实验室规模的配水管网动态模拟装置通常分为两种，分别为局部管段反应器和环状管网反应器，二者的区别如表1所示。