飲用水臭氧消毒生物穩定性影響因素及其控制

劉滿蒼，劉行剛，謝 薇，李冬曉，陳 崢，喬舒悅，楊書君

(1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056000；2.中國水利水電科學研究院 水利研究所，北京 100048；3 北京市農村改水領導小組辦公室，北京 100053；4. 浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

為保證到達供水管網末梢飲用水的衛生安全，避免微生物再生造成感官上的不適和對用戶健康的潛在風險，需要對飲用水進行消毒，一是殺滅水源水中的病原微生物或使其失去活性；二是通過保留部分消毒劑余量，防止微生物再度滋生，確保飲用水的生物穩定性[1]。在眾多飲用水消毒方法中，臭氧因對多種微生物滅活能力強、無氯味等優點而備受青睞，近年來實際工程中應用范圍逐步擴大。但是臭氧不穩定、易分解，持續消毒效果差，而且臭氧能將水中大分子有機物氧化成易于生物降解的小分子有機物，從而為微生物提供營養物質，造成管網中微生物再次生長和繁殖，影響水質并威脅用戶健康[2]。因此，研究飲用水臭氧消毒工程中微生物的再生原因和影響因素，探尋生物穩定性控制措施，對優化臭氧消毒工藝、確保水質安全、保障用水戶健康具有重要意義。

1 供水管網中微生物的再生和危害

1.1 管網中微生物的來源

管網中微生物的來源主要有以下幾種。

(1)出廠水中殘留微生物。飲用水消毒過程中，部分微生物可能由于滅活不完全而進入管網，在輸送過程中由于消毒劑濃度下降，受傷的細菌復活并利用管網中有機營養物質大量繁殖，進而威脅著飲用水的生物穩定性[3]。

(2)管壁生物膜脫落進入管網。盡管管網內生物量以懸浮菌為主，但管壁生物膜也是水中懸浮菌的來源之一，也是造成管壁腐蝕的重要因素。當管壁生物膜生長到一定程度，上層細菌因為生物膜底層營養，氧傳質較難，壞死性脫落而進入管網水中[4]。

(3)管網二次污染。由于管網停水后水逆流、地下輸水管網破損或由于維護、維修等原因形成的負壓，使外界環境中的微生物侵入管道。

1.2 管網中微生物的再生原因

由于給水管網中輸送的出廠水為貧營養環境，導致其中生長的異養菌在這種環境下以其獨特的饑餓生存適應方式存活下來。與依賴高營養基質生存的細菌相比，生長在貧營養基質下的細菌對消毒劑產生了更強的抗性[5]。對采用臭氧消毒的供水工程，因臭氧氧化能力較強，水中的大分子有機物的結構會被氧化分解為以醇、酯、羧酸烷烴類等為主的小分子有機物，有機物的可生物利用性顯著增強，而生物膜、顆粒物質、管壁表面的表面粗糙、邊界層效應也為微生物在管網中生長提供了有利條件[6,7]。所以，經過臭氧消毒后，進入管網的細菌仍具有再生的可能性。

1.3 管網中微生物再生的危害

管網中微生物再生首先可能會造成用戶端水質微生物指標的超標，其次可能會引起濁度、色度、有機物、亞硝酸鹽等指標濃度的變化，因此而威脅用水戶身體健康。同時，當管網水中某一類微生物大量生長時，會使水體產異味和臭味；當管網水中鐵細菌生長時，會形成絮狀物，造成水的濁度增加；當管網水中單胞菌屬生長時，會引起腸道疾病等[8]。

2 飲用水生物穩定性及評價指標

2.1 生物穩定性的概念

飲用水生物穩定性是指飲用水中可生物降解有機物支持異養細菌生長的潛力，即當有機物成為異養細菌生長的限制因素時，水中有機營養基質支持細菌生長的最大可能性。飲用水生物穩定性低，則表明水中細菌生長所需的有機營養物含量高，細菌容易生長；飲用水生物穩定性高，則表明管網中微生物細菌生長所需的有機營養物含量低，細菌不易生長[8,9]。

2.2 飲用水生物穩定性的評價指標

目前，飲用水生物穩定性的評價指標主要以可生物同化有機碳(assimilableorganiccarbon,AOC)為主，只有保持出廠水中AOC含量在一定水平以下，才能根本解決管網中微生物再生問題。AOC是最易被微生物合成菌體的、支持異養細菌生長繁殖最好營養基質的有機物，與管網中細菌生長有較好的相關性，在國外普遍作為反映飲用水生物穩定性的替代參數。

3 采用臭氧消毒時飲用水生物穩定性的影響因素

國內外相關研究表明，飲用水中影響生物穩定性的因素主要包括：溫度、管材、水力停留時間、營養源、消毒劑濃度、水處理工藝等。針對采用臭氧消毒的供水工程，對以上因素可能產生的影響做如下分析。

3.1 溫 度

溫度對于微生物再生作用的主要效果是改變微生物的基礎生長速率。研究發現，當水溫越高時，水中微生物的活動越明顯，水溫不但對細菌生長速率產生一定的影響，還影響了細菌的停滯期和細胞的產量。馬穎等[10]通過一系列實驗探討了溫度與飲用水中生物穩定性之間的關系, 并建立了AOC-T的評價體系(表1)。結果表明，通常情況下，生活飲用水在保存溫度小于15 ℃的時候生物穩定性良好；在保存溫度大于15 ℃的時候生物穩定性較差，而在35 ℃時，飲用水幾乎不具有生物穩定性。

表1 靜止狀態下飲用水中AOC-T的評價體系Table 1 Evaluation system of AOC-T in drinking water under static state

注：Y代表具有生物穩定性，N代表不具有生物穩定性。

相關文獻表明[11-13]，以地表水為水源時，若采用臭氧消毒同時未進行深度處理時，消毒后水體的AOC濃度通常在100μg/L以上，根據AOC-T評價體系，其生物穩定性較差。而一般情況下地表水水溫較地下水水溫高，故南方濕熱地區采用地表水水源時，尤其應該注意控制水體的AOC含量。

3.2 管 材

供水管網管材類型對生物穩定性的影響差異應予以重視。由于金屬管壁的腐蝕較塑料管材明顯，同時不同材料管壁的粗糙程度不同，對AOC產生影響亦不同。付軍等[14]研究發現當投加一定量的消毒劑時，金屬管中AOC 顯著高于塑料管材及出廠水，銅管和鍍鋅管中AOC 高于PPR管。此外，不同的管材腐蝕所釋放的物質也有所差異，對水質指標的影響也不同。管材的管齡以及腐蝕程度都是影響供水水體中微生物穩定性的重要因素[15]。羅東浦[16]等研究發現臭氧對PPR、PE、不銹鋼等多種供水管材都存在溶蝕作用，導致水質VOCs、TOC等有機物指標升高，不同類型供水管材存在較明顯差別。肖偉民等[17]開展了不同消毒劑的管材浸泡試驗，發現管材對水質VOCs、TOC指標的影響要大于消毒劑種類的影響。盡管并未有直接研究證實臭氧消毒供水工程中管材對水質生物穩定性的影響，但根據上述研究仍可以判斷，當飲用水采用臭氧消毒時，管材將是其中一項重要影響因素。

3.3 水力停留時間和臭氧濃度

飲用水從出廠到用戶的停留時間越短，流速越快，微生物再生越少。然而，管網水水流對細菌的生長具有雙重效應：一方面，流速越大，管壁生物膜處的營養物質越多，從而促進細菌生長；另一方面，流速越大，對管壁生物膜的沖刷越強，阻礙生物膜生長。由于臭氧半衰期短，出廠一段距離后，臭氧濃度即會降低到較低水平，因此需要同時考慮水流帶來的管壁營養物質累積和對生物膜的沖刷。

臭氧濃度對生物穩定性的影響也有兩面性：一方面，低臭氧濃度會給細菌提供在管網中二次生長的有利條件[18]；另一方面，臭氧投加量低，水體AOC水平也低，水質生物穩定性增強[19,20]。

3.4 營養源

飲用水生物穩定性與其所在水中的營養環境有很大關聯，這既包括 AOC、BDOC 等形態的碳源，也包括 MAP等磷源以及氨氮等氮源，這些都是微生物生長的營養因子。相關研究表明[21,22]，有機碳、氮、磷的比例為100∶10∶1左右就可提供微生物生長的必要條件。廖一鳴等[12]研究證實調控上述營養因子的水平能夠控制微生物的再生。

3.5 水處理工藝

不同的水處理工藝去除AOC的效果也顯著不同，這將影響到采用臭氧消毒時的飲用水生物穩定性。從表2可知，常規處理工藝和優化混凝工藝對 AOC 有一定去除能力，但效果不穩定。活性炭是非極性或弱極性的吸附材料，能有效地去除水中有機物，并且臭氧-活性炭工藝能夠對AOC達到很好的去除效果，可獲得生物穩定的出廠水。

表2 不同處理工藝對AOC的去除效果Tab.2 Removal of AOC by different treatment processes

4 采用臭氧消毒時飲用水生物穩定性的控制措施

(1)規范臭氧消毒應用范圍。為避免微生物在供水管道中滋生引起的二次污染，筆者建議僅將單一臭氧消毒用于配水管網較短的小型水廠；而由于酸性條件下，臭氧分解產生的羥基自由基較少，所以臭氧消毒不適用于pH值較低的水體；由于溫度過高會降低臭氧在水中的溶解度，加速分解，而水溫過低，會降低羥基自由基的反應速度，所以在水溫過高或過低的水體不使用臭氧消毒。

(2)重視水質凈化效果，控制臭氧投加量。建議在臭氧消毒之前先確保顆粒物的良好去除效果，因為臭氧無法殺滅顆粒物所包裹的微生物，同時通過減少對臭氧的持續性消耗，可在一定程度上保證殘余臭氧的濃度，抑制生物膜生長。當濁度低于0.2 NTU時，1.6～2 min mg/L的作用量對于消毒即可(例如投加0.4 mg/L臭氧持續5 min)[2,31]。由3.3部分論述可知，在可控制微生物二次生長水平的前提條件下，盡可能降低臭氧投加量，也是增強水質生物穩定性的方法之一。

(3)優化水處理工藝，控制營養元素濃度。去除微生物生長所需營養物質是實現生物穩定性目標重要途徑。臭氧不僅對水的可生化性有所改善，而且對有機營養基質的含量可以不斷增加，升高AOC濃度，而AOC的增加是水處理的不利影響因素。常規水處理工藝對AOC去除效果有限[9,12]，在水源水有機物含量較高差或受到污染時，臭氧必須與預處理、活性炭等工藝相結合，才能對AOC有較好的去除，保證飲用水中生物的穩定性。

(4)采用優質供水管材，加強管網維護。鑄鐵管道易形成鐵銹瘤，內表面的不平整形成營養相對豐富區域，使細菌附著生長導致飲用水生物穩定性下降。相對鑄鐵管道，塑料和不銹鋼材質的管道因其內壁表面光滑不易附著細菌，微生物與消毒劑更能充分接觸，從而有利于生物穩定性的控制。另外，對管道進行防腐、內表面光滑處理，采用性能良好管材更換舊管道，加強供水管網檢修與維護，做好定期沖洗等都會有對供水管網微生物再生很好的防治作用。

5 結 語

近年來，臭氧消毒在供水工程中的應用日趨增加。然而，臭氧不穩定、易分解，消毒后會增加水中AOC含量，管網中微生物存在大量繁殖的可能。因此，考慮到維持供水管網中水質生物穩定性的需要，應用過程中應注意以下事項。

(1)根據供水工程的管網長度、水體pH值、水溫等條件，確定是否適宜選用臭氧消毒工程建設中應該采用PPR、不銹鋼等優質管材，避免有機物的溶出和微生物的附著再生；

(2)在水廠水處理工藝中，應提升水質凈化效果，合理控制臭氧投加量，優化處理工藝，控制出廠水中營養元素的含量，盡可能提高管網水的生物穩定性；

(3)水廠應加強對出廠水和末梢水中臭氧濃度、微生物指標的檢測，確保符合生活飲用水衛生標準的要求。

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