給水管網(wǎng)中管壁微生物膜對(duì)消毒副產(chǎn)物生成的影響

文澤偉，曹 宇，王業(yè)騰

（1.佛山市南海區(qū)藍(lán)灣水環(huán)境投資建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528200；2.中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528200）

引言

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)飲用水的安全問題也越來越關(guān)注和重視。我國1959年誕生的第一個(gè)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，經(jīng)過多次修改，2006年12月頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）[1]中，將水質(zhì)指標(biāo)增加到106項(xiàng)，可見我國對(duì)飲用水安全的重視程度。其中，飲用水中的消毒副產(chǎn)物一直是備受關(guān)注的重點(diǎn)之一，新標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì)凈化水質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的二氯乙酸等鹵代有機(jī)物質(zhì)的檢測(cè)。

目前大多數(shù)自來水廠出廠水均符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但出廠水在管網(wǎng)輸送和水池（箱）儲(chǔ)蓄過程中，管網(wǎng)與其輸送的水體構(gòu)成一個(gè)龐大復(fù)雜的“反應(yīng)器”，其中會(huì)發(fā)生一系列物化、生化反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)菌滋生，水質(zhì)變差[2]。已有研究報(bào)道細(xì)胞類物質(zhì)能與氯反應(yīng)產(chǎn)生副產(chǎn)物，但是對(duì)于給水管網(wǎng)管壁滋生的微生物膜與消毒劑反應(yīng)生成消毒副產(chǎn)物的研究卻比較少見。

1 飲用水消毒技術(shù)

飲用水消毒技術(shù)是保障公眾健康的重要措施，其目的是殺滅水中的細(xì)菌、病毒及其他有害微生物，以確保飲用水的安全性。常見的飲用水消毒技術(shù)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鹽在水中反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸（HOCI）來完成消毒的方式。氯化消毒具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）氯殺菌能力強(qiáng)；（2）余氯仍具有持續(xù)消毒能力[3]；（3）工藝成熟簡(jiǎn)單，成本較低，材料來源方便。

同時(shí)，氯化消毒也有其缺點(diǎn)：（1）大量使用也帶來了環(huán)境污染問題，例如水源地附近水體中的有機(jī)氯可能會(huì)導(dǎo)致生物體內(nèi)產(chǎn)生致癌物質(zhì)；（2）有可能產(chǎn)生致癌性的三氯甲烷等化合物，對(duì)人體健康不利；（3）在養(yǎng)殖場(chǎng)應(yīng)用時(shí)受有機(jī)質(zhì)、還原物質(zhì)和pH值的影響大，消毒效果會(huì)受到影響。

1.2 氯胺消毒

氯胺實(shí)際上是一種復(fù)雜的無機(jī)氯胺和有機(jī)氯胺的混合物。其作為消毒劑具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）大幅降低了氯消毒時(shí)三鹵甲烷和鹵乙酸等消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量；（2）氯胺消毒穩(wěn)定性好，殺菌持久性強(qiáng)；（3）氯胺氧化性較弱，大大減少了氯消毒殘留的臭味；（4）氯胺腐蝕性小、價(jià)格低廉[4]。

氯胺消毒的缺點(diǎn)也比較明顯：（1）其消毒殺菌作用不及自由氯；（2）氯胺投加量需嚴(yán)格控制，否則容易激活水中的氨氧化細(xì)菌，從而生成亞硝酸鹽和氨氮；（3）相對(duì)于氯消毒，氯胺消毒工藝更加復(fù)雜，操作管理不便。因此單獨(dú)采用氯胺消毒的水廠較少，其通常作為輔助消毒劑以抑制管網(wǎng)中細(xì)菌的再繁殖。

2 消毒副產(chǎn)物概況

2.1 消毒副產(chǎn)物

消毒副產(chǎn)物（DBPs）是指采用消毒劑對(duì)飲用水進(jìn)行消毒時(shí)，其與飲用水中的一些前體物質(zhì)發(fā)生取代、加成和氧化等一系列化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的物質(zhì)。最初的飲用水消毒副產(chǎn)物是指用氯進(jìn)行消毒產(chǎn)生的副產(chǎn)物，后來隨著消毒劑種類的增多，這種副產(chǎn)物涵蓋的范圍也跳脫出了氯的“籠子”，范圍得到了進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 消毒副產(chǎn)物的影響因素

消毒副產(chǎn)物的影響因素有很多，比如消毒劑的種類和濃度。不同的消毒劑對(duì)水中有機(jī)物的滅活能力不同，產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物也各不相同。此外，消毒劑濃度越高，消毒作用越強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物的生成量增加。再比如，水中有機(jī)物含量也是影響消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生的重要因素。有機(jī)物含量越高，消毒劑與有機(jī)物反應(yīng)的幾率越大，導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物生成量增加。除此之外，水質(zhì)的硬度、水溫、水的pH值、消毒劑與水的反應(yīng)時(shí)間等都是影響消毒副產(chǎn)物的因素。

2.3 消毒副產(chǎn)物的危害及控制

大部分已經(jīng)鑒定的DBPs都具有細(xì)胞毒性和基因毒性，控制飲用水中的消毒副產(chǎn)物（DBPs）可以從三方面入手[5]：（1）去除原水中的NOM；（2）改變消毒工藝或采用新的消毒劑，減少消毒過程中DBPs的產(chǎn)生；（3）去除飲用水中已生成的DBPs。其中，在進(jìn)行地表水處理時(shí)，可采用強(qiáng)化混凝、GAC吸附、膜過濾技術(shù)等去除NOM。

3 給水管網(wǎng)微生物穩(wěn)定性研究

大量研究表明，出廠水中存在的可生物降解的有機(jī)物是管網(wǎng)中異養(yǎng)菌再生長的主要原因，因此提出了飲用水生物穩(wěn)定性的概念。飲用水生物穩(wěn)定性是指飲用水中可生物降解有機(jī)物支持異養(yǎng)菌生長的潛力，飲用水穩(wěn)定性越高，則表明水中細(xì)菌生長所需的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)含量越低，細(xì)菌越不易在其中生長，反之亦然。

3.1 給水管網(wǎng)中的細(xì)菌再生長

盡管自來水廠通常通過投加氯消毒滅活病原菌，同時(shí)保持管網(wǎng)末端一定量的余氯來控制細(xì)菌在管網(wǎng)中的生長，但出廠水中仍殘存有細(xì)菌；部分氯消毒后的受傷細(xì)菌也會(huì)在管網(wǎng)中自我修復(fù)，重新生長；同時(shí)管網(wǎng)的交叉連接和倒虹吸等其它原因也會(huì)造成外界細(xì)菌重新進(jìn)入管道。當(dāng)管網(wǎng)水中存在可生物降解有機(jī)物時(shí)，這些殘存的細(xì)菌就能夠獲得營養(yǎng)重新生長繁殖，導(dǎo)致用戶水質(zhì)變差[6]。

3.2 給水管網(wǎng)中的管壁微生物膜

3.2.1 管壁微生物膜的形成過程

游離細(xì)菌與飲水管道內(nèi)壁表面接觸后，粘附到管道內(nèi)壁表面，粘附的細(xì)菌在管道表面形成生物膜。當(dāng)微生物滯留在水系統(tǒng)邊界上時(shí)，例如在管道內(nèi)壁和水箱內(nèi)壁或附著于惰性及活性實(shí)體的表面，它們就會(huì)進(jìn)行繁殖、分化，并分泌多糖基質(zhì)，將這些菌體群落包裹其中，使生物膜不斷加厚。

3.2.2 管壁微生物的特性

（1）生物多樣性：管壁微生物膜中包含的微生物種類繁多，包括不同種類的細(xì)菌、藻類和真菌等，形成了一個(gè)復(fù)雜的微生物群落。（2）黏附性：微生物膜具有很高的黏附性，可以牢固地附著在管渠內(nèi)壁上，這種黏附性主要由微生物表面分泌出的粘附物質(zhì)所導(dǎo)致，可以抵抗水流的沖刷作用。（3）耐受性：管壁微生物膜能夠耐受一定程度的環(huán)境變化，例如高濃度的有機(jī)物質(zhì)和重金屬等污染物，因?yàn)槲⑸锬軌蚍纸膺@些有機(jī)物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為無機(jī)物質(zhì)。（4）穩(wěn)定性：管壁微生物膜具有一定的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)可以長期保持，微生物也可以進(jìn)行正常的生理活動(dòng)。

3.2.3 管壁微生物膜的影響因素

管壁微生物膜的影響因素很多，包括水中的營養(yǎng)基質(zhì)濃度、水流速度、消毒劑的濃度、水中懸浮菌的數(shù)量、水溫等。

水溫影響微生物生長速率、消毒效果、管道腐蝕速率及和生物膜相關(guān)的其他現(xiàn)象。在貧營養(yǎng)環(huán)境中，相對(duì)于冷水來說，溫水中的細(xì)菌生長更加迅速。管壁微生物膜主要組成菌為異養(yǎng)菌，所以需要足夠生物生長的有機(jī)物，如充足的磷、氮和其他基礎(chǔ)的營養(yǎng)物質(zhì)。管網(wǎng)水屬于典型的貧營養(yǎng)環(huán)境，營養(yǎng)元素濃度的改變會(huì)對(duì)管網(wǎng)中微生物的生長產(chǎn)生較大影響。微生物之間的相互作用也是一個(gè)重要的影響因素，不同的微生物會(huì)競(jìng)爭(zhēng)有限的營養(yǎng)物質(zhì)。

此外，管網(wǎng)中的水流速度也會(huì)影響細(xì)菌生長，水流流速過快會(huì)使更多的營養(yǎng)基質(zhì)附著于管壁生物膜；水流流速過慢會(huì)使消毒劑消耗加快，促使水中余氮量減少，余氮量不足則無法有效殺滅經(jīng)消毒而受傷的細(xì)菌，給了它們更多“喘息”的機(jī)會(huì)得以自我修復(fù)并繼續(xù)生長；而當(dāng)水流突然打開或者突然停止時(shí)，又會(huì)快速?zèng)_刷管壁生物膜，使細(xì)菌快速繁殖。

綜上所述，管壁微生物膜的形成與水溫、營養(yǎng)物質(zhì)、微生物種類及其相互之間的作用，以及消毒劑、管網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)特征等都有密切關(guān)系，相關(guān)人員在考察管壁微生物膜時(shí)要綜合考慮多方面的因素。

3.3 給水管網(wǎng)生物膜反應(yīng)器研究

常用的生物膜模擬系統(tǒng)包括簡(jiǎn)單封閉式模擬系統(tǒng)和開放式模擬系統(tǒng)[7]。其中簡(jiǎn)單封閉式模擬系統(tǒng)主要模仿生物膜的基本結(jié)構(gòu)，由一個(gè)模擬磷脂分子的容器和一個(gè)或多個(gè)模擬蛋白質(zhì)分子的計(jì)算模型組成。在此模型中，磷脂分子可以隨機(jī)移動(dòng)，而蛋白質(zhì)分子則可以隨機(jī)在磷脂分子層中移動(dòng)。該系統(tǒng)主要用于研究生物膜的基本性質(zhì)。開放式模擬系統(tǒng)在簡(jiǎn)單封閉式模擬系統(tǒng)之上增加了生物膜相互作用的外部環(huán)境，包含一個(gè)或多個(gè)模擬細(xì)胞模型的磷脂分子層和蛋白質(zhì)分子以及一個(gè)模擬外部環(huán)境的計(jì)算區(qū)域。其主要用于研究生物膜與外部環(huán)境的相互作用。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的配水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬裝置通常分為兩種，分別為局部管段反應(yīng)器和環(huán)狀管網(wǎng)反應(yīng)器，二者的區(qū)別如表1所示。

表1 局部管段反應(yīng)器和環(huán)狀管網(wǎng)反應(yīng)器的區(qū)別

局部管段反應(yīng)器可以改變流速、溫度，還可以裝上其他的測(cè)試儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同指標(biāo)的測(cè)試。環(huán)狀管網(wǎng)反應(yīng)器是一種簡(jiǎn)化了試驗(yàn)規(guī)模的模擬裝置，可以設(shè)計(jì)成非循環(huán)反應(yīng)器和循環(huán)反應(yīng)器，如圖1和圖2所示。

圖1 非循環(huán)反應(yīng)器示意圖

圖2 循環(huán)反應(yīng)器示意圖

4 結(jié)語

綜上，給水管網(wǎng)中管壁微生物膜會(huì)對(duì)消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生顯著影響，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來相關(guān)人員要進(jìn)一步探索消毒劑的選擇和優(yōu)化措施，進(jìn)一步提升給水管網(wǎng)的管理和維護(hù)水平，進(jìn)而減少消毒副產(chǎn)物的生成，保障供水安全。