供水系统水质生物稳定性与细菌生长相关分析

以上海市某水厂实际供水系统为研究对象,从水源、水厂净水工艺到输配水管网对城市供水水质生物稳定性与微生物生长相关性进行了系统分析.结果表明,由于水源污染和常规净水工艺局限性,水厂出水水质不能保障生物稳定性,在输配管网中,BDOC、浊度、余氯、异养菌数量存在明显的相关性.控制出厂水有机物含量,保持管网免受二次污染和强化消毒可有效减少管网中微生物繁殖生长.     

给水管网生物膜反应器及分子生物学研究方法进展

饮用水在经管道输送到用户的过程中,微生物附着到管网内壁生长形成生物膜。生物膜的存在会引起一系列水质问题如病原菌的生长、色度和浊度的变化、管道的腐蚀等,对人类饮用水安全构成威胁。而且生物膜对消毒剂有顽强的抗性,一旦形成就难以控制。所以生物膜一直是给水管网研究的热点和难点。但是给水管网中生物膜的实际采样研究比较困难,而且实际取样无法连续监测生物膜形成的动态变化过程,因此用反应器实验模拟研究生物膜显得尤为重要。另外,随着技术的进步,研究给水管网生物膜不仅仅局限于传统的培养方法,还出现了一些新手段如现代分子生物学技术和显微镜图像分析技术,以便更加科学、合理地了解给水管网生物膜,从而保障城市供水的安全。文章重点介绍几种常见的用于研究给水管网生物膜的反应器及生物膜的研究方法,并对其原理及优缺点作了简要的讨论。     

供水管网生物膜有机物的二氯乙腈与二氯乙酰胺生成特性

在饮用水输配系统中,来源于管壁生物膜的有机物可能耗氯并生成消毒副产物(DBPs),包括二氯乙腈(DCAN)与二氯乙酰胺(DCAcAm)等高毒性含氮DBPs(N-DBPs).研究考察管网常见的细菌与其胞外聚合物(EPS)以及模拟管壁生物膜氯化与氯胺化后DCAN与DCAcAm的生成,并与天然有机物(NOM)和水源水有机物进行比较.结果显示,铜绿假单胞菌、恶臭假单胞菌与藤黄微球菌与氯反应生成的DCAN、DCAcAm浓度分别为1.48～2.02、0.21～0.38μg·mg~(-1)(mg~(-1)以TOC计),高于同反应条件下NOM的生成量;相比于氯化反应,3株细菌细胞氯胺化生成的DCAN与DCAcAm浓度明显更低.3株菌的EPS也是氯与氯胺化反应生成DCAN与DCAcAm的前体物,且其氯胺化反应生成的DCAcAm浓度高于氯化反应生成的.与NOM、水源水相比,模拟管壁生物膜氯化后生成的N-DBPs与三氯甲烷(TCM)浓度比更高,表明生物膜有机物比NOM与水源水有机物更倾向生成DCAN与DCAcAm类N-DBPs,且模拟管壁生物膜氯胺化的DCAcAm生成量高于氯化反应的,说明管壁生物膜有机物是供水管网系统中DCAN与DCAcAm类N-DBPs的重要前体物.     

北京市模拟给水管网管壁微生物膜群落分析

以北京市模拟给水管网管壁微生物膜为研究对象,采用HPC(异养菌平板计数)和PCR-SSCP(单链构象多态性)方法,分析模拟给水管网管壁微生物膜异养菌数目和微生物群落结构.结果表明,在相同流速条件下,镀锌钢管的管壁微生物数量约为PVC管的5倍.在相同材质的镀锌钢管内,死水区的HPC计数量约为0.6m·s-1,是流速区的1/5.计数结果的差异可能与不同材质表面的光滑度及流速造成微生物生长所需的氧气和营养基质不同有关.而不同材质和不同流速区微生物群落的SSCP电泳图谱则显示为一样,均在相同位置出现同样条带.测序结果显示, SSCP电泳图中的3条带与蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus, GenBank登录号为AB190077)、假单胞菌(Peudomonas sp.yged143, GenBank登录号为EF419342)和未分类细菌(Bacterium UASWS0134, GenBank登录号为DQ190347)的同源性分别为100%、99%和94%.测序结果的一致性可能与取样点为同一模拟管网,距离比较接近,不同微生物容易在其中流动和转移有关.而潜在致病菌蜡状芽孢杆菌和假单胞菌的存在则提示应该更加重视饮用水的微生物安全性.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

基于影响因素分析的给水管网主体水余氯衰减模型

余氯在管网中主要发生主体水反应和管壁反应。一方面自身会不断消耗衰减,导致管网末梢处余氯值达不到要求,另一方面,氯会与水体中的某些有机物反应生成三卤甲烷等消毒副产物。以上作为氯消毒的两个主要问题,既相互矛盾又相互联系。其中余氯在主体水中的反应受到多种因素的影响,这些因素包括温度,初始余氯浓度和水体水质情况等等。论文在正交试验设计的基础上,通过对试验结果的极差和方差分析,得出结论:温度是影响余氯衰减的最主要因素,其次是水体水质情况,影响最小的是初始余氯浓度。在正交试验结果的基础上做定性分析的同时,采用编程拟合建立了改进的主体水余氯衰减模型,得到的参数组合为A=21 428 571,m=0.539,α=2.903。该改进模型不仅能很好地拟合试验结果,而且由于是基于正交试验所建立,模型的代表性和适用性都更加优越。     

紫外线-茶多酚联用对供水管网的消毒效果

针对传统消毒技术的安全风险问题,以维护供水管网水质安全为目标,引入茶多酚作为辅助消毒剂和紫外线消毒联用,模拟供水管网系统探究不同管材和水力停留时间下紫外线-茶多酚联合消毒的消毒效果,分析管壁生物膜形貌和菌落分布的变化.结果表明,75mg/L是紫外线-茶多酚联合消毒时茶多酚的较优投加量,可保持48h消毒效果.模拟管网运行过程中整体水质较好,但管材对管网消毒效果的影响较大,30d内球墨铸铁和UPVC管网中细菌量超过100CFU/mL的频率分别为80%和0%,紫外线-茶多酚联合消毒在UPVC管网中消毒持续性较强.与紫外线消毒相比,紫外线-茶多酚联合消毒对管壁生物膜的破坏效果更明显,且对生物膜中的蓝藻菌和肠道致病菌杀灭效果更强,有利于保障管网水质的安全性.     

塑料管材输配水过程中有机物释放规律研究

研究了目前给水管网中常用的3种塑料管材,未增塑聚氯乙烯(uPVC),聚乙烯(PE)和无规共聚聚丙烯(PPR)管在输配水过程中有机物的释放规律.通过静态管段实验模拟给水管网中不同输配水状态,选取总有机碳(TOC)为综合评价指标,考察了不同塑料管材中有机物随时间的迁移释放特性,并分析了管材有机物释放对管网水中余氯消耗的影响.随着管材输配水次数的增加,uPVC管释放至水中的TOC浓度和TOC释放速率分别在0.03mg/L和0.04μg/(d?cm2)以下,而PE管和PPR管在输配水过程中TOC的释放浓度和释放速率在初期最大[PE: 0.19mg/L,0.25μg/(d?cm2);PPR:0.07mg/L,0.09μg/(d?cm2)],且后期递减并趋于平稳[PE:0.03~0.08mg/L,0.05~0.10μg/(d?cm2);PPR:0.01~0.03mg/L, 0.01~0.04μg/(d?cm2)].随着水力停留时间的增加,不同管材释放的有机物浓度持续升高.不同管材有机物的释放能力排序为:PE>PPR>uPVC.各管材的有机物释放特性直接影响管网水的余氯消耗特性,且管材的有机物释放量越多,管网水的余氯消耗越快.PE管的使用易引起水体有机污染问题.本研究明确了3种常用塑料管材的有机物释放规律,将进一步为与塑料管材安全性能评价相关的国家标准的修订提供理论依据.     

管材对供水管网生物膜微生物种群多样性的影响

研究了3种管材(灰口铸铁管、镀锌管和不锈钢复合管)对管网生物膜微生物种群多样性的影响.采用R2A平板培养计数可培养细菌、荧光定量PCR计数细菌总数、流式细胞法确定活菌比例、扫描电镜观察生物膜形态,高通量测序研究管段生物膜微生物种群多样性.研究结果表明:灰口铸铁管可培养菌数和细菌总数都最高,其次是镀锌管,不锈钢复合管可培养菌数和细菌总数都最少,但活菌比例方面镀锌管活菌比例高于灰口铸铁管和不锈钢复合管.扫描电镜结果与可培养菌数及细菌总数结果一致,即灰口铸铁管细菌量最高,不同管材管壁生物膜细菌形态皆以球菌和杆菌为主,并无显著差异.微生物种群多样性结果显示:灰口铸铁管生物膜种群多样性最高,镀锌管生物膜种群多样性相对较为单一,不锈钢复合管生物膜种群多样性最低.饮用水管网生物膜种群以变形菌门为主,各管道变形菌门都高达90%以上,不同管材生物膜细菌群落组成有很大差异.本研究结果对今后饮用水供水管段材料的选取具有指导性意义.     

Modeling of residual chlorine in water distribution system

Water quality within water distribution system may vary with both location and time.Water quality models are used to predict the spatial and temporal variation of water quality throughout water system.A model of residual chlorine decay in water pipe has been developed, given the consumption of chlorine in reactions with chemicals in bulk water,bio-films on pipe wall, in corrosion process, and the mass transport of chlorine from bulk water to pipe wall.Analytical methods of the flow path from water sources to the observed point and the water age of every observed node were proposed .Model is used to predict the decay of residual chlorine in an actual distribution system.Good agreement between calculated and measured values was obtained.     

配水管网中生物稳定性和消毒副产物的变化及相关性

研究了上海市2条不同水源水厂配水管网中可同化有机碳（AOC）、三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）的变化情况,并对饮用水生物稳定性和消毒副产物间的相关性进行了分析.结果表明,管网中AOC和HAAs含量受余氯和微生物活动双重作用的影响,在距水厂较近、余氯较高的管网中,可能因氯与有机物继续反应出现上升,在余氯较低的管网末梢则因为微生物降解作用使含量下降;THMs含量则只受余氯的影响,随管网延伸持续增长.HAAs与AOC含量间存在较好的线形关系,前体物间具有相似性,THMs与AOC含量间呈正相关性;作为饮用水安全性的2个重要方面,生物稳定性和消毒副产物间具有内在的关联性.     

湘江微污染饮用水源水生物过滤去除特性研究

通过试验探讨了不同滤料介质组成的生物滤柱对湘江微污染水源的处理效果。结果表明,生物过滤具有良好的去浊性能,浊度的去除是传统吸附截留和生物吸附共同作用的结果;生物过滤可有效去除微污染水源中的有机物,NH+4-N,总铁和Mn2+,提高饮用水生物稳定性。颗粒活性炭-石英砂双层滤料组合要优于石英砂单层滤料和无烟煤-石英砂双层滤料,加氯水反冲洗不利于生物滤池的运行。      

给水管网管壁铁细菌生长特性模拟及控制对策研究

利用AR反应器对管壁铁细菌的生长特性、影响因素以及悬浮铁细菌与管壁铁细菌的相关关系进行了研究.管壁铁细菌在反应器运行12 d后达到稳定生长,出水中铁细菌数量比进水增加1 lg,剪切力对于铁细菌达到稳定生长的时间有影响,但对稳定生长后挂片上的铁细菌数量没有明显的影响.稳定余氯0.3 mg/L可以有效控制悬浮和管壁铁细菌的生长,数量降低1 lg;对于管垢内的铁细菌即使余氯增加到1.0 mg/L仍无法杀灭;余氯浓度0.05 mg/L无法有效控制悬浮和管壁附着铁细菌的生长.对于稳定生长下的管壁铁细菌,增加余氯浓度至1.25 mg/L,可使管壁铁细菌数量降低2 lg~3 lg.稳定生长状态下,悬浮铁细菌与管壁铁细菌数量具有线性关系.并在试验基础上提出给水管网铁细菌生长控制对策:维持管网余氯0.3 mg/L;定期采用较高浓度消毒剂冲洗管道;采用新型防腐管材或加快旧管网改造,提高管网抗腐蚀性能等.     

某市给水管网中铁释放现象影响因素与控制对策分析

针对某市管网水中铁浓度的变化规律进行了系统的研究,确定了管垢向管网水中释放出的铁是管网水中铁超标的主要原因.研究中发现铸铁管和镀锌钢管中管垢的主要化学组分为铁.在给水管网中,管网水的溶解氧和余氯浓度低时,对应的管网水中铁释放现象严重,其原因是还原条件使管垢表面的致密钝化层被破坏,造成二价铁的大量释放.根据试验结果提出了给水管网中铁释放和“红水”现象的控制对策.     

现代化大都市供水管网水质监测及评价——以国内某大城市为例

供水管网是影响供水水质的重要因素,特别是在拥有复杂供水管网的现代化大都市。以国内某现代化大都市供水管网为研究对象,该市拥有普通自来水供水系统和饮用净水供水系统,分别建立了水质监测系统,并根据提出的供水管网水质监测点布置原则确定了水质监测点的位置、数量及监测频率、指标;通过从2009年6月至2010年1月为期8个月的水质监测,共采集了560份水样数据,据其对该大都市的供水管网水质进行了分析评价。结果显示:供水管网对普通自来水及饮用净水水质都会产生不良影响;普通饮用水经过管网传输,细菌总数升高甚至超标,特别是在供水管网末梢及两水厂供水交界处;饮用净水的不合格项目为细菌总数和浑浊度,其在距离水厂越近的区域水质越好。     

供水管网不同管材内壁微生物分布的显微观察

采用扫描电镜、原子力显微镜以及激光共聚焦显微镜对不锈钢插片表面和供水管网末端PPR管内壁微生物的分布和生物膜结构进行了观察和分析.结果表明,在供水管网中,不锈钢材质表面不利于微生物附着生长,在短时间内(3个月)只有很少的微生物附着.在管网末端PPR管表面有明显的微生物附着生长,细菌容易附着在基底表面的凹穴中,细菌与基底是紧密黏附在一起的.扫描电镜和原子力显微镜结合是观察管壁非连续生长生物膜表面结构的有效手段.采用激光扫描共聚焦显微镜可同时实现管壁生物膜内部和三维结构观察.