凈水工藝對(duì)可生物降解有機(jī)物的去除機(jī)制與規(guī)律
摘要：飲用水中可生物降解有機(jī)物的去除和生物穩(wěn)定性的研究是近年來(lái)水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文分析了飲用水中可生物降解有機(jī)物的特性，系統(tǒng)論述了凈水工藝對(duì)可生物降解有機(jī)物的去除機(jī)制與規(guī)律，并就制備生物穩(wěn)定性飲用水的工藝進(jìn)行了探討，提出組合工藝是去除可生物降解有機(jī)物、制備生物穩(wěn)定水的有效途徑。
關(guān)鍵詞：飲用水 可生物降解有機(jī)物 凈水工藝 生物穩(wěn)定性
有機(jī)污染物造成的飲用水水質(zhì)惡化是當(dāng)前水處理界普遍關(guān)注的問題。有機(jī)物中的“三致”及“三致”前體物質(zhì)、毒性物質(zhì)，將直接或間接地威脅人體健康；而上世紀(jì)80年代中期以來(lái)，飲用水中的可生物降解有機(jī)物引起的管網(wǎng)中細(xì)菌再生長(zhǎng)，對(duì)給水管網(wǎng)和管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生危害逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。
當(dāng)出廠水中含有了一定量的有機(jī)物，細(xì)菌將附著于管網(wǎng)管壁，利用水中營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)生長(zhǎng)而形成生物膜，誘發(fā)管壁腐蝕和結(jié)垢；生物膜的老化脫落會(huì)引起用戶水質(zhì)惡化，色度和濁度上升，造成二次污染；管壁結(jié)垢和腐蝕會(huì)降低管網(wǎng)的輸水能力，二級(jí)泵站動(dòng)力消耗增加，甚至引起爆管等；而生物膜與管網(wǎng)水中病源微生物的滋生還會(huì)對(duì)飲用者的健康構(gòu)成直接的威脅 [1,2]。因此作為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的有機(jī)物存在于給水管網(wǎng)中，將給管網(wǎng)和管網(wǎng)水質(zhì)帶來(lái)嚴(yán)重影響，應(yīng)加以控制。
1 飲用水中的可生物降解有機(jī)物
1.1 飲用水中有機(jī)物的分類
飲用水中有機(jī)物種類繁多，如作為上海飲用水第二水源地的黃浦江中測(cè)出的有機(jī)物即達(dá)700種之多 [3]，這些有機(jī)物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、大小和性質(zhì)千差萬(wàn)別，要分別測(cè)定每種有機(jī)物幾乎是不可能的。目前一般以水中的總有機(jī)碳（TOC）作為總有機(jī)物含量的替代參數(shù)；以溶解態(tài)有機(jī)碳（DOC）代表水中溶解性有機(jī)物的含量；DOC中可被細(xì)菌利用的部分為生物可降解溶解性有機(jī)碳（BDOC）；而BDOC中能被細(xì)菌直接合成細(xì)胞體的部分則被稱為可同化有機(jī)碳（AOC）。BDOC和AOC與異養(yǎng)細(xì)菌在給水管道中的生長(zhǎng)密切相關(guān)，因而已成為可生物降解有機(jī)物對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)危害影響研究的重點(diǎn)和主要指標(biāo)。并且它們也是衡量水中可生物降解有機(jī)物既有聯(lián)系又有分別的兩個(gè)指標(biāo)：AOC是有機(jī)物中最易被細(xì)菌吸收，直接同化成細(xì)菌體的部分，是BDOC的一部分；BDOC是水中細(xì)菌和其他微生物新陳代謝的物質(zhì)和能量的來(lái)源，包括其同化作用和異化作用的消耗。它們的含量越低，細(xì)菌越不易生長(zhǎng)繁殖。
1.2 飲用水生物穩(wěn)定性
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)細(xì)菌生長(zhǎng)的潛力，即當(dāng)有機(jī)物成為異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因素時(shí)，水中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)支持細(xì)菌生長(zhǎng)的最大可能性。飲用水生物穩(wěn)定性高，則表明水中細(xì)菌生長(zhǎng)所需的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物含量低，細(xì)菌不易在其中生長(zhǎng)。
管網(wǎng)水為貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，其中生長(zhǎng)的細(xì)菌大多數(shù)是以有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的異養(yǎng)菌。影響細(xì)菌在給水管網(wǎng)中生長(zhǎng)的最主要因素有余氯、可生物降解有機(jī)物和溫度[4]。一般情況水溫大于15℃時(shí)異養(yǎng)菌才適宜生長(zhǎng)，但水溫很難人為控制。出廠水通過加氯消毒并保持管網(wǎng)內(nèi)一定的余氯含量是目前普遍采用的消毒方法，但研究證實(shí)加氯只能在一定程度上控制細(xì)菌生長(zhǎng)，并不能杜絕細(xì)菌生長(zhǎng)；并且加氯量增加后，消毒副產(chǎn)物的量將大大增加，降低了飲用水的安全性。而異養(yǎng)菌生長(zhǎng)必須依靠管網(wǎng)水中的可生物降解物質(zhì)，在給水管網(wǎng)貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下，一般認(rèn)為有機(jī)基質(zhì)的含量是影響其生長(zhǎng)的主要因素，因此減少水中可生物降解有機(jī)物的含量將對(duì)控制異養(yǎng)細(xì)菌地生長(zhǎng)起到?jīng)Q定性的作用。
因AOC和BDOC與管網(wǎng)水中異養(yǎng)菌生長(zhǎng)潛力有較好的相關(guān)性[5]，研究者普遍以它們作為飲用水生物穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Van Der Kooij在調(diào)查了20個(gè)水廠后認(rèn)為當(dāng)AOC<10μg乙酸碳/L時(shí)異養(yǎng)菌幾乎不能生長(zhǎng)[6]，飲用水生物穩(wěn)定性很好。Lechevallier提出AOC濃度應(yīng)限制在50μg乙酸碳/L以保證水質(zhì)生物穩(wěn)定[7]；他對(duì)北美31個(gè)水廠的調(diào)查表明，當(dāng)AOC濃度低于100μg乙酸碳/L時(shí)，給水管網(wǎng)中大腸桿菌數(shù)大為減少[8]。因此研究者們目前一般認(rèn)為：在不加氯時(shí)，AOC<10μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩(wěn)定水；在加氯時(shí)，AOC在50～100μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩(wěn)定的飲用水。Joret研究認(rèn)為BDOC<0.10 mg/L時(shí)大腸桿菌不能在水中生長(zhǎng)[9]。Volk等發(fā)現(xiàn)當(dāng)飲用水中BDOC值在20℃為0.15 mg/L，15℃為0.20mg/L時(shí)具有生物穩(wěn)定性[10]？梢姡挥型ㄟ^凈水工藝降低出廠水中AOC或BDOC的含量達(dá)到一定的限值，才能有效的控制管網(wǎng)中細(xì)菌的生長(zhǎng)。
2 可生物降解有機(jī)物在凈水工藝中的去除機(jī)制與規(guī)律
2.1 常規(guī)工藝
現(xiàn)有水廠常規(guī)工藝一般由混凝、沉淀（澄清）、過濾和加氯消毒組成，大量研究表明常規(guī)工藝對(duì)水中有機(jī)物去除能力有限，主要對(duì)大分子量的有機(jī)物（腐殖質(zhì)、膠體物質(zhì)）去除較為有效；而對(duì)水中可生物降解有機(jī)物（BDOC與AOC）的去除率一般小于30%[11]，且波動(dòng)較大，受源水水質(zhì)、水溫影響大。這是因?yàn)榛炷齽┮着c憎水性強(qiáng)的大分子有機(jī)物螯合，發(fā)生電性中和與吸附架橋作用，使其得到有效的去除；而小分子有機(jī)物親水性強(qiáng)，在水中接近于真溶液狀態(tài)存在，不易于混凝劑結(jié)合或被絮體吸附，故去除效果不佳。
此外，水源水中低腐殖質(zhì)含量和低DOC濃度，都是常規(guī)工藝對(duì)有機(jī)物去除效果差的原因[12]。Volk等人的研究發(fā)現(xiàn)[13]，低pH值下的強(qiáng)化混凝使DOC與BDOC的去除均得到了改善, DOC與BDOC含量的減少可使得消毒過程中副產(chǎn)物生成量減少；但對(duì)AOC的去除沒有影響，這可能是因?yàn)锳OC為小分子的非腐殖質(zhì)物質(zhì)組成。強(qiáng)化混凝以及強(qiáng)化過濾是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，不用增加構(gòu)筑物，改造費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用增加很少，是改善凈水處理效果的最為經(jīng)濟(jì)可行的方法。
2.2 生物處理
從AOC和BDOC的定義來(lái)看，它們代表的是細(xì)菌易利用分解的有機(jī)物，無(wú)疑生物處理是去除可生物降解有機(jī)物有效的單元處理工藝。目前給水生物處理技術(shù)主要采用生物膜的方法，其能直接降解小分子量親水性的有機(jī)物，利用胞外酶分解大分子量有機(jī)物，并對(duì)大分子有機(jī)物具有一定的生物吸附作用。經(jīng)生物處理后還能降低膠粒的Zeta電位，使膠粒更容易脫穩(wěn)。
Kooij 報(bào)道生物濾池出水可使AOC含量低于10μg乙酸碳/L[14]。Huck等報(bào)道運(yùn)行70天煤砂雙層生物濾池出水AOC能達(dá)到低于50μg乙酸碳/L的水平[15]。有報(bào)道生物前處理可使AOC去除率達(dá)45%[16]。生物處理對(duì)可降解有機(jī)物的有效去除使得飲用水生物穩(wěn)定性大大提高，減少了消毒劑的用量以及細(xì)菌的再生長(zhǎng)，因而已成為給水處理中倍受關(guān)注的工藝方法。
2.3 臭氧氧化
眾多研究證實(shí)，臭氧氧化將引起水中AOC和BDOC的增加，TOC卻會(huì)降低[17]。這是因?yàn)槌粞跹趸械拇蠓肿佑袡C(jī)物將會(huì)生成分子量減少的中間有機(jī)產(chǎn)物，這些產(chǎn)物成為異養(yǎng)菌的營(yíng)養(yǎng)物，造成AOC和BDOC值的升高。有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)臭氧預(yù)氧化后，水中分子量<3000的低分子量有機(jī)物濃度增加了，而大分子量有機(jī)物的含量減少了[18]。這證明引起AOC和BDOC的主要為水中有機(jī)物中的小分子量部分。臭氧工藝雖然使水中可生物降解有機(jī)物的濃度增加，降低了水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，但是臭氧對(duì)有機(jī)物的氧化分解強(qiáng)化了后續(xù)工藝，特別是生物處理工藝的處理能力；臭氧與生物處理聯(lián)用可有效消減有機(jī)物含量，使后續(xù)消毒需氯量減少，余氯維持較高水平，并保持較長(zhǎng)時(shí)間。
2.4 活性炭吸附
活性炭吸附也是去除水中可降解有機(jī)物的有效單元工藝。其具有發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，有機(jī)物的極性與分子大小是活性炭對(duì)有機(jī)物去除的主要影響因素。溶解度小、親水性差、極性弱、分子不大的有機(jī)物較易被活性炭吸附。研究發(fā)現(xiàn)活性炭對(duì)中小分子量有機(jī)物具有了強(qiáng)吸附能力，因而對(duì)AOC和BDOC的有著良好去除作用；钚蕴抗に嚾缗c臭氧聯(lián)用或長(zhǎng)期使用形成生物碳后，生物降解作用將會(huì)使去除效果有進(jìn)一步的提高。吳紅偉等發(fā)現(xiàn)新活性炭單元因其吸附作用對(duì)AOC的去除效果穩(wěn)定在30%左右，如和臭氧氧化聯(lián)用，去除效果能提高到50%以上[19]。
3 制備生物穩(wěn)定性飲用水最佳工藝的探討
生物穩(wěn)定性飲用水是指有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含量低，在給水管網(wǎng)中不會(huì)引起異養(yǎng)菌再生長(zhǎng)的飲用水。要制備生物穩(wěn)定性飲用水關(guān)鍵就是有效地去除飲用水中的可生物降解有機(jī)物的含量。
3.1 有機(jī)物分子量特性與凈水工藝的選擇
掌握不同分子量有機(jī)物在凈水工藝中的去除規(guī)律，有助于選擇合理工藝針對(duì)性去除可生物降解物質(zhì)，有機(jī)物分子量分布特性研究因而成為生物穩(wěn)定水制備技術(shù)研究中的重點(diǎn)。
Hem等人研究發(fā)現(xiàn)，AOC主要由分子量小于1000的有機(jī)物組成，且只占TOC的較小部分；常規(guī)水廠工藝雖然可以去除大部分的TOC，但卻不能使AOC達(dá)到生物穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[20]。羅曉鴻等對(duì)不同分子量有機(jī)物在凈水工藝中去除進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和評(píng)價(jià)，見表1[21]。
表1 各單元工藝對(duì)不同分子量有機(jī)物的去除能力
有機(jī)物分子量區(qū)間 混凝沉淀 生物處理 活性炭吸附
10,000～100,000 有效去除 增加 部分去除
3,000～10,000 有效去除 部分減少 增加
1,000～3,000 部分去除 部分去除 有效去除
500～1,000 增加 部分去除 有效去除
＜500 基本無(wú)效 有效去除 部分去除
由表1可見,不同凈水單元工藝對(duì)有機(jī)物的去除，在分子量區(qū)間分布上表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：常規(guī)工藝對(duì)大分子量的有機(jī)物具有較好的除去效果，而對(duì)中小分子量有機(jī)物去除效果差；活性炭吸附較難去除大分子有機(jī)物，但可有效去除中小分子量有機(jī)物；而生物處理則是去除小分子量有機(jī)物最為有效的手段。各單元工藝都不具有對(duì)有機(jī)物廣譜的去除效果，只有根據(jù)水源水有機(jī)物分子量分布的特點(diǎn)，有針對(duì)性地選擇適宜的處理工藝，才能獲得滿意的處理效果。此外，各單元工藝間具有明顯的互補(bǔ)性，也為有機(jī)物的整體去除創(chuàng)造了條件。
3.2 單元凈水工藝的組合及其優(yōu)越性
當(dāng)前，水源普遍受到污染、源水水質(zhì)較差，靠單一工藝并不具有全面去除可降解有機(jī)物、獲取生物穩(wěn)定水的能力，而每種單元工藝都有其對(duì)有機(jī)物去除的特點(diǎn)，采用常規(guī)處理、生物處理、活性炭吸附相結(jié)合的組合工藝，充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢(shì)與工藝間的協(xié)同作用將是獲得生物穩(wěn)定性飲用水的有效途徑。組合工藝具有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）有機(jī)物分子量特性研究證實(shí)，各單元工藝對(duì)不同分子量范圍的有機(jī)物去除具有互補(bǔ)關(guān)系。常規(guī)工藝對(duì)大分子有機(jī)物和膠體物質(zhì)，活性炭對(duì)中小憎水性有機(jī)物，生物處理對(duì)小分子親水性物質(zhì)均有較好的去除效果，合理組合各單元工藝，充分發(fā)揮其處理效能，全面消減有機(jī)物含量，是獲取生物穩(wěn)定水的根本途徑。
（2）各單元工藝間具有的相互促進(jìn)作用，使組合工藝的整體處理效率大為提高。臭氧工藝對(duì)大分子有機(jī)物的氧化分解，使水質(zhì)可生物降解性提高，生物處理更易進(jìn)行；常規(guī)工藝對(duì)大分子和膠體物質(zhì)的去除，減小了后續(xù)工藝負(fù)荷，增加了中小有機(jī)物在生物處理和活性炭吸附中的去除幾率；若生物工藝設(shè)在常規(guī)工藝之前，其出水膠粒的Zeta電位低、更易脫穩(wěn)，混凝劑投加量小，混凝效果好。各工藝在去除污染物的同時(shí)，也使污染物質(zhì)的性狀發(fā)生改變，有利于后續(xù)工藝去除效能的提高。
（3）組合工藝對(duì)有機(jī)物總量的有效去除，減少了加氯消毒過程引起的出廠水AOC和BDOC的增加與消毒劑的投加量，余氯保持時(shí)間長(zhǎng)，生物穩(wěn)定性好。
各單元工藝在組合工藝中的位置與順序，則應(yīng)根據(jù)具體水源水，在分析其有機(jī)物濃度、有機(jī)物分子量分布特性的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的角度確定和選擇生物穩(wěn)定水制備的工藝。對(duì)于水質(zhì)好的水源水，采用常規(guī)處理結(jié)合活性炭吸附深度處理的工藝，即可取得較好的效果。對(duì)于微污染水源水，則應(yīng)采用常規(guī)處理、生物處理、活性炭吸附的相結(jié)合的工藝；钚蕴课揭蚱涮幚砟芰(qiáng)、無(wú)不良作用，一般作為處理工藝的最后一級(jí)，對(duì)整體水質(zhì)起控制作用。有機(jī)物含量和分子大小則直接影響到生物處理在工藝中位置：若小分子有機(jī)物含量高，可將生物處理置于常規(guī)處理之前；若大分子有機(jī)物和膠體物質(zhì)含量高，則應(yīng)將生物處理置于常規(guī)處理之后；生物處理中還可能出現(xiàn)微生物流失與生物膜脫落，對(duì)飲用水微生物安全性產(chǎn)生影響，因而一般不適宜用作最終級(jí)的處理工藝，并應(yīng)在其后應(yīng)加過濾工藝。對(duì)于有機(jī)物含量較高的水源水還可在生物處理前配以臭氧氧化，以強(qiáng)化生物處理對(duì)有機(jī)物的去除作用。
3.3 消毒方式對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響
研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的出廠水經(jīng)加氯消毒后，都會(huì)引起AOC與BDOC一定程度增加，生物穩(wěn)定性下降，對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)，特別是消毒劑含量較低時(shí)產(chǎn)生不利的影響。常用消毒劑中，氯胺在控制生物膜生長(zhǎng)方面比自由氯更為有效，這是因?yàn)樽杂陕确磻?yīng)速度快，尚未進(jìn)入生物膜內(nèi)部已反應(yīng)消耗殆盡；而氯胺較氯穩(wěn)定持久，對(duì)生物膜具有更強(qiáng)的附著和穿透能力，可深入生物膜使微生物失活。此外，采用氯胺后還可使消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量大為減少。但氯胺消毒會(huì)使嗅味變壞，大大影響了飲用水水質(zhì)和口感，對(duì)有機(jī)物含量已極少的生物穩(wěn)定（優(yōu)質(zhì)）飲用水采用氯胺消毒，顯然是不適宜和不需要的。
4 結(jié)語(yǔ)
全面提高飲用水水質(zhì)和水處理技術(shù)是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提升人民生活質(zhì)量的迫切需要，飲用水中可生物降解有機(jī)物的控制和生物穩(wěn)定水的制備技術(shù)因而成為國(guó)際上廣受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。但其研究在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，因此全面深入地開展凈水工藝對(duì)可生物降解有機(jī)物去除機(jī)制與規(guī)律，生物穩(wěn)定水制備技術(shù)的研究具有著重要的理論意義和應(yīng)用前景。
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