目前, 常规处理工艺为我国常用水处理工艺, 其主要目的是去除1nm～10μm的胶体粒子、细菌和大肠杆菌, 但对水中有机物尤其是小分子质量有机物的去除效果不佳。而这些未被去除的小分子质量有机物及微生物和无机盐等在管网输送过程中发生一系列物理、化学和生物反应, 从而导致供水管网水质下降。研究发现, 即使在水厂出水中消毒剂含量达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 的要求, 城市供水系统中仍存在异养菌增多的现象^[1], 甚至有一些条件致病菌在用水终端被检出^[2], 这些细菌的存在及生长影响供水水质安全, 增加了水质的生物安全隐患。

饮用水中异养菌数量通常采用异养菌菌落总数 (HPC) 来表征^[3,4,5], 其与水质生物稳定性指标可同化有机碳 (AOC) 之间的相关关系被国内外学者广泛研究^[6,7,8]。Escobar等^[9]试验表明, HPC和AOC之间存在较为明显的正相关特性。Carter等^[5]认为, AOC与HPC无显著相关性。DiGiano^[9]认为HPC和AOC之间可能存在负相关关系。此外, 部分研究考虑到水中消毒剂 (如余氯) 含量与AOC对HPC的共同影响^[10,11,12]。Lechevallier等^[10]研究表明, 在水中存在氯的条件下, 当AOC含量在50～100μg乙酸碳/L时, 大肠杆菌的生长能够得到抑制。Kooij等^[11]研究表明, 当AOC<20μg乙酸碳/L时, 即使水中未有余氯存在, 异养细菌生长依然会受到限制。Zhang等^[12]研究显示, 当余氯<0.15mg/L时, AOC与HPC呈正相关, 当余氯>0.15 mg/L时, 则相关性不显著, 而当余氯>2mg/L时, 即使AOC较高, 余氯也能够有效抑制细菌活性。不同研究人员的研究结果各异, 表明营养物质对细菌生长的促进作用与消毒剂对细菌生长的抑制作用之间的相互作用关系需要综合考虑。

在消毒过程中, 氯和氯氨对细菌灭活的机理不同^[13], 且氯氨灭杀病原微生物时会释放胞内有机物, 从而增加水中AOC含量^[14]。尽管目前许多研究者对氯消毒条件下余氯与AOC和HPC进行相关性分析, 但对氯氨消毒条件下供水系统全流程水质生物特性与化学特性相关性的研究较少。因此, 本研究以南方某地区原水-净水厂-供水管网不同采样点水质为研究对象, 探讨氯氨消毒条件下水中水质生物特性 (AOC、HPC) 与化学特性相关特性。

采用hammes方法^[15]对试验器皿进行无碳化预处理;采用先后接种法^[16]检测AOC。检测仪器见表1所示。

在原水、净水厂及其供水管网 (依据供水距离、管道材料、流速等) 设置18个采样点, 详见图1所示。

试验期间, 各采样点平均常规水质指标变化如图2所示。

由图2a、图2b可知, 浊度和颗粒物经过水厂工艺处理后, 均获得较为显著的降低。表2为试验期间水厂各采样点出水部分常规水质指标及去除率, 由表2可知水厂工艺对浊度平均去除率为98%。其中, 澄清池对浊度的去除率均高于滤池;此外, 3个车间对进厂水中颗粒物的去除率亦达到98%, 各工艺对颗粒物的去除率与浊度较为接近, 结合图2浊度及颗粒物变化趋势, 可知水厂工艺对于浊度及水中颗粒物整体有较好的去除效果, 且浊度与水中颗粒数存在显著相关关联特性。

同时, 由表2可知, 水厂工艺对TOC平均去除率约为48%, 表明其对TOC亦有一定的去除效果。其中澄清池对TOC的去除率均高于滤池;与TOC相似, 水厂工艺对UV₂₅₄平均去除率33%, 且澄清池对UV₂₅₄的去除率均高于滤池。表明水处理工艺对原水中大分子有机物有一定的去除效果, 其中各车间的澄清池对水中TOC及UV₂₅₄所代表的有机物有较好的去除效果, 但之后的过滤工艺对其去除效果较差, 且TOC及UV₂₅₄变化较为一致。其原因可能为在混凝、絮凝阶段, 形成大量矾花, 这些矾花与澄清池中的颗粒物、胶体等将水中部分有机物裹挟其中, 而后通过澄清去除。对于管网采样点, 各取样点TOC平均值为 (1.71±0.13) mg/L, UV₂₅₄平均值为 (0.041±0.001) cm^-1, 表明管网水中大分子有机物及含有C=C双键和C=O双键的芳香族化合物含量较低, 水质较好。

消毒剂浓度对饮用水中的细菌生长和生物稳定性影响显著, 供水管网中存在一定含量余氯, 余氯会导致水中AOC含量升高、抑制细菌生长繁殖等^[13], 且对水中微生物群落结构有较强的影响作用^[17], 是导致微生物群落变化的重要因素之一^[18]。本次试验中, 水厂使用的消毒剂为氯氨, 根据测定, 起主要作用的一氯胺含量约占总氯的80.21%～90.34%。试验期间水厂出水 (取样点5、8、12) 总氯含量分别为1.02mg/L、1.06mg/L、1.08mg/L, 管网各采样点全年总氯平均含量为0.57mg/L, 最大值出现在DN3 (7月) , 总氯含量为1.48 mg/L, 均满足《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) , 详见图3。

试验期间水厂各单元微生物指标及去除率见表3。可以看出, 经过净水工艺处理, 出厂水HPC均小于500CFU/mL。出厂水 (采样点5、8、12) 的HPC平均值为1CFU/mL、14CFU/mL、5CFU/mL, 结合图4各采样点HPC平均值及变化趋势, 可以看出, 加氯胺消毒后HPC去除率均在95%以上, 3个车间的净水工艺对HPC去除效果明显。

试验期间管网点水样HPC的随采样时间的变化及超标率如图5所示。可以看出, DN6、DN4和DN5采样点HPC含量较高, 这与管网水力条件、营养物质含量、消毒剂余量等因素有关, 对这些采样点应着重关注, 在夏季应通过增加余氯量进行控制。

水源水 (取样点1) 从水源地进入水厂 (取样点2) 的过程中, 水中AOC平均含量由在289μg乙酸碳/L上升至348μg乙酸碳/L, 平均增幅为20%。这可能是因为原水输送管道管壁锈蚀、管壁生物膜脱落等问题致使水中有机物含量增加。此外, 原水的预加氯氧化过程亦会将大分子有机物分解为利于细菌同化的小分子有机物, 从而导致AOC含量增加。而澄清池、滤池均会去除水中部分AOC, 出厂水加氯胺消毒不会导致水中生物稳定性的明显变化。各处理单元出水AOC含量见表3。中、西澄清池对AOC的去除率均高于50%, 中、西滤池对AOC的去除率均高于70%, 去除效果均高于东车间澄清池和滤池。图6为试验期间各单元出水AOC箱型图, 可以看出中车间出厂水AOC相较于滤池出水有上升的现象, 可能是因为加氯胺消毒时, 氯胺将滤池出水中一部分大分子有机物氧化为微生物易于利用的小分子有机物, 因此氯胺消毒可能会导致AOC含量的升高。

众多研究者认为, 水中存在余氯时, AOC含量低于100μg乙酸碳/L, 饮用水具有较好的生物稳定性^[5,13]。在试验期间, 管网各采样点AOC相较于出厂水均有所上升, 且AOC含量较高时多集中在春季和秋季。这可能与原水中AOC的含量、出厂水中残留AOC含量及管网中微生物的活性随季节变化有关。夏季温度高, 微生物活性较强, 利用的AOC较多, 水中残存的AOC含量较低。研究表明, 管网中水中有机物会与消毒剂进一步发生反应, 同时水力条件、管壁结垢及生物膜的脱落会增加管网中的营养物质。DN4点AOC值最高, 可能是因为该点距离水厂较远, 输水距离较长, 管壁结垢和生物膜脱落导致水中营养物质含量较高。试验期间不同时间各管网采样点水样AOC变化详见图7。

AOC、HPC 2种指标均能一定程度上反映管网水微生物的稳定性, 因此, 将研究所得3种评价微生物稳定性指标进行对比。

由表4可见, HPC及AOC均与浊度、TOC相关性显著。浊度与HPC、AOC指标均存在正相关, 因此控制水厂出水浊度是提高水质生物稳定性的重要途径。与HPC显著相关的水质指标表明, HPC受到水中有机物的影响, TOC高时, HPC含量相对较高。此外, HPC与AOC相关性并不显著, 表明HPC并非仅受AOC含量影响, 应结合其他指标综合考虑。

图8反映在氯氨消毒条件下, 管网采样点中不同余氯浓度时, HPC与AOC含量分布的变化特性。可知在氯氨消毒条件下, 当总氯≥0.43mg/L时, 水中AOC平均含量为61.35μg乙酸碳/L, HPC平均含量为201CFU/mL, HPC与AOC含量相关性不显著 (R=0.18, P>0.05, n=91) , 表明氯氨为细菌生长的限制条件, 可能是因为氯氨对细菌的灭活率等于或超过细菌的生长速率;而当余氯低于0.43mg/L时, 水中AOC平均含量为185.64μg乙酸碳/L, HPC平均含量为4 964CFU/mL, HPC与AOC含量呈显著性正相关 (R=0.27, P<0.05, n=97) , 表明为当氯氨浓度较低而水中的营养物质较多时, 菌落总数较高, 生物稳定性较差, 细菌生长受氯氨浓度及AOC含量的共同影响。在此情况下, 根据统计分析, AOC含量低于93μg乙酸碳/L时, 90.7%的水样HPC低于500CFU/mL, 而AOC低于50μg乙酸碳/L, 99%的水样HPC低于500CFU/mL。

因此, 保证管网点余氯浓度高于0.43mg/L可以较好地限制细菌生长。可将管网水AOC含量与余氯、浊度等水质指标结合起来进行监测, 若出现超标, 需及时反馈给净水厂与管网维护部门进行技术改进, 保证管网水质安全。

通过对南方某市城镇水厂及其供水片区18个取样点生物稳定性指标和常规水质检测指标分析, 对其水质的化学安全性和生物安全性研究结果如下:

(1) 管网末梢点DN4存在总氯低于标准值现象, 而在总氯中起主要作用的一氯胺含量各管网采样点占总氯含量为80.21%～90.34%, 因此, 对水厂出水时氯的投加量及配比应予以关注。

(2) 对常规水质指标研究表明, 净水厂出厂水UV₂₅₄均值0.033cm^-1, 管网为0.041cm^-1, 说明水处理工艺对原水中大分子有机物有一定的去除效果;管网水TOC平均含量低于出厂水, 表明管网中的微生物消耗了水中的部分有机物。

(3) 预氯化工艺会导致水中AOC含量的上升, 而澄清池、滤池均会导致水中AOC含量的下降。出厂水加氯胺消毒不会导致水中生物稳定性的明显变化。管网采样点AOC大于100μg乙酸碳/L多集中在春季和秋季, 对此需增加深度处理工艺对水厂出水进行更为深入的去除;如何控制好管网水中AOC含量是抑制管网细菌再生的重要环节。

(4) 当余氯高于0.43 mg/L时, 异养菌菌落总数与AOC含量相关性不显著 (R=0.18, P>0.05, n=91) , ;当余氯低于0.43mg/L时, 异养菌菌落总数与AOC含量呈正相关 (R=0.27, P<0.05, n=97) 。当余氯低于0.43 mg/L时, 水中异养菌菌落总数平均含量为4 964CFU/mL, 而余氯高于0.43mg/L时, 水中异养菌菌落总数平均含量为201CFU/mL, 在这两个情况下对应的AOC平均含量分别为185.64μg乙酸碳/L和61.35μg乙酸碳/L。由此可见, 控制余氯高于0.43mg/L可以较好地限制细菌生长。对于余氯低于0.43 mg/L的情况, 根据统计分析, AOC低于93乙酸碳μg/L时, 90.7%的水样HPC可低于500CFU/mL, 而AOC低于50μg乙酸碳/L, 99%的水样HPC可低于500CFU/mL。