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更新時間: 2013-08-02

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有機污染物造成的飲用水水質惡化是當前水處理界普遍關注的問題。有機物中的「三致」及「三致」前體物質、毒性物質,將直接或間接地威脅人體健康;而上世紀80年代中期以來,飲用水中的可生物降解有機物引起的管網中細菌再生長,對給水管網和管網水質產生危害逐漸成為新的研究熱點。
當出廠水中含有了一定量的有機物,細菌將附著於管網管壁,利用水中營養基質生長而形成生物膜,誘發管壁腐蝕和結垢;生物膜的老化脫落會引起用戶水質惡化,色度和濁度上升,造成二次污染;管壁結垢和腐蝕會降低管網的輸水能力,二級泵站動力消耗增加,甚至引起爆管等;而生物膜與管網水中病源微生物的滋生還會對飲用者的健康構成直接的威脅[1-2]。因此作為營養基質的有機物存在於給水管網中,將給管網和管網水質帶來嚴重影響,應加以控制。

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3飲用水中的可生物降解有機物

飲用水生物穩定性

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。飲用水生物穩定性高,則表明水中細菌生長所需的有機營養物含量低,細菌不易在其中生長。
管網水為貧營養環境,其中生長的細菌大多數是以有機物為營養基質的異養菌。影響細菌在給水管網中生長的最主要因素有餘氯、可生物降解有機物和溫度[4]。一般情況水溫大於15℃時異養菌才適宜生長,但水溫很難人為控制。出廠水通過加氯消毒並保持管網內一定的余氯含量是目前普遍採用的消毒方法,但研究證實加氯只能在一定程度上控制細菌生長,並不能杜絕細菌生長;並且加氯量增加后,消毒副產物的量將大大增加,降低了飲用水的安全性。而異養菌生長必須依*管網水中的可生物降解物質,在給水管網貧營養環境下,一般認為有機基質的含量是影響其生長的主要因素,因此減少水中可生物降解有機物的含量將對控制異養細菌地生長起到決定性的作用。
因AOC和BDOC與管網水中異養菌生長潛力有較好的相關性,研究者普遍以它們作為飲用水生物穩定性的評價指標。Van Der Kooij在調查了20個水廠后認為當AOC<10μg乙酸碳/L時異養菌幾乎不能生長,飲用水生物穩定性很好。Lechevallier提出AOC濃度應限制在50μg乙酸碳/L以保證水質生物穩定;他對北美31個水廠的調查表明,當AOC濃度低於100μg乙酸碳/L時,給水管網中大腸桿菌數大為減少。因此研究者們目前一般認為:在不加氯時,AOC<10μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩定水;在加氯時,AOC在50~100μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩定的飲用水。Joret研究認為BDOC<0.10 mg/L時大腸桿菌不能在水中生長。Volk等發現當飲用水中BDOC值在20℃為0.15 mg/L,15℃為0.20mg/L時具有生物穩定性。可見,只有通過凈水工藝降低出廠水中AOC或BDOC的含量達到一定的限值,才能有效的控制管網中細菌的生長。

4可生物降解有機物去除機制與規律

生物處理

從AOC和BDOC的定義來看,它們代表的是細菌易利用分解的有機物,無疑生物處理是去除可生物降解有機物有效的單元處理工藝。目前給水生物處理技術主要採用生物膜的方法,其能直接降解小分子量親水性的有機物,利用胞外酶分解大分子量有機物,並對大分子有機物具有一定的生物吸附作用。經生物處理后還能降低膠粒的Zeta電位,使膠粒更容易脫穩。
Kooij 報道生物濾池出水可使AOC含量低於10μg乙酸碳/L。Huck等報道運行70天煤砂雙層生物濾池出水AOC能達到低於50μg乙酸碳/L的水平。有報道生物前處理可使AOC去除率達45%。生物處理對可降解有機物的有效去除使得飲用水生物穩定性大大提高,減少了消毒劑的用量以及細菌的再生長,因而已成為給水處理中倍受關注的工藝方法。

活性炭吸附

活性炭吸附也是去除水中可降解有機物的有效單元工藝。其具有發達的細孔結構和巨大的比表面積,有機物的極性與分子大小是活性炭對有機物去除的主要影響因素。溶解度小、親水性差、極性弱、分子不大的有機物較易被活性炭吸附。研究發現活性炭對中小分子量有機物具有了強吸附能力,因而對AOC和BDOC的有著良好去除作用。活性炭工藝如與臭氧聯用或長期使用形成生物碳后,生物降解作用將會使去除效果有進一步的提高。吳紅偉等發現新活性炭單元因其吸附作用對AOC的去除效果穩定在30%左右,如和臭氧氧化聯用,去除效果能提高到50%以上。

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5製備生物穩定性飲用水最佳工藝的探討

生物穩定性飲用水是指有機營養基質含量低,在給水管網中不會引起異養菌再生長的飲用水。要製備生物穩定性飲用水關鍵就是有效地去除飲用水中的可生物降解有機物的含量。

單元凈水工藝的組合及其優越性

當前,水源普遍受到污染、源水水質較差,*單一工藝並不具有全面去除可降解有機物、獲取生物穩定水的能力,而每種單元工藝都有其對有機物去除的特點,採用常規處理、生物處理、活性炭吸附相結合的組合工藝,充分發揮各工藝的優勢與工藝間的協同作用將是獲得生物穩定性飲用水的有效途徑。組合工藝具有以下優勢:
(1)有機物分子量特性研究證實,各單元工藝對不同分子量範圍的有機物去除具有互補關係。常規工藝對大分子有機物和膠體物質,活性炭對中小憎水性有機物,生物處理對小分子親水性物質均有較好的去除效果,合理組合各單元工藝,充分發揮其處理效能,全面消減有機物含量,是獲取生物穩定水的根本途徑。
(2)各單元工藝間具有的相互促進作用,使組合工藝的整體處理效率大為提高。臭氧工藝對大分子有機物的氧化分解,使水質可生物降解性提高,生物處理更易進行;常規工藝對大分子和膠體物質的去除,減小了後續工藝負荷,增加了中小有機物在生物處理和活性炭吸附中的去除幾率;若生物工藝設在常規工藝之前,其出水膠粒的Zeta電位低、更易脫穩,混凝劑投加量小,混凝效果好。各工藝在去除污染物的同時,也使污染物質的性狀發生改變,有利於後續工藝去除效能的提高。
(3)組合工藝對有機物總量的有效去除,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,余氯保持時間長,生物穩定性好。
各單元工藝在組合工藝中的位置與順序,則應根據具體水源水,在分析其有機物濃度、有機物分子量分佈特性的基礎上,從系統的角度確定和選擇生物穩定水製備的工藝。對於水質好的水源水,採用常規處理結合活性炭吸附深度處理的工藝,即可取得較好的效果。對於微污染水源水,則應採用常規處理、生物處理、活性炭吸附的相結合的工藝。活性炭吸附因其處理能力強、無不良作用,一般作為處理工藝的最後一級,對整體水質起控制作用。有機物含量和分子大小則直接影響到生物處理在工藝中位置:若小分子有機物含量高,可將生物處理置於常規處理之前;若大分子有機物和膠體物質含量高,則應將生物處理置於常規處理之後;生物處理中還可能出現微生物流失與生物膜脫落,對飲用水微生物安全性產生影響,因而一般不適宜用作最終級的處理工藝,並應在其後應加過濾工藝。對於有機物含量較高的水源水還可在生物處理前配以臭氧氧化,以強化生物處理對有機物的去除作用。

消毒方式對飲用水生物穩定性的影響

研究發現幾乎所有的出廠水經加氯消毒后,都會引起AOC與BDOC一定程度增加,生物穩定性下降,對管網水質,特別是消毒劑含量較低時產生不利的影響。常用消毒劑中,氯胺在控制生物膜生長方面比自由氯更為有效,這是因為自由氯反應速度快,尚未進入生物膜內部已反應消耗殆盡;而氯胺較氯穩定持久,對生物膜具有更強的附著和穿透能力,可深入生物膜使微生物失活。此外,採用氯胺后還可使消毒副產物的產生量大為減少。但氯胺消毒會使嗅味變壞,大大影響了飲用水水質和口感,對有機物含量已極少的生物穩定(優質)飲用水採用氯胺消毒,顯然是不適宜和不需要的。
全面提高飲用水水質和水處理技術是促進經濟發展和提升人民生活質量的迫切需要,飲用水中可生物降解有機物的控制和生物穩定水的製備技術因而成為國際上廣受關注的研究熱點。但其研究在國內尚處於起步階段,因此全面深入地開展凈水工藝對可生物降解有機物去除機制與規律,生物穩定水製備技術的研究具有著重要的理論意義和應用前景。

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