給水管壁生物膜中微量無(wú)機(jī)物吸附/解吸研究進(jìn)展

馮靜怡，張永吉，周玲玲

(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引言

城市給水管網(wǎng)具有覆蓋面廣、系統(tǒng)復(fù)雜、用水工況隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)而成為供水安全的薄弱環(huán)節(jié)。自從20世紀(jì)30年代美國(guó)在未加氯消毒的給水管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌再生長(zhǎng)現(xiàn)象以來(lái)，管網(wǎng)中細(xì)菌再生長(zhǎng)及其所帶來(lái)的水質(zhì)問(wèn)題日益得到了人們的關(guān)注和重視。研究表明隨著輸送距離和時(shí)間的增加在管網(wǎng)中會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)，造成的濁度、色度升高、產(chǎn)生不良?xì)馕丁⒖诟袗夯约皸l件致病菌增殖等問(wèn)題一直是研究者們力圖攻克的難題[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)管網(wǎng)水水質(zhì)合格率較出廠水下降0.88%，其中濁度平均比出廠水高0.3NTU，細(xì)菌總數(shù)增加4倍左右，而大腸桿菌合格率只有90%左右，還伴隨鐵猛含量超標(biāo)，濁度色度增加，甚至出現(xiàn)“紅水”“黑水”等水質(zhì)安全事件[2]。1968年芝加哥對(duì)供水管網(wǎng)水樣與出廠水水樣的水質(zhì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鎘、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、錳、鎳、銀、鋅等微量無(wú)機(jī)污染物的濃度在15%～67%的水樣中有所增加[3]。

美國(guó)科學(xué)家M. Edwards在2003年IWA年會(huì)報(bào)告中指出，給水管網(wǎng)中出現(xiàn)的各種水質(zhì)問(wèn)題將是21世紀(jì)世界各國(guó)供水行業(yè)的極大挑戰(zhàn)。

1 微量無(wú)機(jī)污染物的危害

飲用水中的微量無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)腸胃炎、肝炎、冠心病等疾病。其中鉛的超標(biāo)可影響人體的生殖系統(tǒng)，引起免疫系統(tǒng)疾病和心血管疾病，甚至引發(fā)癌癥，對(duì)嬰幼兒身體和神經(jīng)發(fā)育造成威脅。鋅超標(biāo)會(huì)引起鋅中毒而破壞腸胃功能，還可能導(dǎo)致貧血。體內(nèi)鋅/銅比值增大，會(huì)使體內(nèi)膽固醇代謝紊亂，產(chǎn)生高膽固醇血癥，繼而引起高血壓、冠心病等。鋅過(guò)量還會(huì)使人體抗癌能力降低，甚至刺激腫瘤生長(zhǎng)并致癌[4]。研究發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期使用的給水管網(wǎng)系統(tǒng)中存著鉛、鐵、錳、銅、鋅等16種金屬元素，大多積累在管壁生物膜中[5]，當(dāng)生物膜老化或管道系統(tǒng)水力變化造成生物膜脫落時(shí)，管網(wǎng)水質(zhì)金屬無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)嚴(yán)重[6-7]。所以，管網(wǎng)中微量無(wú)機(jī)污染物的問(wèn)題也逐漸開(kāi)始受到重視。

2 管壁生物膜吸附/解吸無(wú)機(jī)污染物過(guò)程

管壁生物膜不僅是細(xì)菌生長(zhǎng)的場(chǎng)所，還能匯集各種污染物。給水管壁生物膜是由飲用水中的貧營(yíng)養(yǎng)微生物形成，在貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，99%以上的微生物細(xì)胞都是附著在水體中的某種介質(zhì)表面形成貧營(yíng)養(yǎng)生物膜，在微生物胞外聚合物的作用下[8]可以更好地代謝難降解的有機(jī)化合物，并且可以一定程度上抵抗消毒劑的作用[9]。研究發(fā)現(xiàn)，給水管壁生物膜不僅會(huì)造成輸水能耗的增加、引起管網(wǎng)水中余氯消耗、降低管網(wǎng)的生物穩(wěn)定性等問(wèn)題，還能夠累積微量無(wú)機(jī)污染物(trace inorganic contaminants，TICs)并在一定條件下解吸釋放到管網(wǎng)水中[10]。因此，給水管壁生物膜會(huì)決定水中微量有機(jī)物污染物、無(wú)機(jī)污染物、微生物等的遷移、轉(zhuǎn)化及解吸和釋放。管網(wǎng)水中的微量無(wú)機(jī)污染物和管壁生物膜相互作用下，會(huì)逐漸地在管壁中累積，使管壁成分不斷發(fā)生改變，而在水質(zhì)、水力條件變換等擾動(dòng)下，管壁又會(huì)逐漸地釋放出污染物。

研究表明，水中污染物會(huì)在管壁生物膜上發(fā)生聚結(jié)、轉(zhuǎn)化和降解，因而污染物的傳輸、轉(zhuǎn)移和最終歸宿可能會(huì)受到生物膜作用的影響[11]。通過(guò)對(duì)比11種微量無(wú)機(jī)污染物在管壁生物膜和沉積物中發(fā)現(xiàn)，生物膜對(duì)水中微量無(wú)機(jī)物有較強(qiáng)的富集作用，生物膜對(duì)鋇的累積濃度最高，其次為鉛、鎳和鉻等。生物膜吸附鉛、鎘的研究表明，生物膜及鐵、錳氧化物對(duì)鉛、鎘的累積占主導(dǎo)地位。生物膜吸附鉛主要由生物膜上錳氧化物控制，吸附鎘主要由膜上鐵氧化物控制。溫度對(duì)生物膜累積無(wú)機(jī)物有一定影響，溫度高的夏季生物膜活性高，鐵錳的沉積量高，而冬季時(shí)候溫度低使得生物膜活性降低，鐵錳量低[12]。

3 管壁生物膜中吸附/解吸無(wú)機(jī)污染物遷移的影響因素

影響生物膜對(duì)無(wú)機(jī)污染物含量的因素很多，如生物膜生長(zhǎng)時(shí)間、微生物的種類(lèi)及其生長(zhǎng)狀態(tài)、胞外聚合物基質(zhì)對(duì)無(wú)機(jī)污染物的吸附，以及生物膜中富集的無(wú)機(jī)、有機(jī)物質(zhì)等。成熟且較厚的生物膜與污染物接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，污染物富集越多。生物膜的組成和形態(tài)影響其對(duì)無(wú)機(jī)污染物的吸附，生物膜胞外聚合物中的羰基和羥基官能團(tuán)具有非常高的無(wú)機(jī)污染物吸附能力，胞外聚合物的結(jié)合力依賴于無(wú)機(jī)污染物的特性和微生物組織的性質(zhì)，胞外聚合物組分(如蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、有機(jī)質(zhì))的變化可能影響生物膜對(duì)無(wú)機(jī)污染物的吸附。

生物膜對(duì)微量無(wú)機(jī)污染物有明顯的富集作用，對(duì)微量無(wú)機(jī)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化、生物可利用性以及最終歸宿等具有較強(qiáng)的控制作用，生物膜吸附鎘的實(shí)驗(yàn)表明，在生物膜吸附鎘的過(guò)程中，生物膜對(duì)鎘的吸附隨生物膜上鐵氧化物的含量呈規(guī)律性變化，對(duì)于相同平衡濃度鎘的吸附溶液，生物膜吸附鎘的量隨生物膜上鐵氧化物含量的增加而減少[13]。

溫度、堿度和pH都會(huì)影響銅的解吸，隨著堿度的增加和pH的降低，銅的解吸量增加，而較高的溫度也會(huì)增加銅在水中的釋放[14]。水中余氯濃度的增加也會(huì)影響無(wú)機(jī)污染物在生物膜上的累積和解吸，如只需0.2 mg/L的氯就會(huì)提高無(wú)機(jī)污染物在生物膜上的累積，隨著氯的濃度的增加，錳、鐵、銅和鉛等在生物膜中的含量進(jìn)一步增加。而水中有機(jī)物的濃度會(huì)影響鉛、錳、銅等無(wú)機(jī)物從生物膜中釋放到水中，研究表明，水中增加1 mg/L的天然有機(jī)物，生物膜中的83%～95%鉛會(huì)解吸到水中[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在給水管網(wǎng)系統(tǒng)中，生物膜中無(wú)機(jī)污染物的吸附/解析是影響飲用水水質(zhì)安全的重要因素。國(guó)內(nèi)外從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始了給水管壁生物膜及其對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)的影響研究，并圍繞生物膜生長(zhǎng)的影響因素、控制方法等方面開(kāi)展研究[16]。隨著無(wú)機(jī)污染物走進(jìn)研究生人員的視野，深入開(kāi)展生物膜中微量無(wú)機(jī)污染物的累積/解吸過(guò)程的研究，從而解析給水管網(wǎng)中微量無(wú)機(jī)污染物的歸趨，并提出相應(yīng)的控制方法，對(duì)于控制給水管網(wǎng)中的無(wú)機(jī)污染物的含量，保障給水管網(wǎng)水質(zhì)安全具有重要的理論意義。