給水管壁生物膜中微量無機物吸附/解吸研究進展

馮靜怡，張永吉，周玲玲

(同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

0 引言

城市給水管網具有覆蓋面廣、系統復雜、用水工況隨機性強等特點而成為供水安全的薄弱環節。自從20世紀30年代美國在未加氯消毒的給水管網中發現細菌再生長現象以來，管網中細菌再生長及其所帶來的水質問題日益得到了人們的關注和重視。研究表明隨著輸送距離和時間的增加在管網中會發生一系列的物理、化學及生物反應，造成的濁度、色度升高、產生不良氣味、口感惡化以及條件致病菌增殖等問題一直是研究者們力圖攻克的難題[1]。

據統計，中國管網水水質合格率較出廠水下降0.88%，其中濁度平均比出廠水高0.3NTU，細菌總數增加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，濁度色度增加，甚至出現“紅水”“黑水”等水質安全事件[2]。1968年芝加哥對供水管網水樣與出廠水水樣的水質對比發現，鎘、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、錳、鎳、銀、鋅等微量無機污染物的濃度在15%～67%的水樣中有所增加[3]。

美國科學家M. Edwards在2003年IWA年會報告中指出，給水管網中出現的各種水質問題將是21世紀世界各國供水行業的極大挑戰。

1 微量無機污染物的危害

飲用水中的微量無機污染物超標會對人體健康造成嚴重危害，會導致人體出現腸胃炎、肝炎、冠心病等疾病。其中鉛的超標可影響人體的生殖系統，引起免疫系統疾病和心血管疾病，甚至引發癌癥，對嬰幼兒身體和神經發育造成威脅。鋅超標會引起鋅中毒而破壞腸胃功能，還可能導致貧血。體內鋅/銅比值增大，會使體內膽固醇代謝紊亂，產生高膽固醇血癥，繼而引起高血壓、冠心病等。鋅過量還會使人體抗癌能力降低，甚至刺激腫瘤生長并致癌[4]。研究發現在長期使用的給水管網系統中存著鉛、鐵、錳、銅、鋅等16種金屬元素，大多積累在管壁生物膜中[5]，當生物膜老化或管道系統水力變化造成生物膜脫落時，管網水質金屬無機污染物超標嚴重[6-7]。所以，管網中微量無機污染物的問題也逐漸開始受到重視。

2 管壁生物膜吸附/解吸無機污染物過程

管壁生物膜不僅是細菌生長的場所，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養微生物形成，在貧營養環境中，99%以上的微生物細胞都是附著在水體中的某種介質表面形成貧營養生物膜，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化合物，并且可以一定程度上抵抗消毒劑的作用[9]。研究發現，給水管壁生物膜不僅會造成輸水能耗的增加、引起管網水中余氯消耗、降低管網的生物穩定性等問題，還能夠累積微量無機污染物(trace inorganic contaminants，TICs)并在一定條件下解吸釋放到管網水中[10]。因此，給水管壁生物膜會決定水中微量有機物污染物、無機污染物、微生物等的遷移、轉化及解吸和釋放。管網水中的微量無機污染物和管壁生物膜相互作用下，會逐漸地在管壁中累積，使管壁成分不斷發生改變，而在水質、水力條件變換等擾動下，管壁又會逐漸地釋放出污染物。

研究表明，水中污染物會在管壁生物膜上發生聚結、轉化和降解，因而污染物的傳輸、轉移和最終歸宿可能會受到生物膜作用的影響[11]。通過對比11種微量無機污染物在管壁生物膜和沉積物中發現，生物膜對水中微量無機物有較強的富集作用，生物膜對鋇的累積濃度最高，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、錳氧化物對鉛、鎘的累積占主導地位。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。溫度對生物膜累積無機物有一定影響，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/解吸無機污染物遷移的影響因素

影響生物膜對無機污染物含量的因素很多，如生物膜生長時間、微生物的種類及其生長狀態、胞外聚合物基質對無機污染物的吸附，以及生物膜中富集的無機、有機物質等。成熟且較厚的生物膜與污染物接觸的時間越長，污染物富集越多。生物膜的組成和形態影響其對無機污染物的吸附，生物膜胞外聚合物中的羰基和羥基官能團具有非常高的無機污染物吸附能力，胞外聚合物的結合力依賴于無機污染物的特性和微生物組織的性質，胞外聚合物組分(如蛋白質、糖類、有機質)的變化可能影響生物膜對無機污染物的吸附。

生物膜對微量無機污染物有明顯的富集作用，對微量無機污染物的遷移、轉化、生物可利用性以及最終歸宿等具有較強的控制作用，生物膜吸附鎘的實驗表明，在生物膜吸附鎘的過程中，生物膜對鎘的吸附隨生物膜上鐵氧化物的含量呈規律性變化，對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，而較高的溫度也會增加銅在水中的釋放[14]。水中余氯濃度的增加也會影響無機污染物在生物膜上的累積和解吸，如只需0.2 mg/L的氯就會提高無機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一步增加。而水中有機物的濃度會影響鉛、錳、銅等無機物從生物膜中釋放到水中，研究表明，水中增加1 mg/L的天然有機物，生物膜中的83%～95%鉛會解吸到水中[15]。

4 結語

綜上所述，在給水管網系統中，生物膜中無機污染物的吸附/解析是影響飲用水水質安全的重要因素。國內外從20世紀80年代就開始了給水管壁生物膜及其對管網水質的影響研究，并圍繞生物膜生長的影響因素、控制方法等方面開展研究[16]。隨著無機污染物走進研究生人員的視野，深入開展生物膜中微量無機污染物的累積/解吸過程的研究，從而解析給水管網中微量無機污染物的歸趨，并提出相應的控制方法，對于控制給水管網中的無機污染物的含量，保障給水管網水質安全具有重要的理論意義。