給水管網中管壁微生物膜對消毒副產物生成的影響

文澤偉，曹 宇，王業騰

（1.佛山市南海區藍灣水環境投資建設有限公司，廣東 佛山 528200；2.中建生態環境集團有限公司，廣東 佛山 528200）

引言

隨著生活水平的日益提高，人們對飲用水的安全問題也越來越關注和重視。我國1959年誕生的第一個飲用水水質標準涵蓋了16項水質指標，經過多次修改，2006年12月頒布的《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）[1]中，將水質指標增加到106項，可見我國對飲用水安全的重視程度。其中，飲用水中的消毒副產物一直是備受關注的重點之一，新標準增加了對凈化水質時產生的二氯乙酸等鹵代有機物質的檢測。

目前大多數自來水廠出廠水均符合飲用水衛生標準，但出廠水在管網輸送和水池（箱）儲蓄過程中，管網與其輸送的水體構成一個龐大復雜的“反應器”，其中會發生一系列物化、生化反應，導致細菌滋生，水質變差[2]。已有研究報道細胞類物質能與氯反應產生副產物，但是對于給水管網管壁滋生的微生物膜與消毒劑反應生成消毒副產物的研究卻比較少見。

1 飲用水消毒技術

飲用水消毒技術是保障公眾健康的重要措施，其目的是殺滅水中的細菌、病毒及其他有害微生物，以確保飲用水的安全性。常見的飲用水消毒技術包括氯化消毒、氯胺消毒等[1]。

1.1 氯化消毒

氯化消毒是利用氯或次氯酸鹽在水中反應產生次氯酸（HOCI）來完成消毒的方式。氯化消毒具有很多優點：（1）氯殺菌能力強；（2）余氯仍具有持續消毒能力[3]；（3）工藝成熟簡單，成本較低，材料來源方便。

同時，氯化消毒也有其缺點：（1）大量使用也帶來了環境污染問題，例如水源地附近水體中的有機氯可能會導致生物體內產生致癌物質；（2）有可能產生致癌性的三氯甲烷等化合物，對人體健康不利；（3）在養殖場應用時受有機質、還原物質和pH值的影響大，消毒效果會受到影響。

1.2 氯胺消毒

氯胺實際上是一種復雜的無機氯胺和有機氯胺的混合物。其作為消毒劑具有很多優點：（1）大幅降低了氯消毒時三鹵甲烷和鹵乙酸等消毒副產物的產生量；（2）氯胺消毒穩定性好，殺菌持久性強；（3）氯胺氧化性較弱，大大減少了氯消毒殘留的臭味；（4）氯胺腐蝕性小、價格低廉[4]。

氯胺消毒的缺點也比較明顯：（1）其消毒殺菌作用不及自由氯；（2）氯胺投加量需嚴格控制，否則容易激活水中的氨氧化細菌，從而生成亞硝酸鹽和氨氮；（3）相對于氯消毒，氯胺消毒工藝更加復雜，操作管理不便。因此單獨采用氯胺消毒的水廠較少，其通常作為輔助消毒劑以抑制管網中細菌的再繁殖。

2 消毒副產物概況

2.1 消毒副產物

消毒副產物（DBPs）是指采用消毒劑對飲用水進行消毒時，其與飲用水中的一些前體物質發生取代、加成和氧化等一系列化學反應后產生的物質。最初的飲用水消毒副產物是指用氯進行消毒產生的副產物，后來隨著消毒劑種類的增多，這種副產物涵蓋的范圍也跳脫出了氯的“籠子”，范圍得到了進一步擴大。

2.2 消毒副產物的影響因素

消毒副產物的影響因素有很多，比如消毒劑的種類和濃度。不同的消毒劑對水中有機物的滅活能力不同，產生的消毒副產物也各不相同。此外，消毒劑濃度越高，消毒作用越強，但同時也會導致消毒副產物的生成量增加。再比如，水中有機物含量也是影響消毒副產物產生的重要因素。有機物含量越高，消毒劑與有機物反應的幾率越大，導致消毒副產物生成量增加。除此之外，水質的硬度、水溫、水的pH值、消毒劑與水的反應時間等都是影響消毒副產物的因素。

2.3 消毒副產物的危害及控制

大部分已經鑒定的DBPs都具有細胞毒性和基因毒性，控制飲用水中的消毒副產物（DBPs）可以從三方面入手[5]：（1）去除原水中的NOM；（2）改變消毒工藝或采用新的消毒劑，減少消毒過程中DBPs的產生；（3）去除飲用水中已生成的DBPs。其中，在進行地表水處理時，可采用強化混凝、GAC吸附、膜過濾技術等去除NOM。

3 給水管網微生物穩定性研究

大量研究表明，出廠水中存在的可生物降解的有機物是管網中異養菌再生長的主要原因，因此提出了飲用水生物穩定性的概念。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菌生長的潛力，飲用水穩定性越高，則表明水中細菌生長所需的有機營養物質含量越低，細菌越不易在其中生長，反之亦然。

3.1 給水管網中的細菌再生長

盡管自來水廠通常通過投加氯消毒滅活病原菌，同時保持管網末端一定量的余氯來控制細菌在管網中的生長，但出廠水中仍殘存有細菌；部分氯消毒后的受傷細菌也會在管網中自我修復，重新生長；同時管網的交叉連接和倒虹吸等其它原因也會造成外界細菌重新進入管道。當管網水中存在可生物降解有機物時，這些殘存的細菌就能夠獲得營養重新生長繁殖，導致用戶水質變差[6]。

3.2 給水管網中的管壁微生物膜

3.2.1 管壁微生物膜的形成過程

游離細菌與飲水管道內壁表面接觸后，粘附到管道內壁表面，粘附的細菌在管道表面形成生物膜。當微生物滯留在水系統邊界上時，例如在管道內壁和水箱內壁或附著于惰性及活性實體的表面，它們就會進行繁殖、分化，并分泌多糖基質，將這些菌體群落包裹其中，使生物膜不斷加厚。

3.2.2 管壁微生物的特性

（1）生物多樣性：管壁微生物膜中包含的微生物種類繁多，包括不同種類的細菌、藻類和真菌等，形成了一個復雜的微生物群落。（2）黏附性：微生物膜具有很高的黏附性，可以牢固地附著在管渠內壁上，這種黏附性主要由微生物表面分泌出的粘附物質所導致，可以抵抗水流的沖刷作用。（3）耐受性：管壁微生物膜能夠耐受一定程度的環境變化，例如高濃度的有機物質和重金屬等污染物，因為微生物能夠分解這些有機物質并將其轉化為無機物質。（4）穩定性：管壁微生物膜具有一定的穩定性，其結構可以長期保持，微生物也可以進行正常的生理活動。

3.2.3 管壁微生物膜的影響因素

管壁微生物膜的影響因素很多，包括水中的營養基質濃度、水流速度、消毒劑的濃度、水中懸浮菌的數量、水溫等。

水溫影響微生物生長速率、消毒效果、管道腐蝕速率及和生物膜相關的其他現象。在貧營養環境中，相對于冷水來說，溫水中的細菌生長更加迅速。管壁微生物膜主要組成菌為異養菌，所以需要足夠生物生長的有機物，如充足的磷、氮和其他基礎的營養物質。管網水屬于典型的貧營養環境，營養元素濃度的改變會對管網中微生物的生長產生較大影響。微生物之間的相互作用也是一個重要的影響因素，不同的微生物會競爭有限的營養物質。

此外，管網中的水流速度也會影響細菌生長，水流流速過快會使更多的營養基質附著于管壁生物膜；水流流速過慢會使消毒劑消耗加快，促使水中余氮量減少，余氮量不足則無法有效殺滅經消毒而受傷的細菌，給了它們更多“喘息”的機會得以自我修復并繼續生長；而當水流突然打開或者突然停止時，又會快速沖刷管壁生物膜，使細菌快速繁殖。

綜上所述，管壁微生物膜的形成與水溫、營養物質、微生物種類及其相互之間的作用，以及消毒劑、管網內水質特征等都有密切關系，相關人員在考察管壁微生物膜時要綜合考慮多方面的因素。

3.3 給水管網生物膜反應器研究

常用的生物膜模擬系統包括簡單封閉式模擬系統和開放式模擬系統[7]。其中簡單封閉式模擬系統主要模仿生物膜的基本結構，由一個模擬磷脂分子的容器和一個或多個模擬蛋白質分子的計算模型組成。在此模型中，磷脂分子可以隨機移動，而蛋白質分子則可以隨機在磷脂分子層中移動。該系統主要用于研究生物膜的基本性質。開放式模擬系統在簡單封閉式模擬系統之上增加了生物膜相互作用的外部環境，包含一個或多個模擬細胞模型的磷脂分子層和蛋白質分子以及一個模擬外部環境的計算區域。其主要用于研究生物膜與外部環境的相互作用。

實驗室規模的配水管網動態模擬裝置通常分為兩種，分別為局部管段反應器和環狀管網反應器，二者的區別如表1所示。

表1 局部管段反應器和環狀管網反應器的區別

局部管段反應器可以改變流速、溫度，還可以裝上其他的測試儀器，實現對不同指標的測試。環狀管網反應器是一種簡化了試驗規模的模擬裝置，可以設計成非循環反應器和循環反應器，如圖1和圖2所示。

圖1 非循環反應器示意圖

圖2 循環反應器示意圖

4 結語

綜上，給水管網中管壁微生物膜會對消毒副產物產生顯著影響，隨著科學技術的不斷進步，未來相關人員要進一步探索消毒劑的選擇和優化措施，進一步提升給水管網的管理和維護水平，進而減少消毒副產物的生成，保障供水安全。