|
 |
|
|
|
|
|
美国给水管网生物稳定性研究进展
陈勇生
美国Arizona大学副教授，北京格维恩科技公司
一、前言
给水管网主要是由钢管或铸铁管构成的。而钢管或铸铁管在电化学反应、微生物等的共同作用下会被腐蚀。管网腐蚀会导致管网泄漏、管网破裂、管网输送水力损失增大、导致管网水质恶化超标等问题。如今管网腐蚀问题正日益引起人们的广泛关注。本报告将介绍美国管网的腐蚀和管网水质的生物稳定性研究进展。其研究方法和成果对于科学全面地了解我国供水管网系统的腐蚀现状，提供经济可行的解决办法均具有十分重要意义；对提高管网水质，减少水损失率和固定资产投资均具有可观的经济价值。同时，其对于保障饮用水的安伞，保护饮用者的身体健康和生
活质量息也具有十分重要的社会效益。并且通过对管网生物稳定性的研究，针对我围管网腐蚀的现状，建立科学的评价体系，同时提出相应的科学的解决方案。
二、研究背景
据美国AwwA估计美国在未来20年将不得不花费3250亿美圆用于更新已腐蚀的管网系统。管网腐蚀导致水质下降，消毒剂用量增加，管网中溶氧减少，水利负荷下降，水的损失率增加，管网更换费用升高。另外，许多水质问题包括臭味，红水和兰水现象产生均与管网的腐蚀有关。给水管网的腐蚀不仅仅增加了社会的财政负担，而且还严重威胁了居民饮用水的公共卫生安全，给社会带来了不小的危害：
1)给水管网的腐蚀致使管网泄漏、管网破裂。据调查，目前我国全国给水管网由于泄漏、破裂造成的漏水率超过20％，最高的甚至达到40％；每年各自来水公司必须花费大量的经费用于管道的更换和维护。
2)给水管网的腐蚀迫使自来水厂加大了消毒等药剂的投加量；加大水厂出水的提升压力以抵消部分由于腐蚀而增加的水力损失，从而加大了水厂的运行成本。
3)给水管网的腐蚀导致管网水的浊度、色度、铁离子浓度、细菌总数的升高，严重影响了管网的水质，直接威胁居民饮用水的公共卫生安全。
4)给水管网的生物稳定性直接关系到居民饮用水的公共卫生安全，然而目前国内还没有科学的评价管网生物稳定性的标准，如何建立一个科学评价生物稳定性的标准是目前急待解决的问题。
5)给水管网的生物稳定性与消毒剂添加量有直接关系，但是过分消毒又带来过多消毒副产品，优化消毒剂剂量，既能提高生物稳定性，又减少负面影响。
总之，给水管网的腐蚀及生物稳定性是个急待研究解决的问题。
三、问题
尽管给水处理技术的发展已有100多年的历史，但是，人们对运送水对管网材料的影响却了解的很少。虽然影响管网的腐蚀因素很多，但概括的说主要有以下几个方面
(1)出厂水中剩余的铁或铝的化合物的浓度，从图。可以明显地看出，管网的腐蚀随出厂水中铝的浓度增加而加剧；
(2)出厂水中颗粒物的浓度。颗粒物量的增加造成其在管网输送过程中的沉积，进而造成管网局部腐蚀的可能性增加；
(3)出厂水的生物稳定性。控制管网中生物的生长，常通过加氯消毒且保持管网末端一定的余氯量，然而多数研究表明：即使保持管网中一定余氯，异养细菌在有机物存在下仍然会牛长。影响给水管网中细菌繁殖的因素主要以下几种：
1)余氯。出厂水通过加氯或氯胺消毒并保持管网内有一定的余氯以控制细菌生长是目前普遍采用的方法。但是，自由氯在水中容易分解，而且即使保持较高的自由氯(3～5mg／L)仍难以完全抑制铁管中生物膜的生长。另外，加氯量过高会引起氯化消毒副产物的生成，使饮水中“三致”物质增加，对人体健康造成威胁。因此靠增加余氯来控制管网细菌牛长显然是不可取的。
2)营养。细菌的生长必须靠营养基质的支持，减少水中可生物降解有机物(BDOC)或生物可同化有机碳(AOC)量以控制异养细菌生长犹如釜底抽薪，能取得决定性的效果。
3)水力因素。管网中水流速度对细菌生长的影响有下面几个方面：增加流速可以将更多的营养基质带到管壁生物膜处，同时也增加了氯量和对管壁生物膜的冲刷作用，死水区由于没有氯，往往导致微生物生长、水质恶化，水流骤开骤停能使管壁生物膜冲刷下来，水流中细菌量急剧上升。
4)颗粒物的影响。水中颗粒物易成为细菌生长的载体，并降低氯对细菌的杀灭作用。出厂水中剩余的铁或乍吕的化合物能沉积在管壁处，保护细菌免受余氯的伤害。
因此应严格控制出厂水中颗粒物数最，有条件时可定时或不定时对管网进行冲洗。其中，有机营养物的量是关系到饮用水的生物稳定性的关键因素，降低牛物可同化有机碳(AOc)和可生物降解有机物(BDOc)是提高饮用水生物稳定性的根本途径。
四．主要研究方法
美国在这方面的主要研究工作包括建立管网模拟系统、
1)采用模拟系统如实际管网系统相结合的办法，在研究实际系统的同时，模拟水厂运行时的水流速度，控制温度、AOC和余氯量，系统研究颗粒物对管网腐蚀的影响；研究剩余的铁或销的化合物的浓度，颗粒物的浓度，以及水的生物稳定性对管网腐蚀的影响。
2)生物膜的生长情况采用生物膜培养反应器(BAR)，测定在不同温度、不同余氯量下培养生物膜，研究生物膜的生长情况，分析生物膜的组成成分。分析生物膜在哪些条件下可以得到较好的控制。生物膜培养反应器(Biofilm
AnnularReactors，BAR)是用来检测不同种处理方法的水的再生潜力的。图3是研究中将用到的BAR的简图。BAR由一个结实的鼓状圆筒(高20cm，直径20cm)构成，该圆筒可以围绕在固定玻璃管中的垂直轴旋转。鼓状圆筒里装了20个可移动的聚碳酸酯滑
片，生物膜样本可以从中获得。聚碳酸酯滑片是作为生物膜支持媒介来消除使生物膜生长的反应原料发生混淆的影响。使用聚碳酸酯给出的只是水的生长潜力的指示数，从而避免了腐蚀作用和腐蚀作用产物的影响。完全混合、持续流动的环状反应器以60rpm角速度转动(模拟的水力剪切相当于30．5cm饮用水管网中0．6l
m／s的速度)，水力停留时问为2h。这种反应器在T作时有lL容量，并装有流入和流出的样品。
3)快速AOC检测。饮用水中异养细菌的再生长可能性，主要取决于可同化有机碳源的存在。很多细菌在碳源含量很低(2．5ppb)的水中也能够生长，因此可能造成病原体的传播，对饮用水水质造成危害。细菌的牛长也促进了牛物膜的形成。为了控制病原体的传播，需要在供水系统中加入适量的消毒剂。造成处理费用高，并町能导致消毒副产物的生成，所以测定细菌的再生长可能性必不可少。并不是水中存在的所有有机碳都支持微生物生长。因此，定量测量可生物降解的(或可同化、可利用的)有机物水平很重要。许多化学参数，例如总有机碳或溶解有机碳(TOC、DO，已经被证明不适合用作参考依据；事实表明(Van
dm‘KOOij等人，1 982：Wer·ner和Hambsch，1986，1988)可用于生物降解的碳量只是占总有机碳的很小一部分，并且一般变化很大。水中AOC测定的标准程序依赖于微生物生长的直接测量；不同的测定方法采用单种细菌培养液，多种细菌培养液，或本土微生物植物群。这些测定方法虽然通常比较精确可靠，但是缓慢而冗长，测定结果需要几天或几周的时问才能得到。显然，经过这么长时间之后所获得的结果的价值不大。一种适用于水中AOC的测定仪应当是快速、廉价的，并且能够检测水中多种极低浓度的呵用有机碳，checkLight
A0c测定仪满足以上要求。checkLight AOC测定仪使用简单、短时间内即可得到测定结果，且测定结果与所研究的水体中细菌的生长能力有极高的相关性。CheckLight的AoC测定是基于可同化有机碳对费希尔狐菌(Vibrio
fischeri)发光量的影响。发光细菌被置于产生光所必要的环境条件和营养条件下，只是发光所需的有机碳源由被测定的水样提供。随测定仪提供的试验所用的发光细菌是处于一种干冻状态下。发光细菌与被测水样发生水合，若试样中含有可同化有机碳，发光细菌即开始发光。发光量随着时间而增加，其强度取决于可同化有机碳的浓度。多种可同化有机碳的亚．ppm浓度可以在2—3小时内测定。
五．研究内容的指导意义
该项研究主要对实际工作有如下知道意义：
1)建立AOC、颗粒物与水管腐蚀的关系，指导水厂控制AOC和颗粒物。
2)建立A0c与生物在管网中在生长的关系，并用快速检测AOC的方法确定消毒药剂的投加量。
3)建立AoC、TOC、DOC、TDS与管网腐蚀的定量关系，为指导水处理工艺、消毒和水源水质预处理工艺提供依据。