给水管网生物膜对水质的影响

给水管网生物膜对水质的影响

管道供水管网在整个供水系统中发挥着重要作用，在水质安全方面发挥着重要作用。自20世纪30年代末在经过加氯消毒的供水管网中发现细菌生长以来,管网中细菌再生长及其引起的二次污染问题受到越来越多的关注。管网系统内与水长期接触的表面上普遍存在着微生物生长繁殖所形成的生物膜,它是微生物及其胞外聚合物(EPS)与水中有机物、无机物相互粘合形成的聚合体系。管壁生物膜会对管网水质产生不利影响,如色度和浊度升高、致病菌生长、管道腐蚀加剧、过水断面缩小、输水能力降低和能耗增加等。管壁腐蚀层和生物膜可为微生物提供有效的保护,使得冲洗、加大消毒剂用量等常规管网水质维护措施只能在短时间内改善水质,不能彻底去除作为污染源的微生物。供水管网中生物膜所引发的水质安全问题已经引起了各国供水行业及相关科研人员的关注。对管网生物膜形成过程、群落结构特征以及生长控制等方面的研究成为供水科学与技术领域的热点。1生物膜的形成机理管网系统中的微生物通常来源于所使用的水源水。水源水中的某些微生物经水处理过程后幸存下来进入管网系统,水中的溶解性痕量有机物可使这部分微生物在管网中修复、重新生长,并在管壁形成生物膜。此外,由于事故原因,如管道破裂、倒虹吸负压等,也会使外界微生物进入管网系统中并增殖。管壁生物膜是一个复杂的、动态变化的微生物生存环境,它的形成包括营养物质的吸附、微生物的新陈代谢、生物膜在管壁的附着/脱附等过程。在生物膜的生长过程中,水中各种有机物通过疏水作用、表面化合反应等吸附到管壁上。被吸附的有机物可改变管道的表面电荷,同时也提供了细菌等微生物生长所需的营养物质,为它们发生黏附创造有利条件。进入管网中的部分微生物受范德华力、静电、氢键等作用力与管壁接触并黏附。有些微生物在水流冲击下易从管壁脱离,而当水流减缓时又可以附着到管壁上,处于一种不稳定的动态过程中;有些微生物可以通过其鞭毛结构或细胞本身分泌的EPS紧密附着在管道表面,逐渐形成结构复杂的生物膜。随着细菌和藻类等微生物的继续黏附或再生长繁殖,生物膜的群落结构逐渐复杂化,甚至原生动物也出现在膜表面。当膜生长到一定厚度后,营养物质和氧气向内层扩散受阻,由于膜内部营养物质和氧气缺乏而造成微生物死亡,从而可引起生物膜的脱落。生物膜的形成速率与界面处的物理、化学、营养物质的供给、附着微生物的生理要素等有关,其脱落的主要原因则是水力冲刷、消毒剂对EPS的影响以及营养物质的缺乏等。供水管网管壁横截面照片显示,管道内壁表面粗糙,存在复杂的锈瘤和空隙,生物膜不仅存在于供水管网内壁的最外层,也存在于管壁内部锈瘤、缝隙、空隙表面。由于大分子物质在管网内壁固、液界面上富集以及EPS对微生物的保护作用,黏附于缝隙、微孔以及管壁表面的微生物相对于水流中悬浮生长的微生物而言,具有更优越的生长环境,从而能迅速繁殖,形成稳定的生物膜。2饮用水管网生物处理技术发展现状生物膜主体是微生物,除此之外还含有无机、有机粒子。无机粒子为无机盐类沉淀物、管道腐蚀产物等,有机粒子为腐殖质、微生物残骸等。生物膜一般呈粘稠状薄膜,厚度很薄,约为200~300μm。EPS是微生物生长繁殖排出的多糖、蛋白质、核酸、酯类等有机聚合体,占生物膜总量的50%以上。EPS对生物膜结构的完整性起主要影响作用,它对管道金属/生物膜/水界面过程有多方面影响:在生物膜/金属界面上滞留水分;捕获界面上释放的金属(铜、锰、铬、铁等)离子或腐蚀产物;影响扩散速度,使金属/生物膜/水界面溶解氧和电解质传输复杂化。此外,EPS的存在有利于细菌的附着并能促进膜内微生物获取营养物质,降低消毒剂对微生物的灭活作用。正是由于EPS的存在,微生物个体才可以互相连接并且黏附在载体表面从而形成复杂的生物膜体系。生物膜中的微生物包括细菌、病毒、真菌、原生动物和其他无脊椎动物等,其中细菌是生物膜中的最大种群。常见的细菌种类主要包括:杆菌、抗生素菌、枝状菌、染色菌、抗消毒剂菌、放线菌、真菌等。总杆菌数是衡量水处理过程处理效能和公共卫生风险的重要指标。杆菌属于革兰氏阴性菌,在给水水源中只是偶尔存在,并易于被消毒剂灭活,但当其附着于颗粒物上时,消毒剂对其灭活作用就会大大削弱。此外,管网中原生动物、大型无脊椎动物的数量也相对较大。管网中微生物的种类还会因为水中营养物质含量和季节的变化而变化。对生物膜中的所有微生物进行鉴定是非常困难和复杂的,常用的表征生物膜密度的方法有:异养菌计数法(HPC)、直接计数法(TDC)、胞外蛋白水解活性法(PEPA)、三磷酸腺苷(ATP)法等。但HPC不能准确表达生物膜中细菌的具体种群结构特征,即使出厂水和管网水水质都能满足HPC的要求,也并不意味着水质就是安全的。近年来,现代分子生物学技术如16SrRNA/rDNA、PCR、DGGE、FISH、克隆、测序和系统发育分析等技术应用到环境科学领域,为饮用水管网系统中微生物研究提供了有力的研究手段,在我国也得到了广泛的应用。综合国内外研究进展,目前在供水管网中检测到的微生物种类主要有以下特征:①大部分的异养菌呈革兰氏阴性,最常见的是假单胞菌属(Pseudomonas)、摩拉克氏菌属(Moraxella)、黄杆菌属(Flavobacterium)和产碱杆菌属(Alcaligenes);②霉菌(Mould)和酵母菌(Yeast)(属真菌)也经常检出;③常见的还有赭菌属(Ochrobium)、微球菌属(Micrococcus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、埃希氏菌属(Escherichia)、芽孢杆菌属(Bacillus)和乳酸杆菌属(Lactobacillus);④识别出来的肠杆菌主要属于埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)、居泉沙雷菌属(Serratiafonticola)、产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)、水生拉恩菌(Rahnellaaquatills)以及米勒氏菌属(Moelleralla)和摩根菌(Morganellamorganii)形成的典型大肠菌群。3管网对生物膜的影响不同水源条件下微生物的构成有很大差别,另外,管网中营养物质、温度、水力条件、消毒剂种类及其投加量、管材等都会对生物膜的形成有不同程度的影响。3.1其他有机物的影响供水管网中的细菌大部分是异养菌,依靠可生物降解有机物进行生长繁殖。异养菌生长所需碳、氮、磷的比例大约为100∶10∶1,有机碳是其生长的主要制约因素。研究表明,当管网水中有机物含量较高时,即使保持很高的余氯,管网中仍可检出几十种细菌。而对于管网中存在的一些自养菌,水中的氨氮、碳酸盐等对其生长则有较大的影响。饮用水中存在的有机物种类较多,但并非所有的有机物都能被微生物利用。通常用来表征水中有机物促进微生物生长能力的参数有生物可同化有机碳(AOC)和生物可降解溶解性有机碳(BDOC)。一般来说,当AOC<10~20μg乙酸碳/L时,异养菌几乎不能生长,水的生物稳定性较好;在保持一定消毒剂余量存在的情况下,在AOC<50~100μg乙酸碳/L的水平下也可维持水在管网中的生物稳定性。BDOC的控制阈值一般为0.2mg/L。1996年Miettinen等发现在有机物含量相对较高的水中,磷会取代有机物成为微生物生长的限制因子,有学者也提出了生物可利用磷(MAP)这一控制指标。水厂可以通过水处理工艺的优化或改进,控制出厂水中的有机碳和磷含量,来提高管网水的生物稳定性。3.2温度对处理效果的影响水温是影响微生物生长的主要因素之一。当温度在15℃以上时,微生物会表现出较高的生物活性。较高的水温可以加快细菌的生长速率,延长对数生长期。此外,温度还会影响水厂处理效果、消毒剂用量、消毒速率及消毒剂残留量、腐蚀速度等。对于庞大的供水管网系统,控制水温是不可能的,但通过研究明确水温对管网内各种反应过程的影响效应,可为管网水质的控制提供依据,如明确了温度变化对消毒效果的影响,可以更为合理地调节水中余氯量。3.3生物膜的剪切力和管线设计管道流速对生物膜生长有正、负两个方面的影响。较高流速能快速传递溶解氧和微生物必需的营养物质,促进微生物生长;但流速大也能快速传送消毒剂,加大水流对生物膜的剪切力。清华大学利用试验装置对稳定条件下水流速度、剪切力对生物膜生长特性的研究表明,水流速度、剪切力仅仅影响生物膜达到稳态的时间,对生物膜的产生量则无显著影响。管线设计不合理也会引起管壁生物膜生长状况的变化。管径过小会造成流速过大,生物膜可能受冲刷剥离;管径过大则流速过慢,水在管网中的滞留时间增加,导致水中游离氯减少,管道沉积物增多,从而促进微生物的生长。此外,管网末梢所形成的死水区其水质恶化严重,微生物也会大量生长。3.4消毒预处理对生物膜活性的影响用消毒剂控制生物膜时,消毒剂余量对生物膜形成的影响是非常重要的。目前国家饮用水卫生标准中规定的末梢余氯量≥0.05mg/L,这主要是考虑了消毒剂对水相中微生物的作用。有研究发现,即使余氯量高达3~5mg/L,也不能完全抑制管壁生物膜的生成。生物膜的存在会降低消毒剂对细菌的灭活效果且增加消毒剂的耗用量。以高投氯量来控制生物膜是不可取的,投氯量过高会引起氯化消毒副产物如三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等的生成,增大了饮用水的致癌风险,增加用户对水中氯味的抱怨以及加速了管道腐蚀。因此,要实现对管网水中细菌生长的控制,应该将消毒与有机物的有效去除相结合。消毒剂的种类对生物膜的消毒效果也有较大影响。研究发现,对于自由氯和氯胺这两种消毒剂,管壁生物膜密度均随着消毒剂浓度的降低而增加;自由氯比氯胺具有更为显著的灭活水相细菌的能力。在低投氯量(1mg/L)下,不论是游离氯还是氯胺,都可能使镀锌管、铜管、PVC管附着生物膜的数量减少100多倍;然而,当微生物生长在铁管上时,自由氯浓度在3~4mg/L时仍难控制生物膜的生长;而当氯胺的量>2mg/L时,就能有效减少生物膜的量。这是由于自由氯的反应活性较高,在穿透生物膜前就被大量消耗了。尽管氯胺的反应活性较自由氯低,但氯胺更容易穿透生物膜并灭活附着的微生物。自由氯难以穿透生物膜解释了水中余氯浓度很高但管壁依然存在微生物这一现象。进一步研究消毒剂和供水管网管壁生物膜之间的反应机理,对于选择合适的控制生物膜措施是至关重要的。3.5控制管道腐蚀管网材质与管壁表面特征对生物膜生长有重要影响。一方面,金属管材内壁的腐蚀层能为微生物生长繁殖、躲避消毒剂的杀伤提供场所;此外,腐蚀还明显抑制了消毒剂对生物膜的消毒效果。供水管网内壁的腐蚀是物理、化学和生物等共同作用的结果。如在铁管中,由于电化学腐蚀会在管壁形成凹陷,释放出亚铁离子,在不远处则形成铁的氧化产物累积的结瘤。管内壁的这些凹陷和结瘤可以聚集养分并保护微生物免受水力冲刷和消毒剂的损伤。因此,要对生物膜取得较好的消毒效果,首先应控制管道腐蚀。另一方面,微生物的生长繁殖反过来又能加剧金属管材的生物腐蚀。许多研究发现在铁质管材表面的腐蚀层中有杆菌存在,并且发生腐蚀的钢板表面上异养菌和杆菌的密度是聚碳酸酯表面上的10倍以上。一般来说,在相同水质条件下,管材表面所形成的生物膜的细胞密度大小排序为:铁管>聚乙烯>PVC>水泥。也有研究发现,在相同条件下塑料管材表面的生物量最少,水泥管次之,灰口铁表面附着的生物量最高。此外,并非整个管网的所有位置都适合于微生物的生长。管网中水流速度高或者平滑表面的部分使得微生物附着非常困难,这些地方不利于微生物躲避消毒剂的杀伤作用。因此,可以预见生物膜沿管道的分布是不均匀的。4生物膜微生物多样性、腐蚀率高以往人们对水质问题关注的重点主要集中在水厂的净化处理工艺上,而对供水管网系统中水质变化问题的重视相对不足。随着水质标准要求的日趋严格和人们对水质安全问题认识的深入,目前已经逐渐形成了从水源地到水厂再到管网的水质安全保障体系。管网输配过程中的水质恶化问题开始受到供水行业和相关科研机构的关注。大量监测表明,饮用水从出厂水到用户端出水水质呈降低趋势,主要表现为铁、锰、镁、色度、浊度、细菌总数超标等。管网中铁、锰的大量释放会导致严重的“红水”现象,招致消费者的投诉;在某些情况下,重金属、致病微生物及其所产生的毒害物质进入水中还会直接威胁人的健康和生命安全。国内外都曾多次发生过因管网水质变化而导致的影响人们正常生活的供水事件。供水管网中管壁生物膜的存在是造成管网水质问题的一个潜在的重要原因。管壁生物膜中的微生物能够进入水相,成为水相微生物的源,尤其是当水质、水力条件发生变化时,生物膜可能会从管壁成片的剥离而进入水中,从而引起管网水浊度、色度上升,致使水产生嗅和味,造成细菌总数超标,增加饮用水的微生物风险。生物膜中能导致水产生异常嗅、味,使色度、浊度升高的异养菌包括放线菌(Actinomyces)、链霉菌(Streptomyces)、诺卡氏菌(Nocardia)、节杆菌(Arthrobacter)。尽管大多数情况下,管壁生物膜中的细菌不具有致病性,但大量存在的生物膜会增加致病菌附着孳生的机会。许多学者在对管壁生物膜的研究中发现了病原菌或机会病原菌,如粘滞沙雷氏菌(Serratiamarcescens)、蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)、假单胞菌(Pseudomonas)、鸟分枝杆菌(Mycobacteriumavium)、微球菌(Micrococcus)、不动杆菌(Acinetobacter)、产碱杆菌(Alcaligenes)、黄杆菌(Flavobacterium)、节杆菌(Arthrobacter)、棒状杆菌(Corynebacterium)。此外,还有研究发现,生物膜中附着细菌的密度与水相悬浮细菌的密度之间存在线性相关关系。因此,管网生物膜中病原微生物的孳生会对人类的健康构成直接的威胁。目前的城市供水管网中还存在大量无防腐内衬的金属管材,如灰口铸铁管、镀锌钢管等。这些管道内壁上存在由腐蚀产物所形成的垢层。微生物腐蚀是供水管网腐蚀的主要因素之一。生物膜中的微生物主要通过使电极电势和浓差电池发生变化而间接参与腐蚀作用。能够引起金属管材腐蚀的微生物主要包括铁细菌、硫酸盐还原菌、硫氧化菌以及能产生粘液的腐生菌等,其中铁细菌和硫酸盐还原菌在供水管网中最为常见。铁细菌能生活在含氧少但溶有较多铁质和二氧化碳的水中,能将其细胞内吸收的亚铁离子氧化成高价铁离子,并且以氢氧化铁的形态沉淀。难溶的氢氧化铁会在管道内壁形成垢瘤,严重时可堵塞管道过水断面。由于铁细菌耗氧,而结瘤又阻碍氧的渗入,结瘤下部常常处于缺氧状态,为厌氧菌的生存提供环境。丝状铁细菌(纤发菌属、泉发菌属)在发育过程中,会产生由氢氧化铁形成的衣鞘,这些衣鞘不断地脱落而形成松散氢氧化铁沉淀物并进入水体,引起管网水的浊度、色度超标,产生“红水”现象。硫酸盐还原菌是一种专性厌氧菌,能够通过将SO2-4还原成S2-获得能量,并通过消耗氢而使金属表面阴极发生去极化作用,加速管材的电化学腐蚀。我国北方某市在2008年水源切换时曾经在局部地区发生较严重的“红水”现象。此次“红水”现象发生的一个重要原因就是新引进的地表水水源中SO2-4的浓度远远大于原来使用的地下水中的SO2-4浓度。硫酸盐还原菌在此类管网“红水”产生过程中所起的作用还需做进一步研究。另外,在腐蚀严重的管道中,生物腐蚀所形成的锈瘤及孔隙能够提高管壁的摩阻系数使管道有效截面缩小,降低输水能力。生物膜在生长过程中会不断消耗管材,使得管网管壁逐渐变薄,出现穿孔或爆管现象,对供水企业以及正常的社会生活产生严重影响。随着人们对氯气消毒过程中氯代消毒副产物危害的认识,替代氯气的消毒剂越来越被广泛应用,其中氯胺是应用最多的一类化合性氯消毒剂。尽管氯胺的应用可以有效降低氯代消毒副产物的生成,也有助于管网消毒剂的维持,但氯胺的应用也随之产生了管网硝化问题。由于氯胺在水中的分解,使得采用氯胺消毒的供水系统中存在一定浓度的氨。水中的氨氧化菌能够将氨氧化成亚硝酸盐,并在某些条件下造成亚硝酸盐的累积。亚硝酸盐在人体中会与胃液反应生成亚硝胺类致癌物,危害人体健康。亚硝酸盐还会与水中氯或氯胺反应从而造成水中消毒剂浓度的降低,削弱消毒效果,间接造成供水管网中异养菌的繁殖。此外,不完全的硝化作用还会加快管壁的腐蚀过程,降低水的碱度和溶解氧含量。更为重要的是,硝化反应一旦发生,即使投加大量的消毒剂也很难达到对硝化作用的控制。因此,供水管网中的硝化现象应该引起足够的重视。研究表明,开始发生硝化反应的水中亚硝酸盐的浓度范围为0.05~0.5mg/L,当水中的亚硝酸盐浓度在0.02~0.05mg/L时,可以认为水中的硝化反应影响了水质,应采取一定的措施;在微生物学方面,一般采用氨氧化菌的水平来评价硝化现象的发生。目前,在我国使用氯胺消毒或水源水中氨氮含量较高的一些城市管网中存在着不同程度的硝化现象,开展管网硝化作用的研究并提出相应的控制措施是非常必要的。5生物膜生长特性的研究饮用水的水质安全保障是一个多环节、多层面的问题。需要从水源水到净水厂、从净水厂到管网、从管网到用户终端建立一个完整的技术保障体系。饮用水在供水管网系统中的水质稳定是实现安全优质供水的重要环节。对于供水管网,应保障系统良好的密封性。新建管网应进行合理布局和优化设计,选择合适的管材,进行良