余國(guó)忠，王根鳳，龍小慶，吳紅偉，王占生
（清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084）

　　摘要：城市給水管網(wǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)是管道的表面性質(zhì)，細(xì)菌對(duì)寡養(yǎng)生境的生態(tài)適應(yīng)與消毒劑的性質(zhì)、劑量、投加方式等共同作用的結(jié)果。改良、處理與更新管道材料，選擇適當(dāng)?shù)南緞┡c劑量，采用合適的投加方式，使用常規(guī)處理+活性炭+消毒(AOC＜300μg乙酸碳/L時(shí))工藝或預(yù)處理+常規(guī)處理+活性炭+消毒(AOC＞300μg乙酸碳/L時(shí))工藝，可有效控制管網(wǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)。?
　　關(guān)鍵詞：飲用水；管網(wǎng)；細(xì)菌生長(zhǎng)；AOC；防治?
　　中圖分類號(hào)：TU991.25
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)08-0018-03

　　自20世紀(jì)30年代末在經(jīng)過(guò)加氯消毒的給水管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生長(zhǎng)以來(lái)，管網(wǎng)中細(xì)菌繁殖及其引起的問題受到人們的關(guān)注。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)中細(xì)菌的大量繁殖可加劇管道腐蝕，產(chǎn)生鐵銹和管垢，消耗水中溶解氧，提高水色和水的不良?xì)馕?，增大濁度和?xì)菌平板計(jì)數(shù)，產(chǎn)生生物粘泥，為大型生物體和致病菌的出現(xiàn)、繁殖創(chuàng)造條件，形成生物不穩(wěn)定的水，甚至造成管道阻塞、爆管、斷管等嚴(yán)重問題，直接威脅凈水廠運(yùn)行和人民身體健康安全。?

　　1 給水管網(wǎng)中細(xì)菌生長(zhǎng)的可能機(jī)制

　　1.1 管道及管內(nèi)水流特征的影響
　　自然環(huán)境中，許多細(xì)菌由于分泌胞外多糖(EPS，可形成莢膜)而相對(duì)親水，但管道內(nèi)的湍流效應(yīng)對(duì)細(xì)菌著生顯然不利。有研究表明^［1］：管壁與水流之間的粘滯層(或邊界層)，以及由于粘滯層中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度梯度的存在可以使運(yùn)動(dòng)細(xì)菌從水中遷移到管壁表面生存；另外在水流速度很小或相對(duì)靜止的管道內(nèi)，直徑＜0.1μm的細(xì)菌可通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)可逆地移向管壁。受管壁表面固有性質(zhì)和由于表面的分子吸附而使這些性質(zhì)被改變的影響，細(xì)菌到管壁表面有可逆與不可逆兩種粘附方。Marshell等認(rèn)為細(xì)菌的可逆粘附可通過(guò)瞬間引力、布朗運(yùn)動(dòng)、DLVO理論、聚合物架橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中聚合物架橋可能是細(xì)菌牢固粘附于表面的主要機(jī)制。在可逆粘附發(fā)生過(guò)程中，有可能使管壁表面性質(zhì)與細(xì)菌分泌的、粘附于管壁的有機(jī)物性質(zhì)發(fā)生某些變化，并隨之發(fā)生不可逆粘附(此過(guò)程具有時(shí)間依賴性)，一旦發(fā)生不可逆粘附，表明細(xì)菌在管壁定居成功。目前大多數(shù)的給水管內(nèi)壁表面特征(表面電荷、表面自由能和表面粗糙度等)還不足以阻止細(xì)菌的粘附，此外管道化學(xué)腐蝕也有助于細(xì)菌滋生。?
　　1.2管網(wǎng)內(nèi)寡養(yǎng)生境與細(xì)菌的生態(tài)適應(yīng)
　　絕大多數(shù)細(xì)菌的長(zhǎng)度或直徑在0.15～2.0μm之間，其中尺寸較小的大部分是寡養(yǎng)類，很多天然微生物處于寡養(yǎng)生境，Poindexter把寡養(yǎng)生境定義為營(yíng)養(yǎng)物流近乎0～1mg/(L·d)的有機(jī)碳。細(xì)菌在具有微量有機(jī)物的管網(wǎng)中生存是可能的，一方面寡養(yǎng)生境中的細(xì)菌具有其獨(dú)特的饑餓生存適應(yīng)方式，可在很短時(shí)間內(nèi)急劇減小其細(xì)胞體積和內(nèi)源呼吸來(lái)減少營(yíng)養(yǎng)要求，而細(xì)菌的總數(shù)不變，并為有高營(yíng)養(yǎng)要求的細(xì)菌生長(zhǎng)創(chuàng)造條件。例如弧菌DW1在富營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)中的世代期為37 min，寡養(yǎng)條件下為57 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于水在管網(wǎng)中的停留時(shí)間T(T越長(zhǎng)，越有利于細(xì)菌的繁殖)。另一方面，出廠水事實(shí)上是一個(gè)混合基質(zhì)系統(tǒng)，其中大多數(shù)(很可能是絕大多數(shù))基質(zhì)可被幾種能在飲用水嚴(yán)格處理?xiàng)l件下存活和活動(dòng)的異養(yǎng)菌同時(shí)利用^［1］。此外，寡養(yǎng)生境中的細(xì)菌對(duì)除營(yíng)養(yǎng)匱乏以外的其他不利環(huán)境也有相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)能。?
　　1.3 管網(wǎng)內(nèi)細(xì)菌的抗毒性?
　　飲用水中常見的剩余消毒劑是液氯，此外還有氯胺(一氯胺)。消毒劑的效力與其自身的性質(zhì)、劑量、被毒殺對(duì)象的生理狀態(tài)及環(huán)境條件等因素有關(guān)，細(xì)菌能在管網(wǎng)中繁殖是因?yàn)槠鋵?duì)消毒劑有抗性^［2］。?
　　單個(gè)細(xì)菌的抗性與其生長(zhǎng)條件、胞外分泌物及其形成的莢膜有關(guān)。用肺炎克雷伯式菌(Klebsiella pneumoniae)的兩種菌株(一種有莢膜，一種為無(wú)莢膜的變體)的試驗(yàn)表明，莢膜物質(zhì)量的大小不影響細(xì)胞對(duì)余氯(自由氯)和一氯胺的敏感性。與高營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)相比，貧營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)下生長(zhǎng)的細(xì)菌具有較高的抗性。如有莢膜、無(wú)莢膜的肺炎克雷伯式菌株在貧營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)下生長(zhǎng)對(duì)自由余氯的抗性分別增加了3倍、2倍；生長(zhǎng)于貧營(yíng)養(yǎng)“自然生境”中的肺炎軍團(tuán)菌(Legionella pneumoniae)比營(yíng)養(yǎng)瓊脂中生長(zhǎng)的細(xì)菌有6～9倍之多的抗性，其原因可能與細(xì)菌在貧營(yíng)養(yǎng)、有消毒劑存在下細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)與內(nèi)含物的變化有關(guān)。Rudd等發(fā)現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)、有余氯條件下，細(xì)菌莢膜物質(zhì)主要以膠體形式的聚合物存在，而高速生長(zhǎng)條件下的莢膜物質(zhì)多處于溶解狀態(tài)；Berg等推測(cè)抗性的增加可能是由于細(xì)胞膜的滲透性較低；Olson等發(fā)現(xiàn)對(duì)氯敏感和具抗性的小腸結(jié)腸炎耶爾森氏菌(Yersinia enterocolitica)在細(xì)胞蛋白組成上存在差異^［2］。此外，很多研究表明細(xì)菌的抗性也可因細(xì)菌附著于物體表面而增強(qiáng)，顆粒物質(zhì)、管壁等的表面對(duì)附著于其上的細(xì)菌有保護(hù)作用。
　　群集的細(xì)菌或其生物膜具有很強(qiáng)的抗余氯性，生物膜齡增加，抗性也增加。其原因很可能與生物膜的表面性質(zhì)有關(guān)，生物膜對(duì)其表面水流具有粘滯性，可有效地濃集水流中的有機(jī)物和濁度物質(zhì)，相對(duì)減輕了余氯對(duì)生物膜表面細(xì)菌的傷害；另一方面，表面細(xì)菌具有生態(tài)位優(yōu)勢(shì)，生理活性較強(qiáng)，再加上長(zhǎng)期的貧營(yíng)養(yǎng)鍛煉，因而抗自由余氯的毒性較強(qiáng)。但一氯胺與胞外多糖不反應(yīng)，殺菌力受細(xì)菌聚集和生物膜齡的影響很小，用于管網(wǎng)水消毒效果比自由余氯好，但其殺菌效力較低。

　　2 防治對(duì)策

　　從本質(zhì)上看，細(xì)菌在管網(wǎng)中的生長(zhǎng)可以歸結(jié)為三個(gè)根本因素：管道的材質(zhì)與內(nèi)表面特征，管網(wǎng)水中有機(jī)物的含量與類型，消毒劑的種類、劑量與投加方式。防治管網(wǎng)細(xì)菌繁殖應(yīng)從這三方面入手。?
　　2.1 管道的材質(zhì)
　　管道的防腐性能與管道的光滑性將直接影響細(xì)菌的附著、抗毒性與繁殖。有效的管道防腐處理、內(nèi)表面光滑處理和其他處理，甚至采用具備優(yōu)良性能的管材對(duì)舊管道進(jìn)行更新，加強(qiáng)管網(wǎng)的檢修與維護(hù)，定期沖洗，盡量縮短水在管網(wǎng)中的停留時(shí)間等都會(huì)有明顯的防治作用。
　　2.2 選擇合適的消毒劑與投加方式
　　次氯酸與其鹽類、ClO₂和一氯胺對(duì)不同表面上生長(zhǎng)細(xì)菌的消毒能力研究表明^［3］，一氯胺的消毒效果優(yōu)于其他消毒劑，對(duì)生物膜的消毒效力與自由氯相當(dāng)(以重量計(jì))。鐵管中含4.0mg/L的剩余一氯胺時(shí)，處理兩周可使生物膜的死亡率超過(guò)99.99%，而在同樣條件下自由余氯達(dá)2.5～3.5mg/L時(shí)，對(duì)生物膜沒有顯著影響，但相同條件下氯胺消毒的CT值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由氯消毒的CT值。?
　　合適的消毒劑投加方式對(duì)控制管網(wǎng)細(xì)菌危害有顯著作用，相關(guān)研究證實(shí)了這一點(diǎn)。分次加氯、在工藝流程中一定部位同時(shí)加氯和胺或先預(yù)加氯后以氯胺維持余氯都是可行的。值得注意的是，不論是氯還是氯胺消毒，都能使生物可同化的有機(jī)碳(AOC)增加而有利于細(xì)菌增殖，并形成更具危害的消毒副產(chǎn)物，由于兩者對(duì)消毒劑量的要求具有矛盾性，因而具體采取何種消毒劑、何種投加方式需經(jīng)試驗(yàn)確定。
　　2.3 強(qiáng)化水處理工藝
　　AOC是有機(jī)物中最易被微生物合成菌體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，尤其是對(duì)異養(yǎng)菌生長(zhǎng)繁殖最有利，是表征管網(wǎng)水中細(xì)菌生長(zhǎng)的指標(biāo)之一。管網(wǎng)水中AOC＜50μgC(乙酸碳)/L時(shí)，細(xì)菌的生長(zhǎng)就受到限制，故美國(guó)建議標(biāo)準(zhǔn)為AOC＜50～100μgC/L，我國(guó)建議的近期目標(biāo)為AOC＜200μgC/L，遠(yuǎn)期目標(biāo)AOC＜100μgC/L^［4］。表1、2是某市飲用水部分小試工藝與實(shí)際水廠AOC的去除效果，工藝流程均為：原水→混凝→沉淀→砂濾→活性炭→出水，原水AOC在200～300μgC/L左右。

　　可見，組合工藝對(duì)AOC有明顯的去除效果，水溫高，出水AOC值低，去除率也高。小試工藝中7月份出水AOC較高、AOC去除率較低，這與該月降雨較多、一部分地表徑流影響原水水質(zhì)有關(guān)；沒有活性炭的常規(guī)工藝去除AOC相對(duì)較差，說(shuō)明活性炭上生長(zhǎng)的生物膜(常稱生物活性炭)對(duì)去除AOC作用很大。O₃處理可使出水中AOC倍增^［3］。對(duì)于AOC超過(guò)300μgC/L的原水，建議增加或變更處理措施。

　　3 結(jié)論

　　①管網(wǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)是管道表面性質(zhì)，管道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，寡養(yǎng)生境中細(xì)菌的生態(tài)適應(yīng)性，消毒劑的性質(zhì)、劑量與投加方式共同作用的結(jié)果。寡養(yǎng)生境下細(xì)菌的生態(tài)適應(yīng)性對(duì)管網(wǎng)中細(xì)菌的抗毒性具有很大意義。
　?、诟牧肌⑻幚砼c更新管道材料，加強(qiáng)管網(wǎng)的維護(hù)管理，選擇適當(dāng)?shù)南緞?、劑量與投加方式可有效防治管網(wǎng)中細(xì)菌的生長(zhǎng)。
　?、鄢Ｒ?guī)處理+生物活性炭+消毒工藝有較好的AOC去除能力，是控制管網(wǎng)細(xì)菌的有效手段之一；對(duì)較高?AOC(＞300μgC/L)的原水，建議增加或變更處理措施。

　　參考文獻(xiàn)：
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［3］Le Chevallier M W, et al .Evaluating the performance of biologically active rapid filters［J］.J AWWA,1992,4:137-146.
［4］吳紅偉，等.水廠常規(guī)工藝去除可生物同化有機(jī)碳的研究［J］.中國(guó)給水排水，1995，15(9)：9.

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收稿日期：2000-02-16