论文部分内容阅读
饮用水中细菌的大量繁殖可能会导致水质恶化,如嗅味和色度增加、管网腐蚀加剧、当病原菌存在时还会大大增加水体的生物安全风险。因此,需要控制饮用水中细菌的数量并限制其再生长,目前最常用的方法是维持饮用水中一定浓度的消毒剂或控制细菌生长所需的营养物质如可生物同化有机碳(Assimilable organic carbon,AOC)和微生物可利用磷(Microbially assimilable phosphorus,MAP),使饮用水处于生物稳定。然而,消毒剂与水中有机物反应会产生对人体有害的消毒副产物如三氯甲烷和卤乙酸,所以越来越多的国家选择通过保持饮用水生物稳定性来控制细菌再生长,如荷兰、奥地利、瑞士和德国等。本文运用流式细胞仪研究了饮用水处理过程对细菌和生物稳定性的影响并建立了一种快速、灵敏的评价塑料管材生物稳定性的方法。 目前测定细菌总量和生物稳定性的方法相对比较复杂,耗时费力,重现性差。本研究首先建立和优化了利用流式细胞仪(Flow cytometry,FCM)快速测定水中细菌的方法。研究发现利用流式细胞仪测定细菌总数和细菌活性时,稀释液对细菌活性测定影响较大,添加乙二胺四乙酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid,EDTA)对于测定实际水中细菌和大肠杆菌均有很大影响;三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate,ATP)测定的标准曲线因不同水质背景而不同。这两种快速细菌定量方法(流式细胞仪和ATP法)较传统平板计数法更加快速(10-15分钟vs.2-3天),其结果较传统平板计数法结果每毫升高出100倍。这两种新方法(流式细胞仪和ATP法)之间具有很好的相关性(R2>0.92),但与传统平板法的相关性较差(R2<0.31)。本研究进而优化了生物稳定性的测定方法(AOC和MAP),主要包括接种液、计数方法和转换系数的优化。接种液使用Evian水代替P17和NOX,计数方法使用流式细胞仪代替平板计数法,AOC和MAP的转换系数分别为1×107cells/μg乙酸碳和1×109cells/μgP。 利用实验室建立的快速细菌测定方法和生物稳定性测定方法重新评价了常规饮用水处理过程和深度饮用水处理过程。研究发现混凝处理工艺能很好地降低水中细菌和MAP浓度,臭氧氧化能够完全灭活水中的细菌但却极大地提高了AOC的浓度,过滤可以降低水中细菌总数和AOC浓度,氯消毒会导致水体AOC含量增加,处理之后的自来水经过管网输送会导致AOC轻微的增加。常规饮用水处理过程对水中的MAP具有很好的控制作用,但是对AOC的控制效果较差,处理后出水AOC浓度高于安全阈值(30-50μg/L);深度饮用水处理对AOC的控制效果较好,出水AOC浓度稳定低于安全阈值,但因无混凝处理工艺对MAP的控制作用较差,出厂水MAP浓度较高。发现当水中不存在余氯时,AOC和MAP的比值将决定水中微生物再生长的限制因子。当AOC/MAP比值<100时,水中微生物再生长的限制因子主要是AOC;当AOC/MAP比值>100时,水中微生物再生长的主要限制因子是MAP。 对比研究了聚合氯化铝(PAC)、硫酸铝和氯化铁三种混凝剂处理哈尔滨磨盘山原水对细菌总数、细菌活性和微生物再生长潜能的影响,发现三种混凝药剂对其均具有很好的去除效能,其中以PAC效果最好。经混凝处理后,限制水体微生物再生长的限制因子从AOC变成了MAP。当磷限制水体微生物再生长时,水中细菌总数和微生物再生长潜能的去除率存在一定的关联,可通过测定水中细菌总数(Total cell count,TCC)的变化来预测微生物再生长潜能(Microbial growth potential,MGP)的变化,MGP去除率(％)=TCC去除率(%)*0.36+48.6,此时混凝过程控制水体细菌总数和微生物再生长潜能都是由于产生絮体的吸附作用。 研究了臭氧对内分泌干扰物邻苯二甲酸酯(Phthalic acid esters,PAEs)和微生物再生长潜能的影响。单独臭氧氧化邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丙酯(DPrP)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的二级速率常数分别为0.072M-1s-1,0.085M-1s-1,0.11M-1s-1和0.092M-1s-1;羟基自由基氧化DMP、DEP、DPrP和DBP的二级速率常数分别为2.67×109M-1s-1,3.98×109M-1s-1,4.47×109M-1s-1和4.64×109M-1s-1。实验得到的单独臭氧分子与PAEs的反应速率常数和羟基自由基和PAEs的反应速度常数具有很好的适用性,在实际水体背景下PAEs的降解和用研究得到速率常数模拟降解结果具有很好的一致性。用臭氧及臭氧/过氧化氢工艺对水体进行氧化处理后会增加其微生物再生长潜能,这主要是由于AOC的增加所致,其中羟基自由基对于AOC的形成具有明显的促进作用,形成的AOC主要与水中小分子有机物含量的增加有关。用臭氧及臭氧/过氧化氢工艺对水体进行氧化处理后还会导致水中MAP含量的增加。 本文建立了评价饮用水塑料管材生物稳定性的新方法(BioMig)。该方法主要由迁移实验、生物膜形成实验、病原菌形成潜能和毒性评价实验组成。该方法具有操作简单、易于推广、灵敏度高、重现性好等优点。讨论了BioMig的各种影响因素并对其进行优化,主要包括迁移实验的背景水体、S/V比例的选择、接种液的选择、溶解氧的变化规律、生物膜形成规律、生物膜脱落方式、细菌计数方法的选择等。对迁移测试的总有机碳(TOC)和AOC,Cronbach系数α(表示实验的重现性)分别为0.97和0.96;对生物膜形成潜能实验的pBPP、sBPP和BPP,Cronbach系数α分别为0.91、0.92和0.99,因系数α均大于0.9表明BioMig方法具有很好的重现性。运用BioMig评价了典型的饮用水塑料管材的生物稳定性。实验中选择的管网材料PEX-a和PEX-c具有很好生物稳定性,而密封材料EPDM2%和EPDM12%却具有很高的微生物再生长潜能。除EPDM20%外的其它管材均能支持三种病原菌的生长,其中P.aeruginosa比E.coli O157和V.cholerae在迁移水中具有更高的生长潜能。EPDM20%具有很高的释放有机物的潜能,但是由于其毒性作用不能支持微生物在溶液及材料表面生长。