管网生物膜对氯衰减和消毒副产物三卤甲烷生成的影响

发布时间：2020-04-03 17:59

【摘要】：随着社会经济的快速发展与城市化进程的加速,饮用水的安全问题日益引起人们的关注。饮用水中营养物质含量低,自来水厂出厂水中未被消毒剂灭活的细菌,在给水管网系统中容易附着到营养相对丰富的给水管壁表面,这些活细菌、死细菌及其细胞碎片和胞外聚合物(EPS)形成三维异质结构的管壁生物膜。生物膜一方面保护了病原菌免于消毒剂的作用,另一方面增加病原菌在生物膜上富集。通过病原菌的富集和吸附可以增强对消毒剂的抵抗性,但是一旦发生生物膜脱落,就会增加病原菌的脱附和消毒副产物带来的水质风险。因此保障供水安全的最后一公里具有重要意义。本文通过在3个不同水厂搭建生物膜生长模拟装置,研究水厂原水水质和水处理工艺对管网生物膜生长的影响以及后续氯消毒过程中消毒副产物三卤甲烷的生成情况。根据实验数据模拟得到滤后水和生物膜各自的氯衰减和三卤甲烷生成模型,探究了水中天然有机物和生物膜对氯的消耗程度以及对消毒副产物的生成贡献。主要研究结论如下:(1)建立了三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷4种三卤甲烷消毒副产物的HS-GC/MS检测方法,4种待检消毒副产物浓度与仪器响应丰度值呈良好线性关系,4种目标物的相关系数R~2均在0.99以上,方法的回收率在90%~110%之间,建立了DNA提取与qPCR定量分析方法,用于3套管网模拟装置中生物膜样品的分子生物学分析。(2)在厦门3个不同原水和水处理工艺的自来水厂,搭建中试规模的PVC管道环路装置用于生物膜的培养。生物膜培养期间,对进入装置的滤后水和装置的左右出水进行为期一年的水质检测。研究发现生物膜的生长情况受水质的直接影响,不同的水质条件下生长的生物膜完全不同。水中颗粒物与藻类是影响生物膜生长的关键因素,水厂的处理条件潜在影响供水管网中生物膜的形成。(3)研究发现供生物膜生长的滤后水和生物膜与消毒剂之间的作用过程不同。滤后水对氯的消耗与三卤甲烷的生成情况可用二级反应动力学模型拟合,拟合相关系数均在0.9以上,拟合效果好。3套管网装置培养的生物膜与消毒剂氯反应后,使用反应-扩散传质模型对氯的消耗进行数据拟合,并通过Kolmogorov-Smirnov数据检验,结果表明实际检测的余氯浓度和拟合得出的浓度,二者之间没有显著差异,该模型对数据的拟合效果较好。(4)生物膜和滤后水对氯的消耗程度存在显著性不同。实验结果显示:初始浓度为4 mg/L的余氯分别与滤后水、生物膜反应,48h后,取自3个水厂的滤后水中余氯残留量平均值为3.36 mg/L;而水厂生物膜管道中余氯的残留量平均值为0.39 mg/L,90%的余氯被消耗,且有60%是在1h内消耗的。研究结果表明:生物膜在短时间内可快速大量地消耗氯,而滤后水对氯的消耗速度较为缓慢,最终消耗量仅有0.7 mg/L。因此,管网中的生物膜消耗管道内大部分的游离氯。(5)生物膜和滤后水对消毒副产物的生成贡献也存在显著性差异。在三卤甲烷的生成过程中,反应前期,生物膜中THMs的生成速度比滤后水慢。6h内,滤后水THMs生成量占总量的84%,而生物膜THMs生成量只占总量的40%;反应后期,滤后水生成THMs的量不再增加,而生物膜生成的THMs量还在持续增加,最终二者THMs的生成量基本持平,可见生物膜生成THMs的潜力大于滤后水。
【图文】：

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第 1 章绪论1.1 饮用水的水质安全水是生命之源，是人类生存和发展必不可少的最重要的物质资源。让所有人都能得到满意（充足、安全、易得）的供水，应尽一切努力饮用水的安全[1]。向公众供应安全饮用水是 19 世纪的重大技术进步之时也是一项重大技术挑战[2-4]。在发展中国家和工业化国家，越来越污染物由于人类活动而进入饮用水：重金属，药物，内分泌干扰物，化合物，阻燃剂等[5, 6]。根据《2016 年中国环境状况公报》[7]，，1940 控地表水监测断面(点位)水质监测结果显示，Ⅰ-Ⅲ类 1316 个，占 67.8%-Ⅴ类 458 个，占 23.6%；劣Ⅴ类 166 个，占 8.6%，地表水污染状况不容乐观。

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1.2 供水管网水质恶化与微生物污染人们普遍认为，饮用水供应的最终目标应该被视为在用户的水龙头处提供高质量的饮用水，而不仅仅是在离开处理厂时。经过处理的饮用水进入分配系统时，仍包含物理负荷（颗粒），微生物负荷（活生物质）和营养负荷（有机和无机营养物质）[15, 16]，见图 1.2。在通过饮用水管网系统将这些处理过的水输送给消费者的过程中，管壁-水界面处发生的相互作用——构成一个庞大复杂的“反应器”[17]，在其中会发生一系列的物理化学、生物反应，从而导致饮用水变色，消毒剂衰减，细菌滋生[2, 18, 19]。这就使得原本在自来水厂符合（国际）国家质量标准的出厂水，经过管网运输后，在用户水龙头饮用水水质下降，出现水质不合格的现象[20]。在世界范围内已经观察到众多相关的水质恶化情况：例如，与水处理厂相比，在用户的水龙头处发现浊度和颗粒数更高、细胞数和指示的微生物更多的情况[21, 22]。在极端情况下，还在水龙头处观察到水变色（也称为脏水，红水）的情况[23, 24]。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU991.2

【参考文献】