給水管網的細菌生長可能機制與防治對策

余國忠，王根鳳，龍小慶，吳紅偉，王占生
（清華大學環境科學與工程系，北京100084）

　　摘要：城市給水管網細菌生長是管道的表面性質，細菌對寡養生境的生態適應與消毒劑的性質、劑量、投加方式等共同作用的結果。改良、處理與更新管道材料，選擇適當的消毒劑與劑量，采用合適的投加方式，使用常規處理+活性炭+消毒(AOC＜300μg乙酸碳/L時)工藝或預處理+常規處理+活性炭+消毒(AOC＞300μg乙酸碳/L時)工藝，可有效控制管網細菌生長。?
　　關鍵詞：飲用水；管網；細菌生長；AOC；防治?
　　中圖分類號：TU991.25
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)08-0018-03

　　自20世紀30年代末在經過加氯消毒的給水管網中發現細菌生長以來，管網中細菌繁殖及其引起的問題受到人們的關注。調查發現，管網中細菌的大量繁殖可加劇管道腐蝕，產生鐵銹和管垢，消耗水中溶解氧，提高水色和水的不良氣味，增大濁度和細菌平板計數，產生生物粘泥，為大型生物體和致病菌的出現、繁殖創造條件，形成生物不穩定的水，甚至造成管道阻塞、爆管、斷管等嚴重問題，直接威脅凈水廠運行和人民身體健康安全。?

　　1 給水管網中細菌生長的可能機制

　　1.1 管道及管內水流特征的影響
　　自然環境中，許多細菌由于分泌胞外多糖(EPS，可形成莢膜)而相對親水，但管道內的湍流效應對細菌著生顯然不利。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養物質濃度梯度的存在可以使運動細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靜止的管道內，直徑＜0.1μm的細菌可通過布朗運動可逆地移向管壁。受管壁表面固有性質和由于表面的分子吸附而使這些性質被改變的影響，細菌到管壁表面有可逆與不可逆兩種粘附方。Marshell等認為細菌的可逆粘附可通過瞬間引力、布朗運動、DLVO理論、聚合物架橋來實現，其中聚合物架橋可能是細菌牢固粘附于表面的主要機制。在可逆粘附發生過程中，有可能使管壁表面性質與細菌分泌的、粘附于管壁的有機物性質發生某些變化，并隨之發生不可逆粘附(此過程具有時間依賴性)，一旦發生不可逆粘附，表明細菌在管壁定居成功。目前大多數的給水管內壁表面特征(表面電荷、表面自由能和表面粗糙度等)還不足以阻止細菌的粘附，此外管道化學腐蝕也有助于細菌滋生。?
　　1.2管網內寡養生境與細菌的生態適應
　　絕大多數細菌的長度或直徑在0.15～2.0μm之間，其中尺寸較小的大部分是寡養類，很多天然微生物處于寡養生境，Poindexter把寡養生境定義為營養物流近乎0～1mg/(L·d)的有機碳。細菌在具有微量有機物的管網中生存是可能的，一方面寡養生境中的細菌具有其獨特的饑餓生存適應方式，可在很短時間內急劇減小其細胞體積和內源呼吸來減少營養要求，而細菌的總數不變，并為有高營養要求的細菌生長創造條件。例如弧菌DW1在富營養基質中的世代期為37 min，寡養條件下為57 min，遠遠短于水在管網中的停留時間T(T越長，越有利于細菌的繁殖)。另一方面，出廠水事實上是一個混合基質系統，其中大多數(很可能是絕大多數)基質可被幾種能在飲用水嚴格處理條件下存活和活動的異養菌同時利用^［1］。此外，寡養生境中的細菌對除營養匱乏以外的其他不利環境也有相應的適應機能。?
　　1.3 管網內細菌的抗毒性?
　　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、劑量、被毒殺對象的生理狀態及環境條件等因素有關，細菌能在管網中繁殖是因為其對消毒劑有抗性^［2］。?
　　單個細菌的抗性與其生長條件、胞外分泌物及其形成的莢膜有關。用肺炎克雷伯式菌(Klebsiella pneumoniae)的兩種菌株(一種有莢膜，一種為無莢膜的變體)的試驗表明，莢膜物質量的大小不影響細胞對余氯(自由氯)和一氯胺的敏感性。與高營養基質相比，貧營養基質下生長的細菌具有較高的抗性。如有莢膜、無莢膜的肺炎克雷伯式菌株在貧營養基質下生長對自由余氯的抗性分別增加了3倍、2倍；生長于貧營養“自然生境”中的肺炎軍團菌(Legionella pneumoniae)比營養瓊脂中生長的細菌有6～9倍之多的抗性，其原因可能與細菌在貧營養、有消毒劑存在下細胞的形態結構與內含物的變化有關。Rudd等發現貧營養、有余氯條件下，細菌莢膜物質主要以膠體形式的聚合物存在，而高速生長條件下的莢膜物質多處于溶解狀態；Berg等推測抗性的增加可能是由于細胞膜的滲透性較低；Olson等發現對氯敏感和具抗性的小腸結腸炎耶爾森氏菌(Yersinia enterocolitica)在細胞蛋白組成上存在差異^［2］。此外，很多研究表明細菌的抗性也可因細菌附著于物體表面而增強，顆粒物質、管壁等的表面對附著于其上的細菌有保護作用。
　　群集的細菌或其生物膜具有很強的抗余氯性，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有關，生物膜對其表面水流具有粘滯性，可有效地濃集水流中的有機物和濁度物質，相對減輕了余氯對生物膜表面細菌的傷害；另一方面，表面細菌具有生態位優勢，生理活性較強，再加上長期的貧營養鍛煉，因而抗自由余氯的毒性較強。但一氯胺與胞外多糖不反應，殺菌力受細菌聚集和生物膜齡的影響很小，用于管網水消毒效果比自由余氯好，但其殺菌效力較低。

　　2 防治對策

　　從本質上看，細菌在管網中的生長可以歸結為三個根本因素：管道的材質與內表面特征，管網水中有機物的含量與類型，消毒劑的種類、劑量與投加方式。防治管網細菌繁殖應從這三方面入手。?
　　2.1 管道的材質
　　管道的防腐性能與管道的光滑性將直接影響細菌的附著、抗毒性與繁殖。有效的管道防腐處理、內表面光滑處理和其他處理，甚至采用具備優良性能的管材對舊管道進行更新，加強管網的檢修與維護，定期沖洗，盡量縮短水在管網中的停留時間等都會有明顯的防治作用。
　　2.2 選擇合適的消毒劑與投加方式
　　次氯酸與其鹽類、ClO₂和一氯胺對不同表面上生長細菌的消毒能力研究表明^［3］，一氯胺的消毒效果優于其他消毒劑，對生物膜的消毒效力與自由氯相當(以重量計)。鐵管中含4.0mg/L的剩余一氯胺時，處理兩周可使生物膜的死亡率超過99.99%，而在同樣條件下自由余氯達2.5～3.5mg/L時，對生物膜沒有顯著影響，但相同條件下氯胺消毒的CT值遠遠大于自由氯消毒的CT值。?
　　合適的消毒劑投加方式對控制管網細菌危害有顯著作用，相關研究證實了這一點。分次加氯、在工藝流程中一定部位同時加氯和胺或先預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碳(AOC)增加而有利于細菌增殖，并形成更具危害的消毒副產物，由于兩者對消毒劑量的要求具有矛盾性，因而具體采取何種消毒劑、何種投加方式需經試驗確定。
　　2.3 強化水處理工藝
　　AOC是有機物中最易被微生物合成菌體的營養物質，尤其是對異養菌生長繁殖最有利，是表征管網水中細菌生長的指標之一。管網水中AOC＜50μgC(乙酸碳)/L時，細菌的生長就受到限制，故美國建議標準為AOC＜50～100μgC/L，我國建議的近期目標為AOC＜200μgC/L，遠期目標AOC＜100μgC/L^［4］。表1、2是某市飲用水部分小試工藝與實際水廠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有關；沒有活性炭的常規工藝去除AOC相對較差，說明活性炭上生長的生物膜(常稱生物活性炭)對去除AOC作用很大。O₃處理可使出水中AOC倍增^［3］。對于AOC超過300μgC/L的原水，建議增加或變更處理措施。

　　3 結論

　　①管網細菌生長是管道表面性質，管道內水流運動特點，寡養生境中細菌的生態適應性，消毒劑的性質、劑量與投加方式共同作用的結果。寡養生境下細菌的生態適應性對管網中細菌的抗毒性具有很大意義。
　　②改良、處理與更新管道材料，加強管網的維護管理，選擇適當的消毒劑、劑量與投加方式可有效防治管網中細菌的生長。
　　③常規處理+生物活性炭+消毒工藝有較好的AOC去除能力，是控制管網細菌的有效手段之一；對較高?AOC(＞300μgC/L)的原水，建議增加或變更處理措施。

　　參考文獻：
　　［1］Marshell K C, et al .Role of bacterial adhesion in biofilm formation and biocorrosion［A］.Proceedings of the international workshop on industrial biofouling and biocorrosion［C］.Stuttgart,1990，13-14.
　　［2］Lechevllier M W.Biocides and the current status of biofouling control in water system［A］.Proceedings of the international workshop on industrial bioforling and biocorrosion［C］.Stuttagrt,1990，23-24.
［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.水廠常規工藝去除可生物同化有機碳的研究［J］.中國給水排水，1995，15(9)：9.

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收稿日期：2000-02-16