AOC在給水管網中的變化規律和控制標準研究

劉文君 王占生
（清華大學環境科學與工程系，北京，100084）

　　摘要：本文主要討論了生物可同化有機碳（AOC）在給水管網中的變化規律模型，在分析某市典型水廠給水管網中AOC 含量特點和水質特點后提出了我國給水管網中AOC控制濃度的建議值，以保證管網水的生物穩定性，控制細菌在管網中的繁殖。

　　AOC（Assimilable Organic Carbon，生物可同化有機碳）是指飲用水中有機物能被細菌同化成生物體的部分，它是衡量飲用水生物穩定性也即細菌在飲用水中生長潛力的水質參數。在詳細分析某市 5個典型水廠管網水中AOC的變化特性基礎上，結合氯和氯胺對AOC的影響和細菌對有機營養基質的的利用，初步建立 AOC在給水管網中變化規律的一般模型。模型的建立將有助于理解AOC變化的普遍規律，并根據各地的具體情況分析其管網中 AOC的變化特點，從而采取相應的對策。
　　根據前面的分析，在水廠加氯后水中AOC的變化主要受氯氧化作用和細菌分解作用的影響。因此加氯后清水池或管網中（如果在二泵站加氯則只對管網點而言）任一點水中 AOC的濃度可由公式(1)表示。

　　　　AOC = AOC_O+ AOC_Cl-AOC_B　　　　　　(1)
　　式中　AOC：加氯后管網中任意一點水中AOC的實際濃度；
　　　　　AOC_O：加氯前水中AOC的實際濃度；
　　　　　AOC_Cl：加氯后由于氯氧化引起的AOC增加的濃度；
　　　　　AOC_B：由于細菌利用使AOC降低的濃度。

　　式(1)表明加氯后管網中任一點水中AOC的濃度等于加氯前水樣中AOC的濃度與加氯后氯氧化作用使AOC濃度增加部分之和再減去細菌對AOC利用引起的濃度下降部分。由于目前還缺少精確的數學模型來描述氯氧化和管網中細菌利用對水中 AOC影響，因此建立定性化的概念模型來描述這種變化，以便更深入理解AOC在管網中的變化規律。根據氯和氯胺對AOC 的影響特點不同，模型分成兩個基本類型：氯消毒型和氯胺消毒型。

　　一、 AOC在給水管網中的變化模型

　　1. 氯消毒型
　　圖1為氯消毒型水廠其管網水中AOC的變化趨勢圖。A線表示水處理廠加氯前水中AOC的本底濃度(AOC_O)，此值為定值；B線表示由于水廠加氯引起AOC增加量(AOC_Cl)的變化，由于氯與有機物反應生成AOC較快，在20℃時30min可以達到最大，因此B線在較短時間達到最大，然后不再變化。如果水廠在清水池進水口加氯，則B線中AOC增加的過程隨清水池停留時間的長短和流態的不同而可能完全發生在廠內或離廠較近的管網區。C線為細菌利用引起的AOC減少量(AOC_B)的變化，離水廠越遠，減少越多；D線是出廠水AOC實際濃度的變化趨勢，是上述三條線總和的結果，即出廠水加氯前的AOC值加上氯氧化后增加值再減去細菌的消耗值。D線的峰點為出廠水AOC在管網中達到最大濃度的位置，在峰點前AOC增加，在峰點后AOC減少。也即一般情況下管網水中AOC先增加后減少的現象。

　　根據不同的情況峰點位置有所區別：如果加氯后水在廠內有足夠的停留時間，峰點就在廠內，管網中AOC將一直下降，如水廠1春秋季的情況；如果加氯后在水廠停留時間不夠，氯氧化的AOC未完全生成，則峰點在管網中；如果用水量大，管網水流速快，如夏季用水高峰，峰點將向遠離水廠的方向移動；如果用水量小，管網水流速慢，峰點將向近水廠方向移動。從抑制細菌生長而言，峰點離水廠越遠越有利，能使峰點前的管網水中AOC含量相對較少，減少細菌生長的營養物。

　　水溫對AOC的變化也有一定的影響，因為溫度的變化影響細菌的活性和氯氧化速度，對前者的影響是主要的。在冬季水溫較低時(<5℃)氯消毒型管網水AOC變化由圖1基本型變成圖2的低溫型。由于細菌活性受到很大程度的抑制，對AOC的消耗較少，而氯氧化速度相應降低，因此使峰點向遠離廠區方向移動，甚至在管網中沒有峰點出現，使管網中AOC持續上升，如本研究中三個地表水源水廠冬季管網中AOC的變化。
　　2. 氯胺消毒型
　　圖3為氯胺消毒型水廠其管網水中AOC的變化趨勢圖。各條線意義同圖1，只是氯變成氯胺。由于氯胺與有機物反應生成AOC較慢，因此B線達到最大值時間要長，然后不再變化。如果整個管網的水力停留時間不能滿足氯胺氧化的要求，則B線可能不會有平臺，呈持續上升趨勢。與氯消毒型相比，在相同條件下D線的峰點向遠離水廠方向移動。在小型給水管網或大型給水管網的用水高峰期，由于水力停留時間短，管網中最長的管線也可能不出現氯胺消毒型的峰點，管網末梢處于峰點與水廠之間的位置。因此氯胺消毒對控制AOC的生成和細菌生長有利。
　　在溫度較低的季節氯胺消毒型管網水AOC變化趨勢線與圖2類似，只是氯胺氧化引起AOC的變化更慢，使管網中AOC的變化曲線D更趨平緩，對控制細菌的生長更有利。概而言之，在低溫條件下管網中細菌生長受到水溫低、營養少的不利影響，如果冬季水源不受意外污染，管網水中冬季的細菌學危害相對較小。夏季則是應該重點注意的季節，好在夏季水溫高能使水處理工藝對AOC的去除效率提高，使加氯胺前AOC濃度相對降低，也降低了細菌的過度繁殖。

　　二、 飲用水中AOC控制標準的探討

　　1. 飲用水中AOC現狀分析
　　某市的5個典型自來水廠的水源水質、處理工藝和出廠水、管網水水質在國內頗有代表性，分析其水質特點可以為提出國內飲用水AOC44的控制標準提供參考。
　　飲用水中AOC的現狀分析
　　5個水廠出廠水、管網水和管網末梢水中AOC在不同季節中濃度如表1所示。每個水廠所有水樣AOC濃度分布情況見表2。三個地表水源水廠中，水廠1 AOC最低為97mg/L，最高為285mg/L，低于200mg/L的水樣占其總水樣的80%，低于100mg/L的水樣約占7%，是三個地表水源水廠中AOC平均濃度最低的水廠，也是包括地下水源水廠在內的5個水廠中AOC濃度最低的水廠。水廠2最低為121mg/L，最高為313mg/L，所有水樣中低于200mg/L占40%，沒有低于100mg/L的水樣，其總體AOC濃度水平居中游。水廠3 AOC最低為111mg/L，最高為293mg/L，水樣中AOC低于200mg/L占總水樣的33%，沒有低于100mg/L的水樣，水樣AOC濃度總體水平在三個地表水源水廠中最高。說明AOC含量與水源水質密切相關。

注：取樣時間順序為96年冬、97年春、97年夏、97年秋和98年春

　　地下水源水廠中水廠4 AOC最低為92mg/L，最高為296mg/L，低于200mg/L占總水樣的54%左右，低于100mg/L占7%，是兩個地下水源水廠中AOC含量較少的水廠。水廠5 AOC最高為482mg/L，最低97mg/L，在97年與水廠1 供水混合后AOC濃度有一定降低，所有水樣中低于200mg/L占47%，低于100mg/L 占7%。
　　5個水廠水樣中低于100mg/L僅占總水樣的4%，低于200mg/L占50%，因此基本上都達不到國外學者提出的在加氯條件下50～100mg/L的AOC控制要求，其它的研究也確實證明該市給水管網中管壁上普遍存在細菌生長的現象，因此該市飲用水屬生物不穩定的飲用水。

　　2. 飲用水AOC控制標準的探討
　　AOC是反應飲用水生物穩定性，即水中能成為細菌營養物的有機物含量多少的替代參數，因此研究AOC含量和給水管道中細菌生長情況之間的關系以確定合適的AOC控制濃度便是目前這方面研究中的重點。國外研究者的研究方法主要是基于對實際管道中細菌生長情況和AOC含量的實測值進行統計分析，然后提出控制標準，這方面的領先者無疑是荷蘭的Van Der Kooij教授。他研究認為在保持適量余氯的條件下，出廠水AOC濃度在50～100mg/L或不加氯時保持10～20mg/L 時可以達到水質生物穩定（即不會引起細菌在其中生長）。Louis A. Kaplan等人對美國和加拿大的79個水廠調查表明95%的地表水源水廠和50%的地下水源水廠不能達到50～100mg/L的標準，所有的水廠均不能達到10～20mg/L的標準。
　　要準確的確定這一指標是十分困難的，應該進行長期的模擬管網試驗，研究管網中細菌生長特性，綜合考慮影響管網中細菌生長的各項因素，如：余氯、水溫、有機營養物和其它因素，才能提出科學的指標。對給水管網中細菌生長特性和飲用水生物穩定性關系的研究是近年來研究的新課題，因此還缺少比較全面的研究成果和足夠的基礎數據，國外目前也沒有立法規定的AOC控制標準的先例，只是一些研究者根據本人的研究成果提出了建議值。
　　就國內而言，清華大學1995年首先開展對飲用水AOC特性的初步研究，1996年開始比較系統和全面地研究典型水廠中AOC特性，積累了一批有價值的基礎數據。根據研究結果并基于以下幾點原因，提出我國飲用水AOC的控制建議值分別為：200mg/L。
　　(1). 以目前水質最優水廠AOC濃度作參考。所調查的5個水廠中水廠1水源水質居全國領先水平，采用常規處理和活性炭深度處理結合的處理工藝水平也屬國內領先，因此水廠1可以作為較優水質的代表，其自來水中AOC代表了目前國內地表水源水廠可能達到的最好水平。水廠1水中AOC濃度低于200mg/L的水樣占其總水樣的80%，因此大多數情況下是低于建議值的。
　　(2). 水廠采用一定的處理技術后可以達到的標準要求。盡管水廠1目前也不能完全達到AOC的控制建議值，但根據對其工藝的分析可以肯定，在選擇合適的加氯方式、強化其常規處理效果和強化活性炭上微生物功能后是完全有可能達到的。生物處理技術在飲用水處理中的應用也是本建議值可以達到的保證之一。有研究表明：某自來水廠水源水AOC達774mg/L，經常規工藝處理出水AOC為339mg/L，而單經生物預處理即可達214mg/L，去除率達72.35%；生物預處理與混凝沉淀的組合出水可達49mg/L，低于200mg/L。盡管這只是中試研究結果，與實際規模的水處理結果會有一定的差距，也說明生物處理對降低AOC有美好前景。膜技術在給水處理中應用也是降低飲用水中AOC含量的有效手段。因此即使其它水源水質相對較差的水廠，在采用合適的處理技術后是可以達到此建議值的。而且如果制定的控制標準要求太高，目前的原水水質與水處理水平是根本達不到要求的。
　　(3) 提出的控制標準能在一定程度上防止細菌在管道中的生長。盡管被研究城市的給水管網中發現管壁普遍有細菌生長的現象，但在研究中所取管網水樣未發現有細菌和大腸桿菌檢出。國內其它城市的管網水中普遍存在檢出細菌的情況，大腸桿菌也有部分檢出，且細菌和大腸桿菌隨管網延長而增加。因此說明被研究城市飲用水目前的AOC含量水平盡管不能完全控制細菌生長，但在一定程度上可以抑制細菌的過度繁殖，保證管網水細菌學指標合格。如果其它水廠均達到AOC 200mg/L的要求，對提高國內飲用水水質是十分有利的。