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我國(guó)水源水中總磷含量的研究之磷作為限制因子的意義與分析

2011-06-20

                                我國(guó)水源水中總磷含量的研究之磷作為限制因子的意義與分析
 給水管網(wǎng)中異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)會(huì)造成飲用水濁度、色度的增加，致病菌的出現(xiàn)，管網(wǎng)的腐蝕等一系列問(wèn)題。生物穩(wěn)定的飲用水，是指在給水管網(wǎng)中不會(huì)引起異養(yǎng)細(xì)菌等微生物再生長(zhǎng)的飲用水。飲用水生物穩(wěn)定性的研究，早在20世紀(jì)70年代就已引起研究人員的廣泛關(guān)注。長(zhǎng)期以來(lái)，飲用水中可生物降解的有機(jī)物，特別是可同化有機(jī)碳(Assimilable Organic Carbon，AOC)含量的高低，被普遍認(rèn)為是控制給水管網(wǎng)中細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因素。近年來(lái)磷對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的影響引起了研究人員的關(guān)注。1996年，《Nature》上發(fā)表了Ilkka T Mlettinen博士的一篇論文，指出了磷源成為引起管網(wǎng)細(xì)菌再生長(zhǎng)限制因子的情況。這一發(fā)現(xiàn)改變了可生物降解有機(jī)物是飲用水生物穩(wěn)定性的惟一限制因子的傳統(tǒng)觀念，為提高飲用水生物穩(wěn)定性提出了新的途徑。
   
   1、 磷作為限制因子的意義與分析

　　    磷作為飲用水生物穩(wěn)定性限制因子的發(fā)現(xiàn)，具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。它改變了可生物降解有機(jī)物是飲用水生物穩(wěn)定性中的惟一限制因子的傳統(tǒng)觀念，對(duì)于飲用水處理領(lǐng)域具有重要的指導(dǎo)意義。研究表明，在磷源是細(xì)菌生長(zhǎng)的限制因子的情況下，水中磷的少量增加將會(huì)大大提高細(xì)菌的生長(zhǎng)能力。因此在飲用水處理過(guò)程中，如果采用有效手段盡可能降低飲用水中磷的含量，使磷成為飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子，這樣在飲用水中有機(jī)物濃度相對(duì)較高的情況下，仍然可以有效抑制管網(wǎng)細(xì)菌的再生長(zhǎng)，保證飲用水的生物穩(wěn)定性。由此為減少消毒過(guò)程的加氯量，降低消毒副產(chǎn)物的形成，提高飲用水生物穩(wěn)定性，改善飲用水水質(zhì)提供了一個(gè)新的思路。

　　在我國(guó)，飲用水水源的污染已經(jīng)成為一個(gè)普遍的事實(shí)，其中有機(jī)物的超標(biāo)是許多水源面臨的主要問(wèn)題之一。自來(lái)水廠出水的AOC大多超出100μg/L，BDOC往往高于0.5mg/L，難以達(dá)到保證飲用水生物穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)（AOC<50～100μg/L，BDOC<0.15mg/L）。為此，不得不增加耗氯量，結(jié)果造成消毒副產(chǎn)物增加，損害了飲用水的安全性。國(guó)內(nèi)進(jìn)行的飲用水生物穩(wěn)定性相關(guān)研究一般認(rèn)定，飲用水中可生物降解的有機(jī)物（AOC或BDOC）是引起管網(wǎng)細(xì)菌再生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。長(zhǎng)期以來(lái)，圍繞如何有效地去除受污染水源水中的有機(jī)物，特別是可生物降解有機(jī)物，國(guó)內(nèi)水處理工作者進(jìn)行了大量的研究。但是，傳統(tǒng)處理工藝對(duì)有機(jī)污染物的去除能力有限。在我國(guó)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件下，水處理過(guò)程中引入深度處理對(duì)大多數(shù)水廠來(lái)說(shuō)難以承受。如何采用經(jīng)濟(jì)有效的手段來(lái)提高飲用水的生物穩(wěn)定性，仍然是水處理工作者的研究熱點(diǎn)。

　　對(duì)于飲用水處理過(guò)程中磷的去除研究，一直以來(lái)沒(méi)有引起水處理工作者足夠的重視。事實(shí)上以磷作為限制因子來(lái)提高飲用水的生物穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。有效降低水中磷含量，使其成為飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子，可以作為提高我國(guó)飲用水生物穩(wěn)定性、改善飲用水水質(zhì)的一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。

　　首先，相對(duì)有機(jī)物而言，對(duì)于水源水中磷的去除要容易得多，常規(guī)處理工藝即可以達(dá)到90％以上的去除率。Ilkka T Mlettinen等對(duì)水中磷含量在10～50μg/L之間的水源經(jīng)過(guò)常規(guī)處理后，水中磷源往往表現(xiàn)出限制因子作用。A Sathasivan在研究中發(fā)現(xiàn)，原水中總磷在80μg/L左右時(shí)，經(jīng)過(guò)常規(guī)水處理過(guò)程即可使水中磷含量下降到5μg/L左右，使出水中磷成為其生物穩(wěn)定性的限制因子。

　　另外需要指出的是，Ilkka T Mlettinen、 Sathasivan A等在進(jìn)行關(guān)于飲用水生物穩(wěn)定性中磷的限制因子作用研究時(shí)，飲用水水樣中添加的外來(lái)磷源是PO43-－P（KH2PO4、Na2HPO4等）。PO43-－P添加量在0～5μg/L時(shí)，細(xì)菌的生長(zhǎng)能力受到水中磷源的限制。PO43-－P是容易被細(xì)菌直接充分吸收利用的磷源。而水環(huán)境中的磷元素，往往同大分子有機(jī)物相結(jié)合或以膠體狀態(tài)存在，從而降低了微生物對(duì)其利用的可能性，實(shí)際上能被細(xì)菌所吸收利用的磷源只占水中總磷的一部分。因此，如果以水中存在的各種形態(tài)磷的總和（總磷）計(jì)算，當(dāng)飲用水中總磷含量未低于5μg/L時(shí)，就可能表現(xiàn)出對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子作用。

　　我國(guó)水源水中總磷含量一般不會(huì)超過(guò)80μg/L，而由于水源受到有機(jī)物污染，總體上我國(guó)飲用水中有機(jī)物的含量要比歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家及日本的飲用水中有機(jī)物的含量高。由此可以推斷，就我國(guó)的水源水而言，采取有效手段盡可能降低水中磷的含量，使磷成為飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子的可能性是存在的。

　2、磷的限制因子作用研究

　　    磷在飲用水生物穩(wěn)定性中可能的限制因子作用，在20世紀(jì)80年代末已經(jīng)有初步的試驗(yàn)研究，但是并沒(méi)有引起足夠的重視。近幾年來(lái)，研究人員在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有些地區(qū)給水管網(wǎng)中細(xì)菌的再生長(zhǎng)能力，同水中AOC濃度之間不具有相關(guān)性。在對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行深入分析與研究的基礎(chǔ)上，Ilkka T Mlettinen提出了磷在飲用水生物穩(wěn)定性中的限制因子作用。同時(shí)日本國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了磷與飲用水生物穩(wěn)定性的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分水廠水源經(jīng)過(guò)水廠處理后，出水中磷的含量極低（<5μg/L），成為飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子。目前，有關(guān)這一問(wèn)題的研究多集中于歐洲國(guó)家和日本。

　　荷蘭的Ilkka T Mlettinen利用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定水中細(xì)菌的生長(zhǎng)能力，針對(duì)水中PO43-－P濃度低于2μg/L的飲用水水樣進(jìn)行分析研究，分別對(duì)添加了各種無(wú)機(jī)鹽組分、只添加PO43-－P和不添加任何無(wú)機(jī)鹽的水樣進(jìn)行了測(cè)定。發(fā)現(xiàn)添加了各種無(wú)機(jī)鹽組分的水樣，同只添加了50μg／L的PO43-－P水樣中細(xì)菌的生長(zhǎng)能力相近，都大大高于不添加任何無(wú)機(jī)鹽的水樣，從而確定了磷對(duì)于飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子作用。進(jìn)一步的詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于上述水樣，分別添加0～5μg/L不同量的PO43-－P后 ，水中細(xì)菌的生長(zhǎng)能力隨著水中PO43-－P的增加呈顯著的上升趨勢(shì)，磷的限制因子作用明顯。再繼續(xù)增加PO43-－P含量到10μg/L后，水中細(xì)菌生長(zhǎng)能力的增加不再明顯，說(shuō)明該飲用水水樣中磷含量低于5μg/L時(shí)，磷是水中細(xì)菌再生長(zhǎng)的限制因子。針對(duì)以上研究，考慮到水中PO43-－P只占總磷的一部分，而水中其它形態(tài)的磷也有被細(xì)菌吸收利用的可能性，Markku J Lehtola提出了微生物可利用磷（Microbially Available Phosphorus，MAP）的概念，并建立了MAP的分析方法。通過(guò)進(jìn)一步的研究，MAP可以作為控制飲用水生物穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要參數(shù)。

　　日本的Sathasivan A 博士采用細(xì)菌再生長(zhǎng)潛力（Bacterial Regrowth Potential，BRP）的分析方法，對(duì)添加了各種無(wú)機(jī)鹽組份、只添加30μg／L的PO43-－P和不添加任何無(wú)機(jī)鹽的飲用水水樣進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明磷在飲用水生物穩(wěn)定性中起限制因子作用。同時(shí)A Sathasivan利用平板計(jì)數(shù)法[13]，在飲用水水樣中分別添加0～10μg/L的PO43-－P后測(cè)定水中細(xì)菌的生長(zhǎng)能力，試驗(yàn)結(jié)果同Ilkka T Mlettinen的結(jié)果相吻合。

　　另外，T Yoshizaka在研究臭氧活性炭工藝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水源水經(jīng)過(guò)常規(guī)處理和臭氧氧化后，在出水中添加50μg/L的PO43-－P進(jìn)入活性炭柱，會(huì)提高活性炭的處理效果。Wataru Nishijima經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究指出，其原因在于進(jìn)水中磷是微生物生長(zhǎng)的限制因子。由于常規(guī)的混凝沉淀過(guò)濾工藝可以有效地去除水源水中的磷，上述試驗(yàn)從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了磷成為飲用水生物穩(wěn)定性限制因子的可能。

　　磷與飲用水生物穩(wěn)定性的關(guān)系研究，在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到正式相關(guān)報(bào)道?？紤]到我國(guó)水源受到有機(jī)物污染的現(xiàn)狀，水源水中有機(jī)物含量往往較高，對(duì)于某些水廠的出水，磷有可能成為飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子。筆者在相關(guān)試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這一情況的存在，并將對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入研究。于鑫等人在對(duì)淮河流域某地面水廠飲用水進(jìn)行生物濾池試驗(yàn)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該水源水經(jīng)過(guò)常規(guī)混凝沉淀后，出水磷含量較低。在出水中添加15μg/L的PO43-－P后進(jìn)入生物濾池，可以提高生物濾池對(duì)有機(jī)物的去除效率。這一試驗(yàn)結(jié)果同樣也說(shuō)明，就我國(guó)某些地方的飲用水而言，磷有可能成為其生物穩(wěn)定性的限制因子（“磷元素生物處理中的限制因子作用”一文，已由《環(huán)境科學(xué)》發(fā)表）。

　3、結(jié)論與建議

　　   通過(guò)以上論述與分析，我們認(rèn)為，磷作為飲用水生物穩(wěn)定性的限制因子的發(fā)現(xiàn)具有重要意義，為提高我國(guó)飲用水生物穩(wěn)定性提供了一個(gè)新的思路。在飲用水處理工藝過(guò)程中，應(yīng)盡可能地去除原水中的磷。同時(shí)，減少甚至杜絕水廠和輸水管網(wǎng)中外來(lái)磷源的引入，保證輸水管網(wǎng)中磷的低含量，使磷成為管網(wǎng)細(xì)菌再生長(zhǎng)的限制因子，從而保證飲用水的生物穩(wěn)定性。考慮到我國(guó)水源受污染、水源水中有機(jī)物含量較高的現(xiàn)狀，以及水源水中磷的去除相對(duì)有機(jī)物而言要容易的事實(shí)，有效地去除水中的磷以提高飲用水生物穩(wěn)定性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

　　磷在飲用水處理過(guò)程中并不作為一項(xiàng)常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)，關(guān)于磷在飲用水處理過(guò)程中去除情況的研究也十分缺乏。為了深入了解磷在飲用水生物穩(wěn)定性中的限制因子作用和其現(xiàn)實(shí)意義，有必要對(duì)磷在各個(gè)水處理工藝過(guò)程中的去除情況以及如何提高磷的去除效率等一系列相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究