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我國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
給水管網中異養菌的生長會造成飲用水濁度、色度的增加，致病菌的出現，管網的腐蝕等一系列問題。生物穩定的飲用水，是指在給水管網中不會引起異養細菌等微生物再生長的飲用水。飲用水生物穩定性的研究，早在20世紀70年代就已引起研究人員的廣泛關注。長期以來，飲用水中可生物降解的有機物，特別是可同化有機碳(Assimilable Organic Carbon，AOC)含量的高低，被普遍認為是控制給水管網中細菌生長的限制因素。近年來磷對飲用水生物穩定性的影響引起了研究人員的關注。1996年，《Nature》上發表了Ilkka T Mlettinen博士的一篇論文，指出了磷源成為引起管網細菌再生長限制因子的情況。這一發現改變了可生物降解有機物是飲用水生物穩定性的惟一限制因子的傳統觀念，為提高飲用水生物穩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定性限制因子的發現，具有開創性的意義。它改變了可生物降解有機物是飲用水生物穩定性中的惟一限制因子的傳統觀念，對于飲用水處理領域具有重要的指導意義。研究表明，在磷源是細菌生長的限制因子的情況下，水中磷的少量增加將會大大提高細菌的生長能力。因此在飲用水處理過程中，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定性的限制因子，這樣在飲用水中有機物濃度相對較高的情況下，仍然可以有效抑制管網細菌的再生長，保證飲用水的生物穩定性。由此為減少消毒過程的加氯量，降低消毒副產物的形成，提高飲用水生物穩定性，改善飲用水水質提供了一個新的思路。

　　在我國，飲用水水源的污染已經成為一個普遍的事實，其中有機物的超標是許多水源面臨的主要問題之一。自來水廠出水的AOC大多超出100μg/L，BDOC往往高于0.5mg/L，難以達到保證飲用水生物穩定性的標準（AOC<50～100μg/L，BDOC<0.15mg/L）。為此，不得不增加耗氯量，結果造成消毒副產物增加，損害了飲用水的安全性。國內進行的飲用水生物穩定性相關研究一般認定，飲用水中可生物降解的有機物（AOC或BDOC）是引起管網細菌再生長的關鍵因素。長期以來，圍繞如何有效地去除受污染水源水中的有機物，特別是可生物降解有機物，國內水處理工作者進行了大量的研究。但是，傳統處理工藝對有機污染物的去除能力有限。在我國現有的經濟條件下，水處理過程中引入深度處理對大多數水廠來說難以承受。如何采用經濟有效的手段來提高飲用水的生物穩定性，仍然是水處理工作者的研究熱點。

　　對于飲用水處理過程中磷的去除研究，一直以來沒有引起水處理工作者足夠的重視。事實上以磷作為限制因子來提高飲用水的生物穩定性具有重要的現實意義。有效降低水中磷含量，使其成為飲用水生物穩定性的限制因子，可以作為提高我國飲用水生物穩定性、改善飲用水水質的一種經濟有效的方式。

　　首先，相對有機物而言，對于水源水中磷的去除要容易得多，常規處理工藝即可以達到90％以上的去除率。Ilkka T Mlettinen等對水中磷含量在10～50μg/L之間的水源經過常規處理后，水中磷源往往表現出限制因子作用。A Sathasivan在研究中發現，原水中總磷在80μg/L左右時，經過常規水處理過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定性的限制因子。

　　另外需要指出的是，Ilkka T Mlettinen、 Sathasivan A等在進行關于飲用水生物穩定性中磷的限制因子作用研究時，飲用水水樣中添加的外來磷源是PO43-－P（KH2PO4、Na2HPO4等）。PO43-－P添加量在0～5μg/L時，細菌的生長能力受到水中磷源的限制。PO43-－P是容易被細菌直接充分吸收利用的磷源。而水環境中的磷元素，往往同大分子有機物相結合或以膠體狀態存在，從而降低了微生物對其利用的可能性，實際上能被細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磷的總和（總磷）計算，當飲用水中總磷含量未低于5μg/L時，就可能表現出對飲用水生物穩定性的限制因子作用。

　　我國水源水中總磷含量一般不會超過80μg/L，而由于水源受到有機物污染，總體上我國飲用水中有機物的含量要比歐洲發達國家及日本的飲用水中有機物的含量高。由此可以推斷，就我國的水源水而言，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

　　磷在飲用水生物穩定性中可能的限制因子作用，在20世紀80年代末已經有初步的試驗研究，但是并沒有引起足夠的重視。近幾年來，研究人員在研究過程中發現，有些地區給水管網中細菌的再生長能力，同水中AOC濃度之間不具有相關性。在對這一現象進行深入分析與研究的基礎上，Ilkka T Mlettinen提出了磷在飲用水生物穩定性中的限制因子作用。同時日本國內也進行了磷與飲用水生物穩定性的相關性研究，發現相當一部分水廠水源經過水廠處理后，出水中磷的含量極低（<5μg/L），成為飲用水生物穩定性的限制因子。目前，有關這一問題的研究多集中于歐洲國家和日本。

　　荷蘭的Ilkka T Mlettinen利用平板計數法測定水中細菌的生長能力，針對水中PO43-－P濃度低于2μg/L的飲用水水樣進行分析研究，分別對添加了各種無機鹽組分、只添加PO43-－P和不添加任何無機鹽的水樣進行了測定。發現添加了各種無機鹽組分的水樣，同只添加了50μg／L的PO43-－P水樣中細菌的生長能力相近，都大大高于不添加任何無機鹽的水樣，從而確定了磷對于飲用水生物穩定性的限制因子作用。進一步的詳細研究發現，對于上述水樣，分別添加0～5μg/L不同量的PO43-－P后，水中細菌的生長能力隨著水中PO43-－P的增加呈顯著的上升趨勢，磷的限制因子作用明顯。再繼續增加PO43-－P含量到10μg/L后，水中細菌生長能力的增加不再明顯，說明該飲用水水樣中磷含量低于5μg/L時，磷是水中細菌再生長的限制因子。針對以上研究，考慮到水中PO43-－P只占總磷的一部分，而水中其它形態的磷也有被細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。通過進一步的研究，MAP可以作為控制飲用水生物穩定性的一項重要參數。

　　日本的Sathasivan A 博士采用細菌再生長潛力（Bacterial Regrowth Potential，BRP）的分析方法，對添加了各種無機鹽組份、只添加30μg／L的PO43-－P和不添加任何無機鹽的飲用水水樣進行測定，結果表明磷在飲用水生物穩定性中起限制因子作用。同時A Sathasivan利用平板計數法[13]，在飲用水水樣中分別添加0～10μg/L的PO43-－P后測定水中細菌的生長能力，試驗結果同Ilkka T Mlettinen的結果相吻合。

　　另外，T Yoshizaka在研究臭氧活性炭工藝過程中發現，水源水經過常規處理和臭氧氧化后，在出水中添加50μg/L的PO43-－P進入活性炭柱，會提高活性炭的處理效果。Wataru Nishijima經過進一步的研究指出，其原因在于進水中磷是微生物生長的限制因子。由于常規的混凝沉淀過濾工藝可以有效地去除水源水中的磷，上述試驗從一個側面說明了磷成為飲用水生物穩定性限制因子的可能。

　　磷與飲用水生物穩定性的關系研究，在國內尚未見到正式相關報道。考慮到我國水源受到有機物污染的現狀，水源水中有機物含量往往較高，對于某些水廠的出水，磷有可能成為飲用水生物穩定性的限制因子。筆者在相關試驗中已經發現這一情況的存在，并將對這一問題進行深入研究。于鑫等人在對淮河流域某地面水廠飲用水進行生物濾池試驗研究過程中發現，該水源水經過常規混凝沉淀后，出水磷含量較低。在出水中添加15μg/L的PO43-－P后進入生物濾池，可以提高生物濾池對有機物的去除效率。這一試驗結果同樣也說明，就我國某些地方的飲用水而言，磷有可能成為其生物穩定性的限制因子（“磷元素生物處理中的限制因子作用”一文，已由《環境科學》發表）。

　3、結論與建議

　　通過以上論述與分析，我們認為，磷作為飲用水生物穩定性的限制因子的發現具有重要意義，為提高我國飲用水生物穩定性提供了一個新的思路。在飲用水處理工藝過程中，應盡可能地去除原水中的磷。同時，減少甚至杜絕水廠和輸水管網中外來磷源的引入，保證輸水管網中磷的低含量，使磷成為管網細菌再生長的限制因子，從而保證飲用水的生物穩定性。考慮到我國水源受污染、水源水中有機物含量較高的現狀，以及水源水中磷的去除相對有機物而言要容易的事實，有效地去除水中的磷以提高飲用水生物穩定性，具有一定的現實意義。

　　磷在飲用水處理過程中并不作為一項常規檢測指標，關于磷在飲用水處理過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定性中的限制因子作用和其現實意義，有必要對磷在各個水處理工藝過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問題進行深入研究