AOC在给水管网中的变化规律和控制标准研究

刘文君 王占生
（清华大学环境科学与工程系，北京，100084）

　　摘要：本文主要讨论了生物可同化有机碳（AOC）在给水管网中的变化规律模型，在分析某市典型水厂给水管网中AOC 含量特点和水质特点后提出了我国给水管网中AOC控制浓度的建议值，以保证管网水的生物稳定性，控制细菌在管网中的繁殖。

　　AOC（Assimilable Organic Carbon，生物可同化有机碳）是指饮用水中有机物能被细菌同化成生物体的部分，它是衡量饮用水生物稳定性也即细菌在饮用水中生长潜力的水质参数。在详细分析某市 5个典型水厂管网水中AOC的变化特性基础上，结合氯和氯胺对AOC的影响和细菌对有机营养基质的的利用，初步建立 AOC在给水管网中变化规律的一般模型。模型的建立将有助于理解AOC变化的普遍规律，并根据各地的具体情况分析其管网中 AOC的变化特点，从而采取相应的对策。
　　根据前面的分析，在水厂加氯后水中AOC的变化主要受氯氧化作用和细菌分解作用的影响。因此加氯后清水池或管网中（如果在二泵站加氯则只对管网点而言）任一点水中 AOC的浓度可由公式(1)表示。

　　　　AOC = AOC_O+ AOC_Cl-AOC_B　　　　　　(1)
　　式中　AOC：加氯后管网中任意一点水中AOC的实际浓度；
　　　　　AOC_O：加氯前水中AOC的实际浓度；
　　　　　AOC_Cl：加氯后由于氯氧化引起的AOC增加的浓度；
　　　　　AOC_B：由于细菌利用使AOC降低的浓度。

　　式(1)表明加氯后管网中任一点水中AOC的浓度等于加氯前水样中AOC的浓度与加氯后氯氧化作用使AOC浓度增加部分之和再减去细菌对AOC利用引起的浓度下降部分。由于目前还缺少精确的数学模型来描述氯氧化和管网中细菌利用对水中 AOC影响，因此建立定性化的概念模型来描述这种变化，以便更深入理解AOC在管网中的变化规律。根据氯和氯胺对AOC 的影响特点不同，模型分成两个基本类型：氯消毒型和氯胺消毒型。

　　一、 AOC在给水管网中的变化模型

　　1. 氯消毒型
　　图1为氯消毒型水厂其管网水中AOC的变化趋势图。A线表示水处理厂加氯前水中AOC的本底浓度(AOC_O)，此值为定值；B线表示由于水厂加氯引起AOC增加量(AOC_Cl)的变化，由于氯与有机物反应生成AOC较快，在20℃时30min可以达到最大，因此B线在较短时间达到最大，然后不再变化。如果水厂在清水池进水口加氯，则B线中AOC增加的过程随清水池停留时间的长短和流态的不同而可能完全发生在厂内或离厂较近的管网区。C线为细菌利用引起的AOC减少量(AOC_B)的变化，离水厂越远，减少越多；D线是出厂水AOC实际浓度的变化趋势，是上述三条线总和的结果，即出厂水加氯前的AOC值加上氯氧化后增加值再减去细菌的消耗值。D线的峰点为出厂水AOC在管网中达到最大浓度的位置，在峰点前AOC增加，在峰点后AOC减少。也即一般情况下管网水中AOC先增加后减少的现象。

　　根据不同的情况峰点位置有所区别：如果加氯后水在厂内有足够的停留时间，峰点就在厂内，管网中AOC将一直下降，如水厂1春秋季的情况；如果加氯后在水厂停留时间不够，氯氧化的AOC未完全生成，则峰点在管网中；如果用水量大，管网水流速快，如夏季用水高峰，峰点将向远离水厂的方向移动；如果用水量小，管网水流速慢，峰点将向近水厂方向移动。从抑制细菌生长而言，峰点离水厂越远越有利，能使峰点前的管网水中AOC含量相对较少，减少细菌生长的营养物。

　　水温对AOC的变化也有一定的影响，因为温度的变化影响细菌的活性和氯氧化速度，对前者的影响是主要的。在冬季水温较低时(<5℃)氯消毒型管网水AOC变化由图1基本型变成图2的低温型。由于细菌活性受到很大程度的抑制，对AOC的消耗较少，而氯氧化速度相应降低，因此使峰点向远离厂区方向移动，甚至在管网中没有峰点出现，使管网中AOC持续上升，如本研究中三个地表水源水厂冬季管网中AOC的变化。
　　2. 氯胺消毒型
　　图3为氯胺消毒型水厂其管网水中AOC的变化趋势图。各条线意义同图1，只是氯变成氯胺。由于氯胺与有机物反应生成AOC较慢，因此B线达到最大值时间要长，然后不再变化。如果整个管网的水力停留时间不能满足氯胺氧化的要求，则B线可能不会有平台，呈持续上升趋势。与氯消毒型相比，在相同条件下D线的峰点向远离水厂方向移动。在小型给水管网或大型给水管网的用水高峰期，由于水力停留时间短，管网中最长的管线也可能不出现氯胺消毒型的峰点，管网末梢处于峰点与水厂之间的位置。因此氯胺消毒对控制AOC的生成和细菌生长有利。
　　在温度较低的季节氯胺消毒型管网水AOC变化趋势线与图2类似，只是氯胺氧化引起AOC的变化更慢，使管网中AOC的变化曲线D更趋平缓，对控制细菌的生长更有利。概而言之，在低温条件下管网中细菌生长受到水温低、营养少的不利影响，如果冬季水源不受意外污染，管网水中冬季的细菌学危害相对较小。夏季则是应该重点注意的季节，好在夏季水温高能使水处理工艺对AOC的去除效率提高，使加氯胺前AOC浓度相对降低，也降低了细菌的过度繁殖。

　　二、 饮用水中AOC控制标准的探讨

　　1. 饮用水中AOC现状分析
　　某市的5个典型自来水厂的水源水质、处理工艺和出厂水、管网水水质在国内颇有代表性，分析其水质特点可以为提出国内饮用水AOC44的控制标准提供参考。
　　饮用水中AOC的现状分析
　　5个水厂出厂水、管网水和管网末梢水中AOC在不同季节中浓度如表1所示。每个水厂所有水样AOC浓度分布情况见表2。三个地表水源水厂中，水厂1 AOC最低为97mg/L，最高为285mg/L，低于200mg/L的水样占其总水样的80%，低于100mg/L的水样约占7%，是三个地表水源水厂中AOC平均浓度最低的水厂，也是包括地下水源水厂在内的5个水厂中AOC浓度最低的水厂。水厂2最低为121mg/L，最高为313mg/L，所有水样中低于200mg/L占40%，没有低于100mg/L的水样，其总体AOC浓度水平居中游。水厂3 AOC最低为111mg/L，最高为293mg/L，水样中AOC低于200mg/L占总水样的33%，没有低于100mg/L的水样，水样AOC浓度总体水平在三个地表水源水厂中最高。说明AOC含量与水源水质密切相关。

注：取样时间顺序为96年冬、97年春、97年夏、97年秋和98年春

　　地下水源水厂中水厂4 AOC最低为92mg/L，最高为296mg/L，低于200mg/L占总水样的54%左右，低于100mg/L占7%，是两个地下水源水厂中AOC含量较少的水厂。水厂5 AOC最高为482mg/L，最低97mg/L，在97年与水厂1 供水混合后AOC浓度有一定降低，所有水样中低于200mg/L占47%，低于100mg/L 占7%。
　　5个水厂水样中低于100mg/L仅占总水样的4%，低于200mg/L占50%，因此基本上都达不到国外学者提出的在加氯条件下50～100mg/L的AOC控制要求，其它的研究也确实证明该市给水管网中管壁上普遍存在细菌生长的现象，因此该市饮用水属生物不稳定的饮用水。

　　2. 饮用水AOC控制标准的探讨
　　AOC是反应饮用水生物稳定性，即水中能成为细菌营养物的有机物含量多少的替代参数，因此研究AOC含量和给水管道中细菌生长情况之间的关系以确定合适的AOC控制浓度便是目前这方面研究中的重点。国外研究者的研究方法主要是基于对实际管道中细菌生长情况和AOC含量的实测值进行统计分析，然后提出控制标准，这方面的领先者无疑是荷兰的Van Der Kooij教授。他研究认为在保持适量余氯的条件下，出厂水AOC浓度在50～100mg/L或不加氯时保持10～20mg/L 时可以达到水质生物稳定（即不会引起细菌在其中生长）。Louis A. Kaplan等人对美国和加拿大的79个水厂调查表明95%的地表水源水厂和50%的地下水源水厂不能达到50～100mg/L的标准，所有的水厂均不能达到10～20mg/L的标准。
　　要准确的确定这一指标是十分困难的，应该进行长期的模拟管网试验，研究管网中细菌生长特性，综合考虑影响管网中细菌生长的各项因素，如：余氯、水温、有机营养物和其它因素，才能提出科学的指标。对给水管网中细菌生长特性和饮用水生物稳定性关系的研究是近年来研究的新课题，因此还缺少比较全面的研究成果和足够的基础数据，国外目前也没有立法规定的AOC控制标准的先例，只是一些研究者根据本人的研究成果提出了建议值。
　　就国内而言，清华大学1995年首先开展对饮用水AOC特性的初步研究，1996年开始比较系统和全面地研究典型水厂中AOC特性，积累了一批有价值的基础数据。根据研究结果并基于以下几点原因，提出我国饮用水AOC的控制建议值分别为：200mg/L。
　　(1). 以目前水质最优水厂AOC浓度作参考。所调查的5个水厂中水厂1水源水质居全国领先水平，采用常规处理和活性炭深度处理结合的处理工艺水平也属国内领先，因此水厂1可以作为较优水质的代表，其自来水中AOC代表了目前国内地表水源水厂可能达到的最好水平。水厂1水中AOC浓度低于200mg/L的水样占其总水样的80%，因此大多数情况下是低于建议值的。
　　(2). 水厂采用一定的处理技术后可以达到的标准要求。尽管水厂1目前也不能完全达到AOC的控制建议值，但根据对其工艺的分析可以肯定，在选择合适的加氯方式、强化其常规处理效果和强化活性炭上微生物功能后是完全有可能达到的。生物处理技术在饮用水处理中的应用也是本建议值可以达到的保证之一。有研究表明：某自来水厂水源水AOC达774mg/L，经常规工艺处理出水AOC为339mg/L，而单经生物预处理即可达214mg/L，去除率达72.35%；生物预处理与混凝沉淀的组合出水可达49mg/L，低于200mg/L。尽管这只是中试研究结果，与实际规模的水处理结果会有一定的差距，也说明生物处理对降低AOC有美好前景。膜技术在给水处理中应用也是降低饮用水中AOC含量的有效手段。因此即使其它水源水质相对较差的水厂，在采用合适的处理技术后是可以达到此建议值的。而且如果制定的控制标准要求太高，目前的原水水质与水处理水平是根本达不到要求的。
　　(3) 提出的控制标准能在一定程度上防止细菌在管道中的生长。尽管被研究城市的给水管网中发现管壁普遍有细菌生长的现象，但在研究中所取管网水样未发现有细菌和大肠杆菌检出。国内其它城市的管网水中普遍存在检出细菌的情况，大肠杆菌也有部分检出，且细菌和大肠杆菌随管网延长而增加。因此说明被研究城市饮用水目前的AOC含量水平尽管不能完全控制细菌生长，但在一定程度上可以抑制细菌的过度繁殖，保证管网水细菌学指标合格。如果其它水厂均达到AOC 200mg/L的要求，对提高国内饮用水水质是十分有利的。