劉文君 王占生
（清華大學環(huán)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(wǎng)中的變化規(guī)律模型，在分析某市典型水廠給水管網(wǎng)中AOC 含量特點和水質(zhì)特點后提出了我國給水管網(wǎng)中AOC控制濃度的建議值，以保證管網(wǎng)水的生物穩(wěn)定性，控制細菌在管網(wǎng)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(wěn)定性也即細菌在飲用水中生長潛力的水質(zhì)參數(shù)。在詳細分析某市 5個典型水廠管網(wǎng)水中AOC的變化特性基礎(chǔ)上，結(jié)合氯和氯胺對AOC的影響和細菌對有機營養(yǎng)基質(zhì)的的利用，初步建立 AOC在給水管網(wǎng)中變化規(guī)律的一般模型。模型的建立將有助于理解AOC變化的普遍規(guī)律，并根據(jù)各地的具體情況分析其管網(wǎng)中 AOC的變化特點，從而采取相應(yīng)的對策。
　　根據(jù)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(wǎng)中（如果在二泵站加氯則只對管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)學模型來描述氯氧化和管網(wǎng)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(wǎng)中的變化規(guī)律。根據(jù)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(wǎng)中的變化模型

　　1. 氯消毒型
　　圖1為氯消毒型水廠其管網(wǎng)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(yīng)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(tài)的不同而可能完全發(fā)生在廠內(nèi)或離廠較近的管網(wǎng)區(qū)。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(jié)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(wǎng)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(wǎng)水中AOC先增加后減少的現(xiàn)象。

　　根據(jù)不同的情況峰點位置有所區(qū)別：如果加氯后水在廠內(nèi)有足夠的停留時間，峰點就在廠內(nèi)，管網(wǎng)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(wǎng)中；如果用水量大，管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)水中AOC含量相對較少，減少細菌生長的營養(yǎng)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(wǎng)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(yīng)降低，因此使峰點向遠離廠區(qū)方向移動，甚至在管網(wǎng)中沒有峰點出現(xiàn)，使管網(wǎng)中AOC持續(xù)上升，如本研究中三個地表水源水廠冬季管網(wǎng)中AOC的變化。
　　2. 氯胺消毒型
　　圖3為氯胺消毒型水廠其管網(wǎng)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(yīng)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(wǎng)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(xù)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(wǎng)或大型給水管網(wǎng)的用水高峰期，由于水力停留時間短，管網(wǎng)中最長的管線也可能不出現(xiàn)氯胺消毒型的峰點，管網(wǎng)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(jié)氯胺消毒型管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中細菌生長受到水溫低、營養(yǎng)少的不利影響，如果冬季水源不受意外污染，管網(wǎng)水中冬季的細菌學危害相對較小。夏季則是應(yīng)該重點注意的季節(jié)，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(xiàn)狀分析
　　某市的5個典型自來水廠的水源水質(zhì)、處理工藝和出廠水、管網(wǎng)水水質(zhì)在國內(nèi)頗有代表性，分析其水質(zhì)特點可以為提出國內(nèi)飲用水AOC44的控制標準提供參考。
　　飲用水中AOC的現(xiàn)狀分析
　　5個水廠出廠水、管網(wǎng)水和管網(wǎng)末梢水中AOC在不同季節(jié)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(nèi)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(zhì)密切相關(guān)。

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(wǎng)中管壁上普遍存在細菌生長的現(xiàn)象，因此該市飲用水屬生物不穩(wěn)定的飲用水。

　　2. 飲用水AOC控制標準的探討
　　AOC是反應(yīng)飲用水生物穩(wěn)定性，即水中能成為細菌營養(yǎng)物的有機物含量多少的替代參數(shù)，因此研究AOC含量和給水管道中細菌生長情況之間的關(guān)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(tǒng)計分析，然后提出控制標準，這方面的領(lǐng)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(zhì)生物穩(wěn)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(diào)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(yīng)該進行長期的模擬管網(wǎng)試驗，研究管網(wǎng)中細菌生長特性，綜合考慮影響管網(wǎng)中細菌生長的各項因素，如：余氯、水溫、有機營養(yǎng)物和其它因素，才能提出科學的指標。對給水管網(wǎng)中細菌生長特性和飲用水生物穩(wěn)定性關(guān)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(chǔ)數(shù)據(jù)，國外目前也沒有立法規(guī)定的AOC控制標準的先例，只是一些研究者根據(jù)本人的研究成果提出了建議值。
　　就國內(nèi)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(tǒng)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(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)研究結(jié)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(zhì)最優(yōu)水廠AOC濃度作參考。所調(diào)查的5個水廠中水廠1水源水質(zhì)居全國領(lǐng)先水平，采用常規(guī)處理和活性炭深度處理結(jié)合的處理工藝水平也屬國內(nèi)領(lǐng)先，因此水廠1可以作為較優(yōu)水質(zhì)的代表，其自來水中AOC代表了目前國內(nèi)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(shù)情況下是低于建議值的。
　　(2). 水廠采用一定的處理技術(shù)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(jù)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(guī)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(shù)在飲用水處理中的應(yīng)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(jīng)常規(guī)工藝處理出水AOC為339mg/L，而單經(jīng)生物預(yù)處理即可達214mg/L，去除率達72.35%；生物預(yù)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(jié)果，與實際規(guī)模的水處理結(jié)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(shù)在給水處理中應(yīng)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(zhì)相對較差的水廠，在采用合適的處理技術(shù)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(zhì)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(wǎng)中發(fā)現(xiàn)管壁普遍有細菌生長的現(xiàn)象，但在研究中所取管網(wǎng)水樣未發(fā)現(xiàn)有細菌和大腸桿菌檢出。國內(nèi)其它城市的管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(nèi)飲用水水質(zhì)是十分有利的。