基于水中溶解性有机物结构调控的管网水质稳定性控制研究

As a result of the three processes,bacterial regrowth, disinfectant consumption and corrosion on the metal pipe surface, during drinking water distribution, the water at consumers' taps has, in general, a lower quality than the treated water at the treatment plant. In this study, based on the optimization of the drinking water advanced treatment, by adjusting the composition and structure characteristics of dissolved organic matter(DOM), and then, coordinating the three processes which influenced the water quality, the water quality stability in distribution systems could be controlled. The trade off between maintaining a high disinfectant residual and achieving a low substrate concentration for controlling bacterial regrowth should be found by the detailed study of the reactivity between different DOM structure and disinfectant,and the biodegradability of the byproducts. The mechanism, controlling water quality stability by synergistic effect of biofilm and corrosion, should be revealed by the in-depth study of the effect of different DOM composition and structure characteristics on the biofilm formation, and the influence mechanism of biofilm on pipeline corrosion. Through the research above, the mechanism of controlling the water quality stability based on the different composition and structure characteristics of DOM should be suggested, in order to supply the theory for the guarantee of the water quality security in water distribution systems.

饮用水输配过程中，管网水质主要受到三个管网反应过程的影响，即微生物生长、消毒剂的消耗及金属管网的腐蚀，通常导致管网末端"龙头"水水质下降。本项目提出基于饮用水水厂深度处理的优化，调控输配水中溶解性有机物(DOM)的组成、结构特征，进而对影响管网水质的三个主要过程协调，实现管网水质稳定性。重点研究不同水中DOM与消毒剂反应活性，及反应产物的可生物利用性,寻找管网高剩余消毒剂与低可生物利用碳浓度平衡点；深入研究不同的水中DOM对不同群落特征的管网生物膜形成的影响，以及生物膜对管网腐蚀的作用机制，揭示生物膜与管网腐蚀协同作用的管网水质稳定性机制。提出基于水中DOM调控管网水质稳定性技术原理，为保障输配管网水质安全提供理论基础。

饮用水管网输配过程中，管网水质主要受到三个反应过程的影响，即微生物再生长形成生物膜，有机物在消毒过程中生成消毒副产物及管网腐蚀过程。本项目提出基于饮用水水厂深度处理工艺的优化，调控管网水中溶解性有机物的组成及结构特征，进而影响管网水质转化过程，达到控制管网水质稳定性目的。通过研究发现，管网生物膜中硝酸盐还原菌和铁还原菌能够诱发Fe(III)还原和Fe(II)氧化循环过程，加速管网腐蚀产物中Fe3O4生成，强化管网致密腐蚀层形成，有效抑制管网腐蚀及铁离子释放。而对不同硝酸盐浓度下硝酸盐还原菌对管网腐蚀的研究发现，在较低硝酸盐氮浓度（2.2 mg/L）下硝酸盐还原菌主要诱发铁的氧化还原循环，加速了管垢中Fe3O4的出现和腐蚀层的稳定，而高的硝酸盐氮浓度（22 mg/L）下微生物的反硝化过程不利于Fe3O4生成。另外，紫外加氯联合消毒可以诱发管网中硝酸盐还原菌的大量出现，通过铁的氧化还原循环有效抑制管网腐蚀和铁离子释放。但是紫外能够影响溶解性有机物结构，减少腐殖酸类物质中甲基、愈创木基及芳香基团含量，但是增加富里酸类物质中酚羟基含量，因而后续加氯消毒过程中三氯甲烷生成量降低，但是卤乙酸类物质增加。而通过臭氧生物活性炭过滤有效去除较高分子量溶解性有机物，从而使得管网进水的有机物为低分子量和低浓度。另外，臭氧活性炭过滤能够改变管网进水的微生物群落特征，结果使得管网中铁循环相关菌大量生长，于是在硝酸盐还原菌引发的铁的氧化还原循环作用下管网腐蚀层致密稳定，有效抑制腐蚀和铁离子释放。同时，低分子量低浓度有机物可以限制条件致病菌生长，并控制了消毒副产物三卤甲烷和卤乙酸生成。因此，臭氧生物活性炭有效控制了管网水质稳定性。而且，该研究也说明通过对有机物结构及浓度进行调控可以实现对管网水质控制。