给水管网中管壁生物膜氯（胺）化后含氮消毒副产物的生成与控制研究

Biofilms attached to pipe walls are important factors affecting water quality in distribution systems. Biofilms mainly consist of bacterial cells and their extracellular polymeric substances, with high organic nitrogen content. Thus biofilms may deteriorate water safety by forming highly toxic nitrogenous disinfection by-products (N-DBPs) through reaction with residual chlor(am)ine in distribution systems. However, the mechanisms of reaction between biofilms with chlor(am)ine and thus the N-DBPs formation are not well understood. The objectives of this proposal are to investigate the N-DBPs formation during chlorination and chloramination of bacterial biofilms, to characterize N-DBPs precursors in biofilms, to evaluate the influence mechanism of pipe materials on N-DBPs formation for attached biofilm chlor(am)ination, and to clarify cooperative control principles of biofilms and disinfection by-products formation, thusly to provide basic information for optimizing water supply system operation and for guaranteeing the safety of drinking waters. Haloacetamides, haloacetonitrils and halonitromethanes are selected as targeted N-DBPs species.

管壁生物膜是影响给水管网水质的重要因素。生物膜主要由细菌及其胞外聚合物构成，有机氮含量丰富，在管网余氯（胺）作用下，生成高毒性的含氮消毒副产物，影响水质安全，成为国际上关注的热点问题。但是，目前关于管壁生物膜与氯和氯胺的作用机制以及含氮消毒副产物产生机制还不十分清晰。本项目针对管壁生物膜生成含氮消毒副产物的风险，围绕卤代乙酰胺、卤代乙腈与卤代硝基甲烷等高毒性卤代含氮消毒副产物，研究管壁生物膜在氯消毒与氯胺消毒过程中含氮消毒副产物的生成特性，识别生物膜中消毒副产物前体物组成，解析管材对生物膜氯（胺）化消毒副产物生成的影响机理，阐明管壁生物膜与消毒副产物的协同控制原理，为优化给水管网运行、保障管网水质安全提供理论依据和技术支持。

管网水中的消毒副产物问题直接影响居民用水安全。本项目通过为期一年的水样测定，揭示了含氮消毒副产物卤乙酰胺与卤乙腈在城市供水管网中的浓度水平：0.1-3.1 μg/L与n.d.-6.4 μg/L，且其浓度随季节与地区变化。鉴于管壁生物膜有机物含量丰富，考察其氯消毒与氯胺消毒的副产物生成，发现模拟管壁载片生物膜在氯胺消毒过程中生成的卤乙酰胺浓度高于氯消毒的，与细菌细胞在氯消毒与氯胺消毒的生成量大小相反，与细菌胞外聚合物的相同，且在氯消毒条件下，模式细菌胞外聚合物的前体物含量略低于其细胞有机物的。针对金属管材的腐蚀现象，解析了铜管腐蚀产物对管网水中消毒副产物生成的影响，发现Cu2+、CuO与Cu2O均促进天然有机物氯消毒与氯胺消毒过程中卤乙酰胺与卤乙腈的生成。并且在氯胺消毒过程中，铜管腐蚀产物促进4种氨基酸与4种木质素酚类的氯胺供氮途径的卤乙酰胺生成。最后基于水厂不同消毒方式的选用，比较其后续管网水中副产物的生成，发现氯胺消毒与先氯后氯胺消毒比氯消毒生成更高浓度的卤乙酰胺，针对这两种消毒方式，在考察氯胺投加方式与预氯化时间对副产物生成影响的基础上提出了通过消毒方式优化的副产物控制方案，为优化给水管网运行、保障管网水质安全提供理论依据和技术支持。