饮用水生物稳定性中磷的限制因子作用

　　 1 引言
　　给水管网中异养菌的生长会造成饮用水浊度、色度的增加，致病菌的出现，管网的腐蚀等一系列问题［1］。生物稳定的饮用水，是指在给水管网中不会引起异养细菌等微生物再生长的饮用水。饮用水生物稳定性的研究，早在20世纪70年代就已引起研究人员的广泛关注[2]。长期以来，饮用水中可生物降解的有机物，特别是可同化有机碳(Assimilable Organic Carbon，AOC)含量的高低，被普遍认为是控制给水管网中细菌生长的限制因素［3～8］。近年来磷对饮用水生物稳定性的影响引起了研究人员的关注。1996年，《Nature》上发表了Ilkka T Mlettinen博士的一篇论文［9］，指出了磷源成为引起管网细菌再生长限制因子的情况。这一发现改变了可生物降解有机物是饮用水生物稳定性的惟一限制因子的传统观念，为提高饮用水生物稳定性提出了新的途径。
　　2 磷的限制因子作用研究
　　磷在饮用水生物稳定性中可能的限制因子作用，在20世纪80年代末已经有初步的试验研究［10］，但是并没有引起足够的重视。近几年来，研究人员在研究过程中发现，有些地区给水管网中细菌的再生长能力，同水中AOC浓度之间不具有相关性［11，12］。在对这一现象进行深入分析与研究的基础上，Ilkka T Mlettinen［9］提出了磷在饮用水生物稳定性中的限制因子作用。同时日本国内也进行了磷与饮用水生物稳定性的相关性研究[13，14]，发现相当一部分水厂水源经过水厂处理后，出水中磷的含量极低（<5μg/L），成为饮用水生物稳定性的限制因子。目前，有关这一问题的研究多集中于欧洲国家和日本。
　　荷兰的Ilkka T Mlettinen［9］利用平板计数法测定水中细菌的生长能力，针对水中PO43-－P浓度低于2μg/L的饮用水水样进行分析研究，分别对添加了各种无机盐组分、只添加PO43-－P和不添加任何无机盐的水样进行了测定。发现添加了各种无机盐组分的水样，同只添加了50μg／L的PO43-－P水样中细菌的生长能力相近，都大大高于不添加任何无机盐的水样，从而确定了磷对于饮用水生物稳定性的限制因子作用。进一步的详细研究发现［15］，对于上述水样，分别添加0～5μg/L不同量的PO43-－P后 ，水中细菌的生长能力随着水中PO43-－P的增加呈显著的上升趋势，磷的限制因子作用明显。再继续增加PO43-－P含量到10μg/L后，水中细菌生长能力的增加不再明显，说明该饮用水水样中磷含量低于5μg/L时，磷是水中细菌再生长的限制因子。针对以上研究，考虑到水中PO43-－P只占总磷的一部分，而水中其它形态的磷也有被细菌吸收利用的可能性，Markku J Lehtola［16］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。通过进一步的研究［17］，MAP可以作为控制饮用水生物稳定性的一项重要参数。
　　日本的Sathasivan A [14]博士采用细菌再生长潜力（Bacterial Regrowth Potential，BRP）的分析方法，对添加了各种无机盐组份、只添加30μg／L的PO43-－P和不添加任何无机盐的饮用水水样进行测定，结果表明磷在饮用水生物稳定性中起限制因子作用。同时A Sathasivan利用平板计数法[13]，在饮用水水样中分别添加0～10μg/L的PO43-－P后测定水中细菌的生长能力，试验结果同Ilkka T Mlettinen的结果相吻合。
　　另外，T Yoshizaka［18］在研究臭氧活性炭工艺过程中发现，水源水经过常规处理和臭氧氧化后，在出水中添加50μg/L的PO43-－P进入活性炭柱，会提高活性炭的处理效果。Wataru Nishijima［19］经过进一步的研究指出，其原因在于进水中磷是微生物生长的限制因子。由于常规的混凝沉淀过滤工艺可以有效地去除水源水中的磷［14，19，20］，上述试验从一个侧面说明了磷成为饮用水生物稳定性限制因子的可能。
　　磷与饮用水生物稳定性的关系研究，在国内尚未见到正式相关报道。考虑到我国水源受到有机物污染的现状，水源水中有机物含量往往较高，对于某些水厂的出水，磷有可能成为饮用水生物稳定性的限制因子。笔者在相关试验中已经发现这一情况的存在，并将对这一问题进行深入研究。于鑫等人在对淮河流域某地面水厂饮用水进行生物滤池试验研究过程中发现，该水源水经过常规混凝沉淀后，出水磷含量较低。在出水中添加15μg/L的PO43-－P后进入生物滤池，可以提高生物滤池对有机物的去除效率。这一试验结果同样也说明，就我国某些地方的饮用水而言，磷有可能成为其生物稳定性的限制因子（“磷元素生物处理中的限制因子作用”一文，已由《环境科学》发表）。
　　 3 磷作为限制因子的意义与分析
　　磷作为饮用水生物稳定性限制因子的发现，具有开创性的意义。它改变了可生物降解有机物是饮用水生物稳定性中的惟一限制因子的传统观念，对于饮用水处理领域具有重要的指导意义。研究表明［13，15，17］，在磷源是细菌生长的限制因子的情况下，水中磷的少量增加将会大大提高细菌的生长能力。因此在饮用水处理过程中，如果采用有效手段尽可能降低饮用水中磷的含量，使磷成为饮用水生物稳定性的限制因子，这样在饮用水中有机物浓度相对较高的情况下，仍然可以有效抑制管网细菌的再生长，保证饮用水的生物稳定性。由此为减少消毒过程的加氯量，降低消毒副产物的形成，提高饮用水生物稳定性，改善饮用水水质提供了一个新的思路。
　　在我国，饮用水水源的污染已经成为一个普遍的事实［21］，其中有机物的超标是许多水源面临的主要问题之一。自来水厂出水的AOC大多超出100μg/L［6，22］，BDOC往往高于0.5mg/L[6，23，24]，难以达到保证饮用水生物稳定性的标准（AOC<50～100μg/L[5，25]，BDOC<0.15mg/L［26］）。为此，不得不增加耗氯量，结果造成消毒副产物增加，损害了饮用水的安全性。国内进行的饮用水生物稳定性相关研究一般认定，饮用水中可生物降解的有机物（AOC或BDOC）是引起管网细菌再生长的关键因素［5，6，22，27］。长期以来，围绕如何有效地去除受污染水源水中的有机物，特别是可生物降解有机物，国内水处理工作者进行了大量的研究。但是，传统处理工艺对有机污染物的去除能力有限。在我国现有的经济条件下，水处理过程中引入深度处理对大多数水厂来说难以承受。如何采用经济有效的手段来提高饮用水的生物稳定性，仍然是水处理工作者的研究热点。
　　对于饮用水处理过程中磷的去除研究，一直以来没有引起水处理工作者足够的重视。事实上以磷作为限制因子来提高饮用水的生物稳定性具有重要的现实意义。有效降低水中磷含量，使其成为饮用水生物稳定性的限制因子，可以作为提高我国饮用水生物稳定性、改善饮用水水质的一种经济有效的方式。
　　首先，相对有机物而言，对于水源水中磷的去除要容易得多，常规处理工艺即可以达到90％以上的去除率［14，19，20］。Ilkka T Mlettinen等［15］对水中磷含量在10～50μg/L之间的水源经过常规处理后，水中磷源往往表现出限制因子作用。A Sathasivan[14]在研究中发现，原水中总磷在80μg/L左右时，经过常规水处理过程即可使水中磷含量下降到5μg/L左右，使出水中磷成为其生物稳定性的限制因子。
　　另外需要指出的是，Ilkka T Mlettinen、 Sathasivan A等在进行关于饮用水生物稳定性中磷的限制因子作用研究时，饮用水水样中添加的外来磷源是PO43-－P（KH2PO4、Na2HPO4等）。PO43-－P添加量在0～5μg/L时[13,15]，细菌的生长能力受到水中磷源的限制。PO43-－P是容易被细菌直接充分吸收利用的磷源。而水环境中的磷元素，往往同大分子有机物相结合或以胶体状态存在［28］，从而降低了微生物对其利用的可能性，实际上能被细菌所吸收利用的磷源只占水中总磷的一部分［16］。因此，如果以水中存在的各种形态磷的总和（总磷）计算，当饮用水中总磷含量未低于5μg/L时，就可能表现出对饮用水生物稳定性的限制因子作用。
　　我国水源水中总磷含量一般不会超过80μg/L，而由于水源受到有机物污染，总体上我国饮用水中有机物的含量要比欧洲发达国家及日本的饮用水中有机物的含量高。由此可以推断，就我国的水源水而言，采取有效手段尽可能降低水中磷的含量，使磷成为饮用水生物稳定性的限制因子的可能性是存在的。
　　 4 结论与建议
　　通过以上论述与分析，我们认为，磷作为饮用水生物稳定性的限制因子的发现具有重要意义，为提高我国饮用水生物稳定性提供了一个新的思路。在饮用水处理工艺过程中，应尽可能地去除原水中的磷。同时，减少甚至杜绝水厂和输水管网中外来磷源的引入，保证输水管网中磷的低含量，使磷成为管网细菌再生长的限制因子，从而保证饮用水的生物稳定性。考虑到我国水源受污染、水源水中有机物含量较高的现状，以及水源水中磷的去除相对有机物而言要容易的事实，有效地去除水中的磷以提高饮用水生物稳定性，具有一定的现实意义。
　　磷在饮用水处理过程中并不作为一项常规检测指标，关于磷在饮用水处理过程中去除情况的研究也十分缺乏。为了深入了解磷在饮用水生物稳定性中的限制因子作用和其现实意义，有必要对磷在各个水处理工艺过程中的去除情况以及如何提高磷的去除效率等一系列相关问题进行深入研究。