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给水管网铁不稳定的危害主要包括:
(1)在管网内结垢,造成输水能耗的增加;
(2)引起用户出水色度、嗅味和浊度超标,严重时产生“红水”;
(3)引起消毒剂(余氯)和溶解氧的衰减;
(4)增加管网水的生物不稳定性,可能引发条件致病菌的生长;
(5}腐蚀管网,降低管网寿命;
(6)特殊条件下,管垢可吸附水中痕量的砷和镭等元素,并可能释放到管网水中。
给水管网铁稳定性问题从广义上讲,主要包括:
管网腐蚀、管垢形成、铁释放现象等多个复杂问题,包含物理、化学、生物等多种反应,由图1.1可以看出这些问题之间相互关联,相互影响。
其中对于管网腐蚀中电化学腐蚀和铁释放现象中化学因素和水力条件的影响l,国内外已开展了较多研究,但是对于铁稳定性问题中重要组成微生物的作用和影响研究较少,尚未得到定量的评价。
另一方面,随着城市供水安全性和可靠性的需求不断增加,北方地区例如北京、天津、河北等地采用双水源或多水源供水,这种季节性水源切换和长距离调水可能导致原水水质突变,为管网稳定性带来新的问题。
因此为了完善给水管网铁稳定性理论体系,形成给水管网黄水问题控制技术,针对目前管网铁稳定性问题中的微生物作用和水源切换对管网稳定性的影响开展研究是十分必要的。
2给水管网铁细菌生长的危害
给水管网中铁细菌的生长会对管网腐蚀、铁释放、管垢特性以及管网水质产生较大的负面影响,造成用户出水浊度、色度升高,伴有红褐色沉淀物等。
给水管网中铁细菌引起的危害主要如下:
(1)腐蚀管网和管道设备
铁细菌等微生物通过其生命活动引起或促进管材腐蚀破坏,使得管壁的强度变差,容易由于点蚀引发爆管,从而减少管网的使用寿命。
2)增加出水浊度、色度和嗅味铁细菌大量生长使得管道内壁形成红棕色粘泥状腐蚀产物,在水力作用下进入管网水中增加管网水浊度、色度。
同时铁细菌的生长为硫化细菌等提供了生存环境,生成硫化氢等引起嗅味问题。
3)阻塞管道,增加能耗
由于铁细菌促进腐蚀,管道内壁形成大量管垢,降低过水面积和流速,增加能耗。
如果铁细菌大量生长会形成肉眼可见的絮状物或者红棕色凝胶体,进入水中后造成管道和设备的阻塞。
4)阻碍消毒作用
管网腐蚀速率较快时,会严重影响消毒剂的作用效果。
5)促进其他微生物生长
通常情况下,铁细菌的大量生长,为其他细菌生长提供基质,并且为硫酸盐还原菌创造了厌氧环境,从而增加出水的生物不稳定性,引发条件致病菌的生长。
1.1.3水源切换对给水管网水质的影响
水源切换后,虽然原水水质和出厂水水质都符合相应的标准,但是新水源水质与原水源水质的差异可能会引起管网化学稳定性问题,导致水在配水过程中发生二次污染,使用户出水严重超标。
国外曾经报道过由于饮用水水源更换而导致的供水管网大范围的水质恶化问题。
例如,美国南加利福尼业地区在20世纪40年代水源由地下水更换为地表水后,引发了严重“黄水”问题。
黄水发生时,管道表面的腐蚀锈层脱落,管壁上生物膜进入水中,导致用户出水产生异嗅、异味。
这一现象持续了很长时间,直至管壁表面形成了新的稳定钝化层后才结束。
美国Tucson市1992年由地下水改用科罗拉多河地表水后,也引起了大量用户投诉和抱怨,水质超标问题持续了较长的时间。
国内的部分城市在水源切换时,管网水质也出现超标的现象。
例如天津市季节性切换黄河水和滦河水,在水源切换后,管网用户端出水出现较多黄水问题投诉,并且出现细菌超标的问题。
石家庄市在地下水源切换为地表水源时,也出现大范围的黄水问题,并且持续约2个月。
目前,我国南水北调等长距离输水工程的建设和运行,在提供充足水量的同时也为城市供水带来新的问题,因此对水源切换可能引起的管网铁稳定性问题展开研究,形成适当的应对黄水问题的控制技术是十分迫切需要的。
1.2国内外研究进展
1.2.1铁细菌
2.1.1铁细菌定义
1836年Ehrenberg发现了铁细菌,经过不断的探索研究,H.R.霍洛得尼《铁细菌》一书中提到,典型的铁细菌具有以下三个生理特征.
1)能在将Fe2+氧化为Fe3十的过程中起催化作用;
2)可以利用这个反应过程中释放的能量,满足自己生命活动的需要;
3)分泌大量氢氧化铁(它们的氧化活动的主要产物),形成某种定形结构状态,其总量按重量和体积来看,要超过活微生物的原生质重量好几倍。
这是一种对铁细菌狭义的定义。
《StandardMethodsfortheExaminationofWaterandWastewater》(1995)中对于铁细菌从更广泛的角度进行了定义:
通常情况下,能够从业铁或铁溶液中转换或沉淀大量氢氧化铁的细菌统称为铁细菌。
这些细菌在形态学和生理学上是各异的,但是具有相同的能力就是能够转化或者沉积大量的铁,通常是以令人讨厌的粘液形式存在。
铁细菌形态包括扮状菌和单细胞菌;
营养形式包括自养、异养和兼性;
呼吸类型包括好氧、厌氧和兼性的。
铁细菌能够代谢还原性铁并且以氢氧化铁的形态沉淀或者存在于其分泌液中。
这种大量的棕色粘液的产生,将造成饮用水出现“红水”现象并且产生难闻的气味。
有一些细菌不能直接氧化业铁,但是能够间接的使铁溶解或者沉淀。
在它们生长过程中,这些细菌通过利用附带铁离子的有机根,或者通过改变周围环境条件使得铁溶解或者沉淀下来。
在这种情况下,虽然产生的氢氧化铁的量相对较少,但是仍会造成管网水产生嗅、味以及管网的生物堵塞。
2.1.2铁细菌分类
伯杰氏细菌手册中,在铁细菌的分类上有相当大的差异。
在第七版中铁细菌被归入柄杆菌科(Caulobacteriaceae),鞘铁细菌科(Siderocapsaceae),鞘杆菌科(Chlamydobacteriaceae)和泉发菌科(Crenotrichaceae);
IfU在第八版中,铁细菌被归成15个属:
第二部分滑动细菌中曲发菌属(Toxothrix)第二部分鞘细菌中球衣菌属(Sphaerotilus)、纤发菌属(Leptothrix)、利斯克氏菌属(Lieskeella)、泉发菌属(Crenothrix)和细枝发菌属(Clonothrix)第四部分生芽的和(或)有附属物的细菌中土微菌属(pedomicrobium),嘉氏铁柄杆菌属(Gallionella)、生金菌属(Metallogenium)和库兹涅佐夫氏菌属(Kusnezovia)以及第12部分革兰氏阴性化能自养菌中硫杆菌属(Thiobacillus)中的仅一种Thiobacillusferrooxidans,鞘铁菌属(Siderocapsa)、瑙曼氏菌属(Naumanniella),储菌属(Ochrobium)和铁球菌属(Siderococcus)。
霍洛得尼在《铁细菌》书中,根据铁细菌的形态学将其分为两大类:
线状铁细菌和普通铁细菌。
线状铁细菌细胞椭圆形,相互连成相当长的线体,有时整个线体是由一整个的原生质组成的,不能区分成细胞;
氢氧化铁堆积成圆柱形的空皮鞘状态。
线状铁细菌包括扮细菌属(Lepthothrix)和铁细菌属。
普通铁细菌细胞圆形或呈弧状弯曲,罕有呈直的杆状;
有单个的,也有连接成菌胶团的;
细胞分泌胶态氢氧化铁,形态多样(薄层状、小瘤状、线状、带状);
没有内腔可以作为线状或带状结构特征,由一团氢氧化铁组成,螺旋状缠绕十本轴的周围,有时相互围绕。
主要包括嘉氏铁柄杆菌属、鞘铁细菌属和链球铁细菌属。
也有研究人员根据氧化或还原铁的能力将参与铁转化过程的细菌分为铁氧化菌和铁还原菌。
铁氧化菌(iron-oxidizingbacteria)例如嘉氏铁柄杆菌等,能够将二价铁氧化成三价铁,同时沉淀在细胞表面,形成大量的铁代谢产物铁鞘。
K.M.E.Emde等人的研究发现管网中形成腐蚀产物主要是由铁氧化菌造成的.铁还原菌(iron-reducingbacteria)能够将Fe3+还原为Fe2+从而影响管道的金属腐蚀,很多微生物都拥有这种能力包括E.coli.,Bacillus,Pseudomonassp.。
从给水管网瘤状管垢中分离得到的优势种群主要是铁还原菌,最普遍存在的铁还原菌是Bacillussp.,其次是Pseudomonassp.,PseudomonasfZuorescens,P.aeruginosa,Citrobactersp.,Klebsiellasp.和Edwardsiellasp.}36}。
显然根据铁细菌的定义,铁还原菌不能算作铁细菌。
尽管伯杰氏手册对铁细菌进行了比较清晰的分类,但是仍有很多其他属种的细菌被研究报道认为符合铁细菌的特征。
Clark等人简要的综述了条件铁细菌的定义,生物学上所有具备使铁沉积能力的微生物。
利用含有柠檬酸铁铵的合成培养基,发现Aerobacteraerogenes,Serratiaindica和Bacilluspumulis都
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