中国水利水电科学研究院 第12届青年学术交流会论文

文章编号：

(第12届交流会）[未发表]

臭氧消毒对农村饮用水生物稳定性的影响

鄢元波，贾燕南，丁昆仑，孙文海，赵翠

（中国水利水电科学研究院水利研究所，北京100048）

摘要：通过选取不同来源饮用水源水进行臭氧投加试验和分析饮水工程中 AOC变化情况，研究臭氧消毒对农村饮用

水生物稳定性的影响。结果发现 TOC较大（2.06mg/L）的地表水源水，AOC随着臭氧投加量的增大而升高，水的生

物稳定性减弱；TOC较小（0.48mg/L）的地下水源水则相反，AOC下降，稳定性增强；臭氧投加浓度较低（0~0.45mg/L）

时，对地下水和地表水的 TOC几乎无影响，当浓度较高（0.45~0.6mg/L）时，TOC出现下降趋势。村镇饮水工程臭

氧消毒后，管网中 AOC出现显著波动。对于饮水工程，优质的水源，合理控制臭氧投加量等都是保障农村饮用水生

物稳定性的重要环节。

关键词：农村饮用水；生物稳定性；臭氧消毒； AOC

中图分类号：文献标识码：A

臭氧是一种强氧化剂，其氧化能力是氯的２倍，杀菌能力是氯的数百倍[1]。臭氧消毒因其具有

不增加水的嗅和味、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点而受

到人们的青睐，并广泛的应用于各类供水系统的消毒环节[2]。然而，由于臭氧消毒的持久性差，消

毒过程中臭氧能将水中大分子有机物氧化为易于微生物利用的小分子，造成细菌在供水管网大量生

长，对饮用水生物稳定性构成潜在威胁[3-4]。因此关注、研究和解决臭氧消毒对饮用水生物稳定性影

响问题一直是水处理行业关注的焦点之一[5]。

AOC是生物可同化有机碳(Assimilable Organic Car-bon)，是有机物中最易被细菌吸收、直接同

化成细菌体的部分，被认为是控制配水管网细菌再生长的主要营养物质[6-7]。饮水中 AOC 与异养菌

生长有良好的相关性，是评价饮用水生物稳定性的重要指标。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[8]。通常 AOC 在 10μ g/L 以下被认为是生物稳定水。管网水中 AOC

控制在 50μg/L以内,细菌的生长就受到限制，故美国建议标准为 AOC< 50~100μ g/L，我国建议的近

期目标为 AOC< 200μ g/L，远期目标 AOC< 100μ g/L乙酸碳[9]。目前关于臭氧消毒对饮用水生物稳

定性（或 AOC）的影响的研究较多，但主要是针对城市水厂，复合工艺系统的研究，这些与农村小

型饮用水工程的特点和消毒工艺不符，不具有完全代表性。本研究以农村饮用水臭氧消毒工程为对

象，选取不同来源饮用水源水，通过室内制备高浓度臭氧水进行臭氧投加试验，并与实际工程相结

合的方法，研究臭氧消毒对水中 AOC指标，即饮用水中生物稳定性的影响。以期为臭氧消毒在农村

小型供水工程中的适用和生物稳定性保障措施的制定和实施提供参考。

收稿日期：

基金项目：科技支撑课题“村镇饮用水安全消毒与水质检测技术研究”( 2012BAJ25B03) 。

作者简介：鄢元波（1986-），男，湖北黄冈人，硕士生，助理研究员，主要从事农村饮水安全消毒研究。

E_mail:yuanboyan@163.com

1 材料与方法

1.1水样的采集与保存 取样瓶处理：取样用 100mL磨口玻璃瓶用洗涤剂洗净晾干，用重铬酸钾洗

液浸泡 8h以上，然后依次用自来水、蒸馏水、超纯水冲洗干净，121℃（15磅）灭菌 20 min。

水样采集与保存：水样采集前先对取样口进行去污灭菌处理，即先用酒精灯灼烧（金属管材）

或擦拭（塑料管材）取样口，然后打开取样口使水流自流 5min后取样。取样数量均为一式三份。其

中 AOC水样收集于 100mL洗净灭菌的磨口玻璃瓶中，盖上盖子后用封口膜包裹密封、套袋，置于

保温箱（4℃）中储存运输。水样在 7h内送到实验室，在 70℃的水浴锅中巴氏灭菌 30min以杀死活

性细胞。水样保存于 4℃冰箱中，并尽快测定。其他指标检测所需水样的采集依据《生活饮用水标

准间样方法—水样的采集与保存》（GB/T 5750.2—2006）执行。

1.2试验方法 已有研究[10-12]表明，温度是影响微生物繁殖和 AOC变化以及臭氧稳定性和有效性的

重要因素之一。因此该研究在开展了大量村镇臭氧消毒供水工程实地调研的基础上，选取具有代表

性的农村饮用水水源水和饮水工程于 2014年 6~7月间进行采样和试验，以保证试验的科学和合理性。

1.2.1臭氧投加对 AOC影响试验

取湖北孝昌 A地地表水源水北京大兴 B地地下水源水，分别投加一定量的高浓度臭氧水（高浓

度臭氧水采用循环混合柱制备，臭氧发生器为北京中瑞中天科技有限公司生产的 CF-D 型电解式臭

氧发生器），使投加后混合液初始臭氧浓度约为 0.3、0.6 mg/L 左右，反应 30min后加入适量硫代硫

酸钠，巴氏灭菌。然后加入适量营养盐进行 AOC检测。对照试验（包括未投加臭氧水的原水及高浓

度臭氧水溶液）等同步开展。水样的部分水质指标检测结果见表 1。

1.2.2臭氧投加对 TOC的影响试验

取 B地表水和北京密云 C地地下水源水（水样的部分水质指标检测结果见表 1），分别投加一定

量的高浓度臭氧水，使混合液臭氧初始浓度约为 0、0.15、0.3、0.45、0.6 mg/L，反应 30min后进行

TOC测定。对照试验同步开展。

1.2.3村镇饮用水臭氧消毒工程管网 AOC变化情况

分别采集北京市怀柔区 D村和 E镇两处臭氧消毒村镇供水工程中水源水、出厂水、管网中端和

末梢水样进行 AOC等指标测定。具体采样点布设情况为：D村供水工程取样点 3个，分别为地下水

源水，管网 10m用户水，管网 500m用户水。E镇净水厂取样点 3个，分别为清水池出水（未投加

臭氧），高压管网 200m用户水，高压管网 2000m用户水。水样的部分水质指标检测结果见表 1。

表 1水样的部分水质指标检测结果

样品来源 类型 pH TOC/(mg/L) COD(Mn)/

(mg/L) 菌落总数/（CFU/mL）

A地地表水源水

原水 8.87 2.06 2.14 1900

投加臭氧

（0.3mg/L） 8.87 2.15 2.09 4100

投加臭氧

（0.6mg/L） 8.85 1.96 1.85 250

B地地下水源水

原水 8.87 0.48 0.32 0

投加臭氧

（0.3mg/L） 8.87 0.35 0.22 19

投加臭氧

（0.6mg/L） 8.87 0.21 0.15 0

C地地下水源水 原水 7.75 1.11 0.44 1000

D村饮用水臭氧

消毒工程

原水 7.86 0.68 0.40 2

管网 10m 7.86 0.58 0.32 6

管网 500m 7.85 0.60 0.44 2

E镇饮用水臭氧

消毒工程

原水 7.75 0.23 0.42 0

管网 200m 7.73 0.15 0.36 1

管网 2000m 7.75 0.06 0.32 0

1.3测试方法 AOC测试方法[13]：取待测 40mL水样，经 70℃、30min水浴巴氏消毒后冷却至室温，

接种荧光假单胞菌 P17 (fluorescent pseudomonas)在 22~25℃下培养 2d，取培养液进行平板计数,计算

水样中的 AOC-P17浓度；然后再次对水样进行巴氏消毒，接种 NOX(spirillum)作为测试菌种在 22~25℃

下培养 3d，再对培养液进行平板计数，计算水样中的 AOC-NOX浓度；AOC-P17与 AOC-NOX之和即

为所测水样 AOC含量。

臭氧水浓度的测定方法：采用便携式多参数比色计（DR900，美国）检测水中臭氧浓度。

TOC测定方法：采用 TOC分析仪（multi N/C 3100，德国）测定。其他指标的测定方法参照《生

活饮用水标准检测方法》（GB/T5750-2006）执行。

2 试验结果与讨论

2.1 饮用水源水投加臭氧后 AOC变化结果 A地地表水和 B地地下水水源水及其投加不同浓度臭氧

后的 AOC结果如图 1所示。由图 1可知，A地地表水源水的 AOC为 85μg/L，属于生物不稳定水，

投加臭氧水（0.3mg/L）后 AOC增至 146μg/L，增加了 117%，水体不稳定性增强，当臭氧水初始投

加浓度为 0.6mg/L时，AOC显著增长至 324μg/L，约为原水的 3.8倍，已超出目前我国建议控制标

准。B地地下水水源水 AOC为 68μg/L，属于生物不稳定水，投加臭氧后 AOC下降为 0，水体达到

生物稳定水平。这说明臭氧及臭氧投加量能改变水中 AOC含量，影响水的生物稳定性。

臭氧可以通过直接反应或间接反应两种方式与物质反应[3]。对于不同分子量区间、不同含量的

有机物来说，臭氧可以是彻底氧化也可以是部分氧化[14]。赵新华等研究发现[15]原水经臭氧氧化处理

后，大分子质量（＞10 ku）和中等分子质量（1~10 ku）的 AOC 浓度均有所降低，而小分子质量( ＜

1 ku) 的 AOC 浓度则明显升高。A地地表水投加臭氧后，水中 AOC显著增大，这与国外学者研究

的结论[16]一致，这是由于臭氧与水中带不饱和键的有机物发生氧化反应，生成醛、酮、醇、羧酸等

中间产物，这些易降解的小分子物质为 P17和 NOX菌提供了丰富的营养物，造成 AOC值升高[17-18]。

初始臭氧投加浓度为 0.3mg/L时，单位臭氧的 AOC增量明显比 0.6mg/L时小，这可能是由于水中臭

氧间接氧化大分子有机物为生物可利用小分子有机物涉及多个中间环节[3,19]，当水中臭氧浓度有限

时，氧化过程在中间环节被迫终止，部分大分子有机物未被完全氧化，因而依旧不能被微生物利用

所致。B地地下水投加臭氧后，AOC下降为 0，这是由于地下水水质较好，TOC浓度低（见表 1），

O3/TOC较大，高剂量的臭氧臭氧化形成了抑止细菌生长的化合物，或者使细菌可以利用的化合物被

氧化成 CO2[20]。

李灵芝认为当水中 TOC 较少时，较少的臭氧

量就可将有机物氧化成二氧化碳和水；当水中 TOC

较高时，则转折点（AOC下降临界点）将往后移[17]。

A地地表水和 B地地下水臭氧投加后 AOC的变化

大相径庭，可能就是由于二者相异的水质条件决定

的，因此对于农村供水工程选择优质的水源至关重

要。对于实际饮用水工程，在保证消毒效果的同时，

合理控制臭氧投加量，能减弱出厂水的生物不稳定

性风险。

2.2.3 饮用水水源水投加臭氧后 TOC变化结果

A 地地表水和 C 地地下水投加臭氧后△ TOC

变化情况如图 2所示。由图 2可知，当臭氧水投加的浓度在 0~0.45mg/L之间时，A地地表水与 C地

地下水的△ TOC 值均在±0.1mg/L 之间波动，说明臭氧对水中 TOC 几乎没有影响，这与朱晓超等[6]

的研究结论一致。当臭氧水投加的浓度增至 0.45~0.6mg/L范围时，地表水与地下水的△ TOC值均表

现明显增大趋势，且地下水组增幅较大，。这表明臭氧氧化可以致使水中 TOC 下降，但氧化能力受

臭氧投加量制约。

臭氧投加浓度较低时，对 A地地表水中 TOC几乎无影响，但当 A地地表水投加臭氧后，AOC

明显增加（见图 1），这说明臭氧投加量较低（0.3mg/L）时，A地地表水中臭氧主要以间接反应为主，

氧化大分子有机物为小分子有机物，增加有机物的

生物可利用性，致使 AOC增加，而 TOC维持不变。

臭氧投加量较高（0.6mg/L）时，间接反应与直接反

应同时表现，一部分大分子氧化为小分子的同时，

部分小分子被继续氧化为 CO2中，使得 AOC继续增

加而 TOC 开始出现减小趋势。臭氧消毒后，水中

TOC和 AOC的变化不一致，因此对于 TOC较高的

水源，通过一次臭氧氧化来降低水体 TOC和 AOC，

达到保障饮用水生物安全性的目的不现实，应该通

过合理控制臭氧投加量或采用臭氧预处理组合其他

工艺处理后供水。

2.3村镇饮用水臭氧消毒工程管网中 AOC结果

D村和 E镇饮用水臭氧消毒工程水源水和管网中 AOC的结果如图 3所示。由图 3可知，D村饮

水工程原水 AOC为 43μg/L，属于不稳定性水，但因 AOC<50μg/L，水体微生物生长可能受抑制；投

加臭氧后 D-1 处 AOC 为 94μg/L，与原水相比增加了约 118％，水的不稳定性显著增加；管网 D-2

处 AOC为 48μg/L，较 D-1处下降了约 49％，管网水不稳定性减弱，再次成为生物抑制型水。E镇

饮水工程原水 AOC 为 82μg/L，属于不稳定性水；投加臭氧后 E-1 处 AOC 为 37μg/L，仅为原水的

45％，成为生物抑制型水；而 E-2处 AOC为 55μg/L，较 E-2处增加了约 49％，是生物不稳定水。D

村和 E镇供水工程水源水和管网水 AOC处于 37~94μg/L之间，均属于生物不稳定水，但远低于我国

建议控制标准值。

D村饮水工程，臭氧消毒后，D-2处 AOC增大，随着管网的延伸，在 D-3处 AOC减小，这可

能是由于管网末端输水管内水流动性较差， 微生物

繁殖消耗部分生物可降解有机碳，致使 AOC 下 降[21-22]。E镇饮水工程，当臭氧消毒处理后，在 E-2 处

AOC显著减小，该现象可能是由于原水 TOC 较 低

(见表 1)，水厂投加臭氧后，一部分有机物被 矿化为

CO2，致使 AOC 下降[17]。至 E-3 处 AOC 增 加，可

能是由于管网局部水流冲刷，使管道中部分 生物膜

脱落，以及管材的材质和使用年限导致管道 腐蚀和

有机物析出[23] 等引起的。尤其在农村地区， 为求经

济和方便，各种管材混用，管材质量得不到 保障，

管道腐蚀和析出问题可能更为突出，因此应 该予以

重视[24]。

刘文君等研究发现水源水质较好的水厂其出厂水和管网水中 AOC含量相对较低[25]。农村村镇地

下水的各项指标（见表 1），以及臭氧投加前后的 AOCC含量（见图 1和图 3）充分印证了一个观点。

因此，选择水质较好的水源和保障水源水不收污染是保障农村臭氧消毒生物安全性的前提。

3 结论

（1）TOC 较大（2.06mg/L）的农村饮用水水源水投加臭氧后，AOC 随着臭氧头投加量的增大而升

高，水的微生物稳定性降低；TOC较小（0.48 mg/L）的地下水，投加臭氧后 AOC则下降，水的生

物稳定性增加，因此对于臭氧消毒供水工程应该在保证消毒效果的前提下，控制臭氧投加量，可实

现经济运营并有效控制饮用水 AOC的增长。

（2）臭氧投加浓度较低（0~0.45mg/L）时，对地下水和地表水的 TOC 几乎无影响，当浓度较

高（0.45~0.6mg/L）时，TOC 出现下降趋势，地下水趋势较明显。水源水质，臭氧投加量可能是影

响水中 AOC和 TOC含量变化的重要因素，对于 TOC较高（或水质差）的水源水，应该通过合理控

制臭氧投加量或组合其他工艺处理后供水，以保证饮水的生物稳定性。

(3)该研究中的村镇饮水工程臭氧消毒后，管网中 AOC出现较大波动，均属于生物不稳定性水，

但低于我国目前建议控制标准。

（4）选择水质较好的水源是保障农村臭氧消毒生物安全性的前提。农村饮水工程应该重视管材

析出等饮用水二次污染的问题。

参 考 文 献 ：

[1] 任汉文, 蔡璇,朱煜, 等. 臭氧消毒技术研究进展[J]. 给水排水, 2011, 37:207-211.

[2] 靳俊伟, 林衍,李东. 臭氧消毒现状与发展[J].四川环境, 2004, 23(1): 18-20.

[3] Christriane G, Martin J, Anja K. 水和废水臭氧氧化—臭氧及其应用指南[M]. 李凤亭, 张冰如, 张善发, 译. 中国建

筑工业出版社, 2004.

[4] 刘汝鹏, 曲莹, 王新伟, 等. 饮用水水质生物稳定性及其控制措施[J]. 城镇供水, 2011, 4: 44-47.

[5] 方华, 吕锡武, 乐林生, 等. 饮用水生物稳定性的研究进展与评述[J].净水技术, 2004, 5: 15-18.

[6] 朱晓超, 吕锡武, 付军, 等. 臭氧消毒对饮用水中微生物生长的影响[J]. 供水技术, 2007, 1(1): 24-27.

[7] 王继萍, 华伟, 蒋介福春, 等. 臭氧-生物活性炭工艺去除 AOC 和有机物的效果研究[J].给水排水, 2014, 40(2):

11-15.

[8] 桑军强, 张锡辉, 周浩晖, 等. 总磷作为饮用水生物稳定性控制指标的研究[J]. 科学进展, 2003, 14(6): 720-725.

[9] 余国忠, 王根凤, 龙小庆, 等. 给水管网的细菌生长可能机制与防治对策[J]. 中国给水排水, 2000, 16(6): 18-20.

[10] Silhan J, Corfitzen C B, Albrechtsen H J. Effect of temperature and pipe material on biofilm formation and survival of

Escherichia coli in used drinking water pipes: a laboratory-based study. Water Sci Technol, 2006, 54(3): 49-56.

[11] 马颖, 龙腾锐, 方振东. 饮用水生物稳定性的评价体系[J]. 中国给水排水, 2004, 20(12): 96-98.

[12] 吴卿, 赵新华. 饮用水细菌总数及相关指标关系[J].中国公共卫生, 2006,2 2(3): 280-281.

[13] 刘文君, 王亚娟, 张丽萍, 等. 饮用水中可同化有机碳（AOC）的测定方法研究[J].给水排水, 2000, 26(11): 1-6.

[14] 吴红伟, 刘文君, 王占生. 臭氧组合工艺去除饮用水源水中有机物的效果[J]. 环境科学, 2000, 21: 29-33.

[15] 赵新华, 吴卿, 尤作亮. 配水管网饮用水微生物学水质研究[J]. 天津大学学报, 2005, 38(5): 410-414.

[16] Hacker P A, Paszko-Kolva C, Stewart MH, et al. Production and removal of assimilable organic carbon under pilot-plant

conditions through theuse of ozone PEROXONE[J]. Science and Engineering,1994,16(3): 197-212.

[17] 李灵芝, 李建渠, 王占生. 不同消毒剂对饮用水中可同化有机碳的影响[J].环境污染与防治, 2005, 27(6): 457-459.

[18] 张淑琪, 刘彦竹, 胡江泳, 等. 臭氧氧化自来水生物稳定性研究[J]. 环境科学, 1998, 5: 34-37.

[19] 王华然, 尹静. 饮用水生物稳定性研究进展[J].环境与健康杂志, 2009, 26(4): 367-370.

[20] Vahala R, Ala-Peijari T. Rintala J.Laukkanen R, et al. Evaluating \ ozone \ dose for AOC removal in two-step Gac

filters[J]. Water Science & Technology, 1998, 39(9): 13-120.

[21] Lechevrallier M W, Schulz W, Lee R G. Bacterial nutrients in drinkingwater[J]. Applied Environmental Microbiology,

1991,5 7(3): 85-73.

[22] Kooij V, Visser A, Hijnen W A M. Determining the Concentration of Easily Assimilable Organic Carbon in Drinking

Water. Journal (American Water Works Association), 1982, 74(10): 540.

[23] 李欣,马建薇, 袁一星. 城市给水管网水质研究与进展[J].哈尔滨工业大学学报, 2004, 36(10): 1392-1396.

[24] 袁志彬, 王占生. 城市供水管网水质污染的防治研究[J]. 天津建筑科技, 2003,2: 0-32.

[25] 刘文君, 吴红伟, 张淑琪, 等. 某市饮用水水质生物稳定性研究[J]. 环境科学, 1999, 2: 34-37.

Effects on Bio-Stability in ozone disinfection of rural drinking water

supply

Yuanbo Yan, YannanJia, Kunlun Ding, Wenhai Sun, Cui Zhao

(Deptment of Irrigation and Drainage China Institute of Water Conservancy and Hydropower, Beijing 100048, China)

Abstract: The effects on bio-stability in ozone disinfection of rural drinking water supply were

investigated by carring out out ozone dosing experiments with different sources of drinking water and

analyzing the response of AOC in drinking water supply.

to bio-stability. The results indicated that AOC increased with the addition of ozone doses, and the

bio-stability reduced in the surface water with the higher TOC (2.06 mg/L), however, the AOC reduced and

bio-stability increased in underground water with the lower TOC (0.48mg/L). In addition, the lower

additive amount of the ozone almost had no effect on the TOC of the surface water and underground water

in its range of 0~0.45mg/L, while the TOC tended to decline when the ozone dosing quantity in the range

of 0.45~0.6mg/L. Specially, the AOC significantly changed in water pipe after ozone disinfection of rural

drinking water supply. Finally, the high quality of drinking water sources and the reasonably controlling of

the ozone dosing quantityserve as important parts for guaranteeing the bio-stability of drinking water

supply.

Keywords: rural drinking water; bio-stability; ozone disinfection; AOC

中国水利水电科学研究院第十二届青年学术交流会

臭氧消毒对农村饮用水生物稳定性的影响

鄢元波，贾燕南，丁昆仑，孙文海，赵翠 （中国水利水电科学研究院水利研究所，北京100048）

摘要 通过选取不同来源饮用水源水进行臭氧投加试验和分

析饮水工程中 AOC变化情况，研究臭氧消毒对农村饮

用水生物稳定性的影响。结果发现 TOC 较大

（2.06mg/L）的地表水源水，AOC随着臭氧投加量的

增大而升高，水的生物稳定性减弱；TOC 较小

（0.48mg/L）的地下水源水则相反，AOC下降，稳定

性增强；臭氧投加浓度较低（0~0.45mg/L）时，对地

下水和地表水的 TOC 几乎无影响，当浓度较高

（0.45~0.6mg/L）时，TOC 出现下降趋势。村镇饮水

工程臭氧消毒后，管网中 AOC出现显著波动。对于饮

水工程，优质的水源，合理控制臭氧投加量等都是保

障农村饮用水生物稳定性的重要环节。

关键词

农村饮用水；生物稳定性；臭氧消毒； AOC

鄢元波

报告人即第一作者简介

鄢元波（1986-），男，湖北

黄冈人，硕士生，助理研究

员，主要从事农村饮水安全

消 毒 研 究 。

E_mail:yuanboyan@163.com

注：论文未公开发表过。