供水管網(wǎng)內(nèi)生物膜與余氯衰減交互作用

鐘 丹，袁一星，馬文成，吳晨光，袁 媛，李陽青

(1.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090；2.北京電子科技職業(yè)學院 生物工程學院，北京 100176)

供水管網(wǎng)內(nèi)生物膜與余氯衰減交互作用

鐘 丹1，袁一星1，馬文成1，吳晨光1，袁 媛2，李陽青1

(1.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090；2.北京電子科技職業(yè)學院 生物工程學院，北京 100176)

為研究生物膜與余氯衰減之間的交互作用，通過靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗相結合的模擬方式，在自制供水管網(wǎng)模擬裝置內(nèi)進行實驗.選擇鑄鐵、PE、不銹鋼3種管材及1，3，4 mg/L 3個投氯量，多角度研究不同質量濃度余氯存在條件下生物膜的形成和發(fā)展差異，以及生物膜作用下的余氯衰減情況，探討管網(wǎng)內(nèi)余氯和生物膜的相互影響.結果表明：余氯質量濃度對生物膜的形成和發(fā)展具有較顯著的影響，另一方面，在生物膜作用下，余氯衰減呈現(xiàn)不同的規(guī)律，二者之間交互作用，具體表現(xiàn)為：投氯量升高，PE和不銹鋼管內(nèi)生物量均逐漸降低，而鑄鐵管內(nèi)生物量反而升高；在生物膜作用下，余氯衰減分為快速消耗階段(0～30 min)和穩(wěn)定消耗階段(30 min之后)；鑄鐵管內(nèi)生物膜對余氯衰減狀況影響較大，PE管次之，不銹鋼管對余氯衰減影響最??；生物膜的生物多樣性對余氯衰減影響不大，而生物量與余氯衰減之間關系密切；流速和初始氯質量濃度對余氯衰減影響較大.本研究結果可為供水管網(wǎng)氯消毒的控制以及氯衰減模型的建立提供必要的理論支撐，強化管網(wǎng)水質安全的保障.

供水管網(wǎng)；水質；余氯；衰減規(guī)律；管材；生物膜

隨著管網(wǎng)的多年運行，沿管道內(nèi)壁會逐漸形成生長環(huán)[1-2].生長環(huán)是管道內(nèi)沉淀物、銹蝕物、黏垢、生物膜等構成的混合體[3-5].生長環(huán)表層的黏稠狀薄膜即為生物膜.自來水在管網(wǎng)輸送的過程中與生物膜直接接觸，且可在管網(wǎng)中停留數(shù)小時乃至數(shù)天，若受到二次污染，將導致用戶端水質惡化，因此，供水管網(wǎng)內(nèi)生物膜對水質的影響備受關注，對此的研究也愈來愈多.而對于管網(wǎng)內(nèi)生物膜與余氯衰減交互作用的研究較少.本文通過動態(tài)模擬試驗，研究了余氯對生物膜形成的影響及生物膜作用下的余氯衰減規(guī)律.本研究成果對供水管網(wǎng)氯消毒的控制、氯衰減模型的建立及水質安全保障具有重要的指導意義[6-8].

1 實 驗

1.1 實驗裝置

采用的供水管網(wǎng)模擬裝置及各部分構造如圖1所示.根據(jù)目前管網(wǎng)材質的調研結果，選擇鑄鐵、PE、不銹鋼作為研究管材，分別制作各研究管材的掛片.鑄鐵管材掛片為長12 cm，寬2.5 cm，厚0.9 cm的矩形，由DN50的新管道加工而成；PE管材掛片長10 cm，由外徑32 mm、壁厚3 mm的新管道加工而成；不銹鋼管材掛片長12.5 mm，由外徑20 mm、壁厚1 mm的新管道加工而成，掛片制作方式如圖2所示.模擬管網(wǎng)總長5 m，掛片置于輔助管段內(nèi)，輔助管段采用醫(yī)用PVC管.

1—自來水; 2—高位水箱; 3—攪拌裝置; 4—消毒劑投加裝置; 5、7—水泵; 6、8、13、14、15—閥門; 9—低位水箱; 10—流量計; 11、12—管段生物膜反應器; 16—排水口

圖1 管道模擬系統(tǒng)示意

Fig.1 Schematic diagram of pipelines

圖2 試驗管段實物

實驗采用市政管網(wǎng)的自來水，水質狀況如表1所示.高位水箱材質為304不銹鋼，容積為1.2 m3，低位水箱材質為PVC，容積為30 L，水在高位水箱內(nèi)與消毒劑混合穩(wěn)定，由高位水箱進入低位水箱后，在水泵的作用下在模擬管網(wǎng)及低位水箱內(nèi)循環(huán).流速的測定采用容積法，可通過調節(jié)閥門改變流速.

表1 進水水質

1.2 實驗方法

為了便于實驗運行和比較，共制作了圖1所示的12套實驗裝置，實驗在12套裝置內(nèi)平行進行，各裝置管材及投氯量如表2所示.從水廠的投氯量角度考慮選擇1 mg/L, 從耐氯菌的特性研究考慮選擇3，4 mg/L兩個質量濃度.實驗裝置于8月初開始運行.

表2 各裝置管材及投氯量

1.2.1 生物膜和進出水HPC測定

采用異養(yǎng)菌平板計數(shù)法(HPC)，具體步驟如下：

1)樣品采集.取下實驗裝置中的一段實驗管段，用滅菌的去離子水沖洗后放入裝有無菌蒸餾水的廣口瓶中，將廣口瓶置于超聲波振蕩器中，功率設置為80 W振蕩2 min，間歇2 min，如此重復5次；2)樣品稀釋.利用倍比稀釋法將水樣稀釋到需要的質量濃度；3)接種.取上述稀釋菌液0.5 mL接種到準備好的培養(yǎng)皿中，用涂棒將水樣均勻涂于培養(yǎng)皿表面，并用封口膜封住平板，每個稀釋度3個平行樣；4)培養(yǎng).于25 ℃恒溫倒置培養(yǎng)5～7 d；5)計數(shù).待菌落數(shù)目穩(wěn)定后對菌落數(shù)目進行計數(shù)，據(jù)此計算水樣中異養(yǎng)菌數(shù)目.

1.2.2 進出水其他水質測定方法

試驗中溫度、濁度、pH、電導率、TOC、總鐵等常規(guī)指標均按國家標準方法測定[9]，余氯的測定方法采用 DPD(N,N-二甲基-1,4-二苯胺)比色法.

2 結果與討論

2.1 供水管網(wǎng)內(nèi)余氯對生物膜生長的影響

實驗裝置先行運行約60 d，此時管壁內(nèi)生物膜生物量已經(jīng)穩(wěn)定，于10月和12月對各裝置取樣并測定，12月水溫約18 ℃，10月水溫約26 ℃，圖3分別為1～4號(PE)、5～8號(不銹鋼)和9-12號(鑄鐵)裝置管壁生物膜生物量隨余氯質量濃度的變化.可以看出，PE、不銹鋼、鑄鐵管材內(nèi)管壁生物膜細菌密度的對數(shù)值分別在3.8～5.3、1.1～4.6、4.5～6.4內(nèi)，即細菌密度分別為6.0×103～1.81×105、13～4.01×104、3.4×104～2.78×106cell/cm2.

由圖3(a)、(b)可知，PE和不銹鋼管內(nèi)，隨著余氯質量濃度的升高，生物量均逐漸降低，二者呈負相關關系.其中，PE管內(nèi)，10月份和12月份的相關系數(shù)分別為0.82和0.71.不銹鋼管內(nèi)，10月份和12月份的相關系數(shù)分別為0.85和0.82，生物量受余氯質量濃度影響均較大.也可以看出，溫度升高，生物量增大，余氯的衰減也增大.但在PE管中，余氯質量濃度為0和4 mg/L的裝置內(nèi)細菌密度的波動較小，僅相差10倍，而不銹鋼管內(nèi)的變化幅度較大，相差1 000倍以上.

圖3 余氯質量濃度與管壁生物膜生物量的關系

值得注意的是，圖3(c)中，與另外兩種管材不同，鑄鐵管內(nèi)壁生物膜生物量隨余氯質量濃度的升高反而升高，與余氯質量濃度呈正相關關系，10月份和12月份的相關系數(shù)分別為0.69和0.96.但是細菌密度波動較小.這是由于鑄鐵管材容易腐蝕，形成的銹蝕物可增加比表面積，為微生物提供更多安全的棲息地，保護其生長.而PE管材很難被腐蝕，內(nèi)壁光滑平整，不銹鋼管材更是如此.因此，余氯的作用也更明顯，更有利于微生物的滅活，管內(nèi)衛(wèi)生狀況也更好.此外，生物膜培養(yǎng)階段為高氯環(huán)境，使得微生物逐漸形成耐氯性，當加大投氯量時，在管壁內(nèi)生長的微生物逐漸減少，無耐氯能力的細菌被滅活，這就使存活的微生物能夠獲得更多的養(yǎng)分和棲息地.

2.2 供水管網(wǎng)內(nèi)生物膜對氯衰減的影響

2.2.1 管壁生物膜作用下余氯衰減動力學研究

以下述條件培養(yǎng)的生物膜作為研究對象：鑄鐵管材，余氯質量濃度為3 mg/L，流速為0.6 m/s，溫度為15 ℃.待生物膜穩(wěn)定后，投加1 mg/L的氯，并逐時測定余氯質量濃度，得到衰減曲線如圖4所示.可以看出，在生物膜的作用下，余氯的衰減分為快速消耗階段(0～30 min)和穩(wěn)定消耗階段(30 min之后)，此現(xiàn)象與氯衰減規(guī)律一致[10-11].原因可能是：反應初期，主體水中的余氯與生物膜直接接觸并發(fā)生氧化還原反應，同時，在水流的沖刷作用下，部分生物膜由管壁脫離進入水中，增大了與余氯接觸的機會，反應速率隨之增大.生物膜表面易于與氯發(fā)生反應的物質隨反應的進行逐漸被消耗盡，余氯需要向生物膜內(nèi)部擴散才能進一步與生物膜發(fā)生反應.因此，消耗速度逐漸減慢，進入穩(wěn)定消耗階段.

生物膜+反應器：管網(wǎng)中總的余氯衰減情況；反應器：去除實驗管段后余氯的衰減情況；生物膜余氯衰減曲線=余氯初始質量濃度-(反應器余氯衰減曲線-生物膜反應器余氯衰減曲線)

圖4 生物膜存在條件下的余氯衰減曲線

Fig.4 Chlorine decay with the existence of biofilm

決定余氯衰減速率的因素為余氯向生物膜內(nèi)部的擴散速率和余氯與生物膜表明物質之間的反應速率，而后者更快，因此，后者決定了余氯衰減速率.

由圖4可知，穩(wěn)定消耗階段，余氯質量濃度與反應時間呈較好的線性關系，因此，該階段的余氯衰減可由零級反應表征.由圖4還可見，生物膜余氯衰減曲線位于反應器余氯衰減曲線下方，這說明與主體水相比，管壁對余氯衰減的影響要大得多.這是由于生物膜中聚集了大量的有機物質，遠多于主體水中的量，且隨著微生物的生長，不斷分泌胞外物質，使得生物膜不斷增厚，死亡的微生物也可與氯發(fā)生反應[12].這也是余氯衰減模型的建立要考慮管壁衰減的原因.

2.2.2 生物膜與余氯反應的影響因素分析

1)管材的影響.將1 mg/L余氯質量濃度下培養(yǎng)的生物膜作為研究對象.待生物膜穩(wěn)定后，投加1 mg/L的氯，并逐時測定余氯質量濃度，得到余氯衰減曲線，如圖5所示，余氯衰減情況如表3所示.本研究中的余氯消耗系數(shù)是指余氯衰減一級模型中的系數(shù)k(ρ=ρ0×e-kt)，k值的確定是通過Excel軟件，對余氯質量濃度和時間擬合得到.

投氯量為1 mg/L

圖5 不同管材培養(yǎng)的生物膜作用下余氯衰減曲線

Fig.5 Chlorine decay with the existence of biofilm developed in different pipe materials

由圖5和表3可知，在快速消耗階段， PE、鑄鐵管內(nèi)生物膜作用下的氯衰減狀況基本一致，氯消耗量及余氯衰減系數(shù)均大于不銹鋼管.在穩(wěn)定消耗階段，鑄鐵管內(nèi)余氯消耗速率明顯大于PE、不銹鋼管材，是后者的3～4倍，PE、不銹鋼管壁內(nèi)生物膜對余氯衰減速率的影響非常接近.可見，在3種管材培養(yǎng)的生物膜中，鑄鐵管的影響最大，PE管第二，不銹鋼管影響最小.這也是由于鑄鐵管易腐蝕，可為微生物提供庇護所，而PE和不銹鋼管不易腐蝕，內(nèi)壁光滑，這與Van der Kooij等的研究結論一致[13].

表3 不同管材生物膜生物量及余氯衰減情況

Tab.3 Biofilm biomass and chlorine decay coefficient in different pipe materials

管材生物膜生物量/log(CFU·cm-2)快速消耗階段余氯衰減量/(mg·L-1)穩(wěn)定消耗階段余氯消耗系數(shù)/(mg·L-1·min-1)不銹鋼2.930.164.8E-4鑄鐵5.540.241.5E-3PE4.310.244.0E-4

2)生物多樣性的影響.由研究知，鑄鐵管內(nèi)的余氯質量濃度對生物膜多樣性及細菌種類影響較大[14-15]，因此，在1、3和4 mg/L余氯質量濃度下培養(yǎng)生物膜并作為研究對象，考察生物多樣性對余氯衰減的影響.待生物膜穩(wěn)定后，投加1 mg/L的氯，保持實驗條件為：流速0.6 m/s，溫度15 ℃，并逐時測定余氯質量濃度，得到余氯衰減曲線(如圖6所示)，余氯衰減情況如表4所示.

圖6 生物膜作用下余氯衰減曲線(鑄鐵)

Fig.6 Chlorine decay with the existence of biofilm developed in different chlorine concentration (cast iron)

表4 不同余氯質量濃度下培養(yǎng)的生物膜生物量以及余氯衰減情況(鑄鐵)

Tab.4 Biofilm biomass and chlorine decay coefficient with the existence of biofilm developed in different chlorine concentration (cast iron)

ρ(余氯)/(mg·L-1)生物膜生物量/log(CFU·cm-2)快速消耗階段余氯衰減量/(mg·L-1)余氯消耗系數(shù)/(mg·L-1·min-1)15.540.241.5E-336.290.211.2E-346.440.071.2E-3

由圖6、表4可知，在快速消耗階段，隨著余氯質量濃度的增加，余氯的衰減量不斷減少；在穩(wěn)定消耗階段，隨著余氯質量濃度的增加，余氯的衰減系數(shù)變化不大.說明生物多樣性對余氯衰減速率影響不大，上述現(xiàn)象可用生物進化理論解釋.在生物膜的培養(yǎng)過程中，微生物已經(jīng)適應了高氯質量濃度，具備了一定的抗氯性，能夠抵抗余氯的滅活作用，且隨著培養(yǎng)環(huán)境余氯質量濃度的提高，這種抗氯性愈加顯著.也有學者得到類似的結論[3, 16-17].

3)生物膜生物量的影響.以0、1、3、4 mg/L余氯質量濃度下、PE和不銹鋼管內(nèi)培養(yǎng)生物膜作為研究對象，考察生物量對余氯衰減的影響.待生物膜穩(wěn)定后，投加1 mg/L的氯，并逐時測定余氯質量濃度，得到余氯衰減曲線如圖7所示.由表5、圖7可知，在穩(wěn)定消耗階段，隨著余氯質量濃度的升高，PE管內(nèi)余氯衰減系數(shù)不斷減小，投氯量為0和4 mg/L時余氯衰減系數(shù)相差6倍.不銹鋼管內(nèi)余氯衰減系數(shù)更為接近.

PE、不銹鋼管內(nèi)余氯衰減系數(shù)與生物膜生物量的關系如圖8所示.可以看出，兩種管材內(nèi)，相關性系數(shù)都較高，表明二者的正相關關系較顯著.這是由于微生物在生長過程中不斷分泌胞外物質用以保護自身免受外界影響，同時黏附水中有機物，因此，生物膜中生物量的多少從某種程度上反映了水中有機物的數(shù)量，這些物質均可與余氯發(fā)生反應，因此，生物膜的生物量與余氯衰減之間必然存在緊密聯(lián)系.也有學者得到類似結論[18-20].

表5 不同余氯質量濃度下培養(yǎng)的生物膜生物量以及余氯衰減情況

Tab.5 Biofilm biomass and chlorine decay coefficient with the existence of biofilm developed in different chlorine concentration (PE, stainless steel)

管材ρ(余氯)/(mg·L-1)生物膜生物量/log(CFU·cm-2)余氯消耗系數(shù)/(mg·L-1·min-1)PE05.266.8E-414.314.1E-434.102.3E-444.001.0E-4不銹鋼05.311.08E-315.544.8E-436.294.6E-446.443.2E-4

圖7 4種余氯條件下培養(yǎng)的生物膜影響下余氯衰減曲線

Fig.7 Chlorine decay with the existence of biofilm developed in different chlorine concentration

4)流速的影響.以1 mg/L余氯質量濃度下、不銹鋼管內(nèi)培養(yǎng)生物膜并作為研究對象.分別測定流速為0.4和0.6 m/s時余氯的衰減情況，得到余氯衰減曲線(如圖9所示).快速衰減階段，與0.4 m/s相比，流速為0.6 m/s時余氯衰減較大；穩(wěn)定消耗階段，與0.4 m/s相比，流速為0.6 m/s時余氯衰減速率較大.這可從流體力學的角度解釋：一方面，流速增大，水流對生物膜的沖刷作用增大，將有更多的生物膜脫離管壁進入主體水，增加了反應的幾率；另一方面，流速增大，管內(nèi)壁黏性底層變薄，氧和余氯通過該層的擴散補給更容易，因此，促進了反應的進行，增加了氯的消耗.

圖8 生物膜生物量與余氯消耗系數(shù)的關系

Fig.8 Relation between biofilm biomass and chlorine decay coefficient

圖9 生物膜作用下流速對氯衰減的影響

Fig.9 Influence of velocity on chlorine decay with the existence of biofilm

5)初始氯質量濃度的影響.以1 mg/L余氯質量濃度下、PE管內(nèi)培養(yǎng)生物膜作為研究對象.分別測定初始氯質量濃度為1、2 mg/L時余氯的衰減情況(如圖10所示).在快速消耗階段，投氯量為1 mg/L時，余氯質量濃度降低了24%，投氯量為2 mg/L時，余氯質量濃度降低了13%；在穩(wěn)定消耗階段，與1 mg/L相比，投氯量為2 mg/L時，余氯衰減速率系數(shù)更大，是前者的9倍.可見，增加投氯量在初期并不能引起余氯消耗的加快，因為這段時間內(nèi)增加余氯消耗量的主要因素是有機物質的量，而在后期，余氯衰減速率更快，因為增大投氯量使得生物膜與主體水中余氯質量濃度的差值增大，擴散速度增大.

圖10 生物膜作用下初始氯質量濃度對余氯衰減的影響

Fig.10 Influence of chlorine dosage on chlorine decay with the existence of biofilm

3 結 論

1)PE和不銹鋼管內(nèi)，隨著余氯質量濃度的升高，生物量均逐漸降低，而鑄鐵管內(nèi)生物膜生物量隨著余氯質量濃度的升高反而升高.

2)在生物膜作用下，余氯衰減分為快速消耗階段(0～30 min)和穩(wěn)定消耗階段(30 min之后)；在3種管材培養(yǎng)的生物膜中，鑄鐵管的影響最大，PE管第二，不銹鋼管影響最小.

3)生物膜的生物多樣性對余氯衰減速率影響不大，而生物量與余氯衰減之間關系密切；流速對余氯衰減影響較大，初始氯質量濃度對余氯的穩(wěn)定消耗階段具有較大影響.

4)高氯環(huán)境下培養(yǎng)的生物膜適應了氯的存在，具有一定抗氯性，這也可證明管網(wǎng)內(nèi)耐氯菌存在的可能性.

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(編輯 劉 彤)

Interaction effects between biofilm and chlorine decay in water distribution network

ZHONG Dan1, YUAN Yixing1, MA Wencheng1, WU Chenguang1, YUAN Yuan2, LI Yangqing1

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment,School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2.School of Biological Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100176, China)

In order to know the interaction effects between biofilm and chlorine decay, influences of chlorine residual on biofilm formation and chlorine decay rules under the existence of biofilm were investigated through static and dynamic simulation in simulated pipelines. Three kinds of pipe materials (cast iron, PE, stainless steel) and 3 chlorine dosage (1, 3, 4 mg/L) were chosen. Results show that chlorine decay and biofilm development interacted, and the specific results are as follows. With the increase of chlorine, biomass decreases in PE and stainless steel, while increases in cast iron; with the existence of biofilm, chlorine decay could be divided into two parts: fast decay (0-30 min) and stable decay (after 30 min). Cast iron influences chlorine decay seriously, followed by PE, and the effects of stainless steel is minimum. Influence of biological diversity on chlorine decay is not obvious, while biomass is closely related with chlorine decay. Velocity and chlorine dosage influenced chlorine decay evidently. This research could support disinfection, chlorine decay modeling and water quality security in water distribution network.

water distribution network(WDN)；water quality; chlorine residual; decay rules; pipe material; biofilm

10.11918/j.issn.0367-6234.201608050

2016-08-15

國家自然科學基金(51578180;51308149)；城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)自主課題(2014TS08)

鐘 丹(1981—)，女，副教授； 袁一星(1957—)，男，教授，博士生導師

馬文成，damahit@163.com

TU991. 21

A

0367-6234(2017)08-0049-06