原水水質(zhì)對(duì)輸送管道中含氮污染物轉(zhuǎn)化和生物膜的影響

薛如冰，劉志剛，周正協(xié)，陳 衛(wèi)，許 航，顧艷梅

(1. 河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098； 3.寧波市自來(lái)水有限公司，浙江寧波 315041)

含氮污染物是我國(guó)地表水源中主要的污染物之一。水源水中含氮污染物的組成復(fù)雜，有機(jī)氮與無(wú)機(jī)氮在化學(xué)、水生動(dòng)植物或微生物作用下可以相互轉(zhuǎn)化[1-2]。水中氮素的遷移轉(zhuǎn)化包括硝化、反硝化、厭氧氨氧化、同化等，受微生物、pH、溶解氧(DO)、有機(jī)質(zhì)含量、水溫等多種因素的共同影響[3-4]。原水輸送管道是城鎮(zhèn)給水系統(tǒng)的主要組成部分，輸送過(guò)程中含氮污染物之間的相互轉(zhuǎn)化直接關(guān)系到水處理技術(shù)效能及其水質(zhì)安全。

原水水質(zhì)直接影響原水輸送管道內(nèi)微生物的新陳代謝，同時(shí)對(duì)管道內(nèi)DO的消耗產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響管壁生物膜的群落結(jié)構(gòu)及管道內(nèi)含氮污染物的轉(zhuǎn)化。已有研究表明：在供水管網(wǎng)中，水中的磷濃度和UV254的增加會(huì)促進(jìn)管壁生物膜中異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)[5-6]；懸浮顆粒能夠附著水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，因此，水體的渾濁度越高，管道中異養(yǎng)菌的數(shù)量也越多[7]。高煒[8]在對(duì)長(zhǎng)度為45 km的原水管道中水質(zhì)指標(biāo)變化的研究后發(fā)現(xiàn)，原水在長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中存在硝化反應(yīng)，氨氮的平均去除率達(dá)75%，亞硝酸鹽氮的含量下降60%左右，而反應(yīng)生成的硝酸鹽氮濃度上升約20%，同時(shí)，高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)的平均去除率在37%左右。陳桃源等[9]采用不同管材對(duì)原水管道進(jìn)行模擬，研究發(fā)現(xiàn)，油漆內(nèi)襯管中的硝化反應(yīng)較水泥內(nèi)襯管更為明顯，且出水中的小分子溶解性有機(jī)氮(DON)更多，但管材對(duì)出水中DON的親疏水性的影響不明顯。

前人對(duì)管道中含氮污染物的轉(zhuǎn)化規(guī)律已經(jīng)做了初步研究，但大部分研究多集中于供水管道以及單一水源下原水管道中的污染物含量變化。因此，為了考察不同水質(zhì)下成熟生物膜中生物量、生物相的區(qū)別，并探究不同水質(zhì)條件下原水管道中含氮污染物的轉(zhuǎn)化規(guī)律，本文使用實(shí)際水源水建立原水輸送管道的模擬系統(tǒng)，分析水質(zhì)對(duì)生物膜及其對(duì)含氮污染物生物作用的影響，為原水輸送過(guò)程中水質(zhì)凈化和用水安全保障提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置及水質(zhì)

選用某市水源水A和水源水B為試驗(yàn)裝置進(jìn)水，采用2臺(tái)正態(tài)水力模型的原水輸送管道模擬裝置對(duì)真實(shí)管道進(jìn)行模擬，管材選用油漆內(nèi)襯的鋼管，如圖1所示。通過(guò)控制電機(jī)和時(shí)控開(kāi)關(guān)，使2臺(tái)試驗(yàn)裝置內(nèi)的水流速度以及水力停留時(shí)間一致，水力停留時(shí)間均為6 h。對(duì)管道內(nèi)的生物膜進(jìn)行自然培養(yǎng)。裝置連續(xù)運(yùn)行5個(gè)月以上，使生物膜達(dá)到成熟。試驗(yàn)期間2種水源水的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

圖1 原水輸送管道模擬裝置圖Fig.1 Analog Device Diagram of Raw Water Diversion Pipeline

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality of Experiment

1.2 分析方法

1.2.1 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

本研究所涉及的常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法參考《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750—2006)和《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)的相關(guān)分析方法析。DO濃度采用JPB-607 A 便攜式DO分析儀進(jìn)行測(cè)定，渾濁度采用HACH 2100P濁度儀測(cè)定，TP采用孔雀綠—雜鉬多分光光度法，TN采用耶拿multi N/C ?3100 TOC/TN分析儀。

1.2.2 溶解性有機(jī)氮(DON)測(cè)定

DON的分子量分布和親疏水性分別采用超濾膜法[10]和樹(shù)脂吸附法[11]進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算。樹(shù)脂采用Amberlite DAX-8和Supelite DAX-4樹(shù)脂。

1.2.3 微生物指標(biāo)測(cè)定

生物膜及水中的異養(yǎng)菌(HPC)計(jì)數(shù)采用R2A培養(yǎng)基培養(yǎng)法進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別以單位體積菌液中的細(xì)菌數(shù)(CFU/mL)和單位面積的細(xì)菌數(shù)(CFU/cm2)表示。

1.2.4 微生物種群檢測(cè)

采集的管壁生物膜最初保存在4 ℃的條件下，將DNA在1 h內(nèi)分離。采用OMEGA基因組提取試劑盒(D5626-01 E.Z.N.A.Soil DNA Kit)對(duì)生物膜樣品的總DNA進(jìn)行提取和純化。利用DNA檢測(cè)試劑盒Qubit 2.0對(duì)提取到的DNA精確定量，以確定PCR反應(yīng)體系中應(yīng)加入的DNA量。PCR所用引物融合了Miseq測(cè)序平臺(tái)V3～V4區(qū)的通用引物，引物序列為341F：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG (barcode) CCTACGGGNGGCWGCAG；805R：GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHV-GGGTATCTAATCC。采用2輪共30個(gè)循環(huán)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增反應(yīng)結(jié)束后，將PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳，對(duì)DNA進(jìn)行回收。然后，利用Qubit2.0 DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)回收得到的DNA精確定量，將樣品按照1∶1等量混合后，采用Illumina MiSeq 測(cè)序平臺(tái)對(duì)基因組進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物膜中的生物量比較

生物膜中的生物量可以間接反映管道內(nèi)污染物轉(zhuǎn)化的程度。在管壁生物膜培養(yǎng)期間每4 d對(duì)2套模擬裝置內(nèi)生物膜中的HPC數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)量變化如圖2所示。由圖2可知，培養(yǎng)期間，2套裝置內(nèi)管壁生物膜中HPC的生長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，均經(jīng)歷了適應(yīng)期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、脫落期和穩(wěn)定期4個(gè)階段，但其數(shù)量存在明顯的差異。2套裝置內(nèi)生物膜中HPC的數(shù)量均在運(yùn)行的50 d左右達(dá)到最大值，其中，裝置1(以A水源水為進(jìn)水)中HPC的最大值達(dá)到4.28×105CFU/cm2，裝置2(以B水源水為進(jìn)水)中HPC的最大值達(dá)到2.5×105CFU/cm2，隨后生物膜進(jìn)入脫落期。待管壁生物膜進(jìn)入穩(wěn)定期后，裝置1內(nèi)管壁生物膜中的HPC穩(wěn)定于2.60×105～4.00×105CFU/cm2，裝置2內(nèi)管壁生物膜中的HPC穩(wěn)定于1.35×105～2.16×105CFU/cm2。

圖2 不同水質(zhì)條件下管壁生物膜中HPC的數(shù)量Fig.2 Counts of HPC from Biofilm under Different Raw Water Quality Conditions

結(jié)果表明，原水輸送管道中的原水水質(zhì)會(huì)影響管壁生物膜中微生物的數(shù)量，原水營(yíng)養(yǎng)水平高和懸浮HPC數(shù)量多的管道中微生物的數(shù)量也相應(yīng)更高，但在2種水質(zhì)下，管壁生物膜中的HPC數(shù)量處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，且差異不大。

2.2 生物膜中微生物群落差異

2.2.1 微生物種群組成

對(duì)2套模擬管道裝置中成熟的生物膜(150 d)進(jìn)行宏基因組測(cè)序，得到生物膜中微生物在門水平下的種群分布，如圖3所示。其中，裝置1代表以A水源水為進(jìn)水的模擬管道裝置，裝置2代表以B水源水為進(jìn)水的模擬管道裝置。

圖3 不同原水水質(zhì)下管壁生物膜中細(xì)菌種群組成(門水平)Fig.3 Bacterial Communities in the Biofilm under Different Raw Water Quality Conditions (Phylum Level)

因此，在不同原水水質(zhì)的情況下，原水輸送管道內(nèi)壁生物膜中優(yōu)勢(shì)菌門基本一致，但各菌門含量有所不同，功能菌門的存在水平可能會(huì)影響管道中含氮污染物的轉(zhuǎn)化情況。

2.2.2 微生物群落多樣性差異

稀疏曲線可以用來(lái)評(píng)估樣品中微生物群落的多樣性，2組模擬管道裝置成熟管壁生物膜中的微生物稀疏曲線如圖4所示。其中，樣品1代表A水源水培養(yǎng)的成熟生物膜，樣品2代表B水源水培養(yǎng)的成熟生物膜。

圖4 成熟管壁生物膜中的微生物稀疏曲線Fig.4 Sparsity Curve of Microorganisms in Mature Biofilm

2.3 含氮污染物的轉(zhuǎn)化

圖5 不同原水水質(zhì)下的含量變化Fig.5 Concentration Changes of under Different Raw Water Quality Conditions

圖6 不同原水水質(zhì)下的含量變化Fig.6 Concentration Changes of under Different Raw Water Quality Conditions

圖7 不同原水水質(zhì)下的含量變化Fig.7 Concentration Changes of under Different Raw Water Quality Conditions

2.3.2 DON含量的變化

管壁生物膜生長(zhǎng)成熟期間，A水源水和B水源水中的DON濃度，即2組模擬裝置的進(jìn)水DON濃度分別為0.290～0.927 mg/L和0.050～0.413 mg/L。當(dāng)管道生物膜成熟穩(wěn)定后，2組裝置出水中的DON濃度均有一定程度的增加，但增加量有所不同，濃度變化率如圖8所示。模擬管道1出水中的DON濃度較進(jìn)水增加了53.8%～78.6%，而模擬管道2出水中的DON濃度較進(jìn)水增加了28.0%～43.6%。

圖8 不同原水水質(zhì)下DON的含量變化Fig.8 Concentration Changes of DON under Different Raw Water Quality Conditions

模擬管道出水中的DON含量比進(jìn)水中高的原因之一在于，生物膜中的微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的可溶性代謝產(chǎn)物(SMPs)[19]，隨著微生物代謝作用的不斷加強(qiáng)，越來(lái)越多的SMPs被釋放到水中，導(dǎo)致模擬管道出水中的DON含量上升。此外，微生物的胞溶作用也會(huì)向水中釋放不可生物降解的DON(NBDON)[20]。給水系統(tǒng)中的一些研究表明，DON是含氮消毒副產(chǎn)物的重要前提物[21]，也會(huì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，成為膜阻塞的重要原因[22]。由圖2可知，裝置1的管壁生物膜中HPC的數(shù)量明顯高于裝置2，因此，導(dǎo)致原水在輸送過(guò)程中釋放更多的DON。此外，由2.2.1的結(jié)論可知，裝置1生物膜中擬桿菌門的含量為24.36%，高于裝置2中的14.68%，而擬桿菌門具有將高分子有機(jī)物降解為小分子物質(zhì)的能力[14]，這也解釋了模擬管道1的出水中具有更高比例的DON，此結(jié)果與Chen[18]的研究結(jié)果相符，即擬桿菌門的豐度與DON生成率之間存在正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)擬桿菌門的豐度越高，越多的DON被釋放。

2.3.3 DON分子量分布及親疏水性差異

水源水中組成DON的有機(jī)物種類有所不同會(huì)使其分子量分布和親疏水性存在差異，2套不同原水的模擬管道中進(jìn)出水DON分子量分布及親疏水性變化分別如圖9和圖10所示。由圖9可知，A、B兩種水源水中DON分子量分布均以中小分子(<5 kDa)為主，且小分子的DON所占比例相近，分別為62.2%～76.0%和65.1%～69.0%，這與我國(guó)微污染水源中DON的組成規(guī)律相符[23-25]。由圖10可知，2種水源水中的DON多為親水性，A水源水與B水源水中親水性DON所占比例分別為57.6%～64.2%和55.5%～62.9%。

圖9 不同原水水質(zhì)下DON分子量分布的變化 (a)裝置1；(b)裝置2Fig.9 Molecular Weight Distribution for the Fractions of DON under Different Raw Water Quality Conditions(a) Device 1；(b) Device 2

通過(guò)研究模擬管道進(jìn)出水中DON分子量分布變化，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)較差的裝置1管道出水中小分子DON所占比例大幅度上升，達(dá)到84.6%～94.1%，而水質(zhì)較好的B水源水管道出水中小分子DON所占比例為73.7%～84.3%。以A水源水為原水的管道出水中出現(xiàn)如此高比例的小分子DON與該管道生物膜中含有高豐度的擬桿菌門密切相關(guān)[14]。

通過(guò)對(duì)比進(jìn)出水中DON親疏水性變化，發(fā)現(xiàn)2套模擬裝置出水中DON親疏水性相差不大，親水性DON的比例分別為72.8%～80.2%和69.3%～74.3%。研究顯示，在管道輸送的過(guò)程中，小分子親水性DON比例的上升是由于藻類和細(xì)菌代謝產(chǎn)物的釋放[26]，而小分子親水性DON也是含氮消毒副產(chǎn)物的重要前體物[27]。Amy[28]的研究也發(fā)現(xiàn)，藻類生長(zhǎng)繁殖而分泌出的氨基酸、氨基糖、縮氨酸和蛋白質(zhì)等親水性物質(zhì)使得水體中DON的親水性組分有所增加。A水源水中的藻類物質(zhì)較B水源水多，導(dǎo)致原水在輸送過(guò)程中產(chǎn)生了更多比例的親水性DON物質(zhì)。

3 結(jié)論

當(dāng)模擬裝置中的管壁生物膜培養(yǎng)成熟并處于穩(wěn)定期后，裝置1(以A水源水為原水)內(nèi)管壁生物膜中的HPC數(shù)量為2.60×105～4.00×105CFU/cm2，裝置2(以B水源水為原水)內(nèi)管壁生物膜中的HPC數(shù)量為1.35×105～2.16×105CFU/cm2，即原水水質(zhì)影響管壁生物膜中微生物的數(shù)量，且原水營(yíng)養(yǎng)水平高的管道中微生物的存在水平也相應(yīng)較高。雖然原水水質(zhì)條件有所不同，但管道內(nèi)壁生物膜中優(yōu)勢(shì)菌門基本一致，然而各優(yōu)勢(shì)菌門的含量不同，功能菌門的存在水平可能會(huì)影響原水輸送管道中含氮污染物的轉(zhuǎn)化狀況。在生物多樣性方面，水質(zhì)好的原水會(huì)促成原水管道內(nèi)更為豐富的微生物多樣性，管道內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)也更為穩(wěn)定。