实际供水管网管材和余氯浓度对生物膜的影响-论文

黄佳佳1，柳景青1*，王薇2，陈婷婷2，胡宝兰2，刘

摘

轲3

（1.浙江大学土木工程学系，杭州310058；2.浙江大学环境工程系，杭州310058；3.浙江工业大学土木工程学系，杭州310014）

要：本文研究了实际供水管网中试平台中不同管材和余氯浓度对管道内壁生物膜形态及生物量的

影响。采用扫描电镜（SEM）对管道内壁生物膜形态进行了分析，采用流式细胞仪（FCM）对生物膜中的微生物进行了计数并对活菌比例进行了统计。研究表明，聚乙烯（PE）管道内壁生物膜微生物以短杆菌为主，而球墨铸铁管内壁则以球菌为主。球墨铸铁管道内壁生物膜中总菌密度最高达5.20×106个·cm-2

，活菌密度最高达3.85×106个·cm-2，活菌比例高达73.99%，均高于PE管。实验结果发现，在低余氯浓

度下，相同管材管道中，上游余氯浓度较高点（0.28±0.02mg·L-1）其生物膜中总菌密度、活菌密度和活菌比例均高于下游余氯浓度较低点（0.01±0.01mg·L-1），生物膜中生物量在低余氯浓度情况下（≤0.30mg·数和活菌数都少，更适合用于城市主要供水管网。关键词：供水管网；生物膜；管材；余氯浓度中图分类号：X824

文献标识码：A

文章编号：1001-7119（2014）09-0216-07

L-1），随着余氯浓度的减少而减少。从饮用水生物安全角度来看，PE管比球墨铸铁管积累的微生物总

EffectsofPipeMaterialsandFreeChlorineonBiofilminDrinkingWater

DistributionSystem

HuangJiajia1，LiuJingqing1，WangWei2，ChenTingting2，HuBaolan2，LiuKe3

（1.DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058，China;2.DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058，China;3.DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014，China）Abstract：Inordertostudytheeffectsofpipematerialsandfreechlorineonbiofilm,apilotplantpipedevicewasconstructedandcombinedwiththedrinkingwaterdistributionsysteminasoutherncityofmicroorganismsandtheratiooflivebacteriatodeadbacteriaindifferentbiofilms.ThebiofilmonChina.SEMwasusedtostudythemorphologyofbiofilmsandFCMwasusedtodeterminetheamountofPolyethylene(PE)pipeinnerwallwasdominatedbyBrevibacterium,whilethebiofilmonductileironpipeinnerwallwasdominatedbycoccus.Densityoftotalbacteriainbiofilmonductileironpipeinnerwallwasashighas5.20×106bacteria·m-2,thedensityandratiooflivebacteriareachedupto3.85×106bacteria·m-2and73.99%,whichwerehigherthanthoseinbiofilmonPEpipeinnerwall.Fromupstreammg·L-1.Inthecircumstanceoflowfreechlorineconcentrationandinpipeswithsamepipematerial,thedensityofliveandtotalbacteriainbiofilmonupstreampipesinnerwallwerehigherthanthoseintodownstream,theconcentrationoffreechlorinereducesgraduallyfrom0.28±0.02mg·L-1to0.01±0.01收稿日期：2013-09-22基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51378455）；国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2012AA062608）；水体污染控制与治理国家科技重大专项资助项目（2012ZX07403-003）。作者简介：黄佳佳（1988-），男，硕士生，从事管网生物膜等方向研究。E-mail:vanstefanie@163.com。*通讯作者：柳景青，男，研究员。E-mail：liujingqing@zju.edu.cn。第9期黄佳佳等.实际供水管网管材和余氯浓度对生物膜的影响217

biofilmondownstreampipesinnerwall.Fromtheperspectiveofdrinkingwaterbiologicalsafety,theinnerwall.AlloftheseindicatethatPEismoresuitableforthecity'sdrinkingwaterdistributionsystem.Keywords：drinkingwaterdistributionsystem；biofilm；pipematerial；freechlorinebacteriaaccumulatedonPEpipeinnerwallarelessthanthebacteriaaccumulatedonductileironpipe供水管网管道内壁生物膜的形成不但会造成管道腐蚀，还会进一步导致供水管网中饮用水水质下降[1-3]，危害人体健康。针对供水管网管道内壁生物膜的研究已成为全社会关注的焦点。

生物膜在管道内壁上的附着、生长、稳定是一个渐进的过程，受到诸多因素（如管材、水质、水力条件等）的影响[4]。国内许多研究报道和评价了管材、水质对反应器内生物膜的影响。王迪等[5]tors，利用生物膜培养反应器BAR）研究了生物膜的生长状况；（biofilmsnnular管运涛等reac⁃[6]利用环AR反应器，研究了PE管材表面的生物膜；国外Douterelo等[7]采用高通量测序技术，结合水力条件研究了室内循环反应器中生物膜的菌群组成和数量；Srinivasan等[8]利用中试循环系统，研究了水体中游离的微生物与生物膜中微生物的关系。这些研究大多采用循环或管段反应器在实验室进行。虽然这些反应器模拟了实际供水管网的运行条件，但两者之间还是存在明显差异，其管道内壁生物膜的特征难以反映实际供水管网中生物膜的真实状况。目前对实际管网中生物膜的研究报道较少，仅有李爽等[9]对澳门自来水公司维修爆管或换管现场的管件进行取样，研究了实际管道内壁的生物膜。而研究并掌握实际供水管网中生物膜的特征，对提高饮用水安全性具有重要的现实意义。

本研究以实际供水管网中的两处中试系统为实验装置，PE选用我国管材主要发展方向之一的了管材材质和余氯浓度对管道内生物膜形态及管材和现阶段大量使用的球墨铸铁管材，考察生物量的影响，探明了在实际供水管网内微生物的存在状态，以期为饮用水的安全供给、供水管网水质的优化提供理论依据。

1材料与方法

1.1

试验装置及运行

本研究采用了国家“十一五”水专项课题“城

乡一体供水管网生物化学稳定性研究”的中试系统。该中试系统安装完成后，接入当地供水管网，在运行过程中对管网进行定期检测维护，确保中试系统供水管网的正常运行。中试系统包含两个A、B两个中试点，其中A点位于管网上游，距离水厂约10km；B点位于管网下游，距离A点约10km，距离水厂约20km。中试系统所用管材采用球墨铸铁和2年。管道为PE两种，管径为DN100，管龄1）。中试系统连续运行1m长单截双法兰管道，2年后，对部分管道每排9截进行拆卸采样，分析管道内壁生物膜的状况。

图1(a)工艺流程示意图系统(b)中试现场图

1.2

采样方法

Fig.1Diagram(a)andphoto(b)ofpilotsystem

在A、B两点，各取1截1m长的DN100的PE管和球墨铸铁管，用灭菌刷子反复刷管道内壁，同时用无菌生理盐水反复冲洗，收集管道内壁的生物膜，直到彻底收集完整。将采集的样品存放于冰盒中，快速运回实验室，采回的样品分成三份，一份进行理化指标的测定；一份保存于4℃，用于微生物相的分析；另有一份保存于-20℃，用于后续分子生物学的测定。1.3测定项目及方法

ning实验采用膜形态。扫描电镜样品处理方法参考文献electronmicroscopeHitachiTM-100，SEM）观察管道内壁生物型扫描电镜（scan⁃[1]。

2Aagar可培养细菌总数采用）培养基和倾倒平板法，R2A逐级系列稀释平

琼脂（Reasoner's（图218科技板培养，25℃培养7d。

管道内壁生物膜中微生物计数及活菌/死菌比例检测采用FACSCAL:BUR型流式细胞仪（mWFlowcytometer，FCM，美国BD），光源功率50试剂盒，发射波长（包含Syto48nm和，PI并结合两种荧光染色剂Live/DeadBaclight），通过荧光信号来区分活菌、死菌。通过调节流式细胞仪滤光片收集发射光信号，绿色荧光（FL1）被设定为触发参数，信号收集波长520±20nm，红色荧光（FL3）信号收集波长＞615nm；所有信号均被收集在绿/红荧光二维散点图上。仪器增益设置为FL1=350，FL3=650，Speed=Low，对数放大倍数为log4。实验中采用绝对计数技术[10,11]，用绝对计数小球作为内参物。用鞘液稀释样品以保证样品OD670≈0.02，若样品浊度较高，则需预先过孔径为50μm的滤膜，以防堵塞进样口，影响检测。每个生物膜样品测定重复3次。

2结果与讨论

2.1

生物膜及管道内壁形态观察直接观察管道内壁，可以发现PE管内壁较平整，球墨铸铁管内壁有瘤状物，使管道内壁凹凸不平。这是由于球墨铸铁在水环境下很容易发生电化学反应而被腐蚀。铁（Fe）在水环境下能转化成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁在有氧的情况下进一步反应成氢氧化铁。这些氢氧化铁在管壁表面形成沉淀，从而在金属管道表面形成小阳极点，与饮用水中高浓度氧存在的大范围阴极区形成原电池，2Fe-4eO—发生局部点蚀[12,13]—2Fe，其反应式如下：

2+（阴极过程2Fe+2H2+—4OH）22O+4e—-（阴极过程）4Fe(OH)+4OH-4Fe+6H2+O—2+2H—2Fe(OH)22O——4Fe(OH)（腐蚀产物（3）2形成铁锈而使球墨铸铁管内壁变得松散且O+3O2——4Fe(OH)3（总反应式阴极过程））凹凸不平，从而增加了管道内壁的粗糙度、含水率和粘滞性。水中存在的有机物可在疏水作用、表面化合反应等作用下，吸附于管道内壁。表面粗糙度高、含水率高、粘滞性高的管道内壁，更有利于有机物的吸附，并在管道内壁形成营养物质集中的薄膜，为细菌吸附繁殖生成生物膜提供了物质基础[14]。因此，相比于PE管材，球墨铸铁管

通报第30卷

内壁更易形成表面营养层，更有利于生物膜的形成。扫描电镜结果显示，PE管和球墨铸铁管道内壁生物膜中都含有大量微生物（图2）。PE管道内壁生物膜中的微生物以短杆菌为主；球墨铸铁管内壁则以球菌为主，菌体聚集成团。不同管材内壁生物膜上微生物的形态不一样，这是由于不同管材内壁生物膜上微生物的种群有差异[15]。后续实验将进一步研究该生物膜上微生物种群的具体组成以及差异情况。

(d)A(a)PE点球墨铸铁管内壁扫描电镜管内壁(b)球墨铸铁管内壁(e)B(c)A点点PEPE管内壁扫描电镜

管内壁扫描电镜

图2管道内壁生物膜扫描电镜图及管道内壁照片(f)B点球墨铸铁管内壁扫描电镜

Fig.2SEMimagesofbiofilm2.2

管材对生物膜中生物量的影响

innerinpipesface

andphotographsofpipe

供水管道内壁微生物的附着数量可以用管道内壁总菌密度表示（图3b）。在A、B两点，球墨铸铁管道内壁生物膜总菌密度高于PE管，其中A点5.21×10的球墨铸铁管内壁总菌密度最大，达到了6个·cm-2；B点的PE管内壁总菌密度最少，为1.90×105个·cm-2。

随着水龄的增加，水中余氯浓度逐渐降低（B表1活菌比例点，）球墨铸铁管内生物膜中活菌密度，但不管在余氯浓度高的A点，或是较低的（图3c）均高于PE管。文献报道，（图3a球墨）和铸铁管内壁凹凸不平的表面形态，有利于表面营养基质层的形成，所以更利于微生物的附着[14]。供水管网中，通常通过投加氯气来控制管道中微生物的生长，而球墨铸铁管道内壁更加凹凸不平的形态特征有利于生物膜中微生物存在，减小消毒剂的毒害作用[16]，所以球墨铸铁管道内壁生物膜中活菌比例和活菌密度更高。

对两种管材管道内壁生物膜中可培养异养

第9期黄佳佳等.实际供水管网管材和余氯浓度对生物膜的影响219

菌平板计数（heterotrophicplatecounts，HPCs）分析，结果如图4所示。在A点，PE管内壁生物膜中HPCs显著多于球墨铸铁管，而流式细胞仪结果显示球墨铸铁管内壁生物膜中活菌密度要高于HPCsPE管（图3a）。在B点，PE管内壁生物膜中墨铸铁管内壁生物膜中活菌密度同样高于少于球墨铸铁管，流式细胞仪结果显示球PE管。HPCs的检测结果和流式细胞仪的检测结果不一致。鲁巍[17]的研究结果表明，HPCs结果比直接计数的结果低2~3个量级，检出微生物的数量很少。J.Yu[15]的研究结果表明，不同管材内壁生物膜上微生物的种群多样性差异很大，而HPCs只能检测出其中可培养的极少部分。本研究中，流式细胞仪检测的总菌密度要比3HPCs结果高2~胞仪检测结果不一致的原因可能是由于供水管个量级，与鲁巍研究报道一致。HPCs与流式细网中大多数微生物是不能培养的[18]HPCs。因此，导致果。

培养结果出现与流式细胞仪检测相反的结2.3余氯浓度对生物膜生物量的影响

实际供水管网由于服务范围广泛，饮用水从出厂到末端用户必然会使水质发生变化。在本研究中，对A、B两中试点进行水质指标监测，结果见表1。在两种不同的水质条件下A点供水管道内壁总菌密度（图3）、活菌密度（图4）均大于B点。

表1中各水质指标从不同的角度反应了饮用水在供水管网输送过程中发生的变化。例如水中AOC浓度、pH基本维持不变，MAP浓度小幅上升，菌落总数、浊度显著上升。然而从单一水质指标的变化很难解释A、B两中试点管道内壁生物膜上的总菌、活菌密度相应变化。生物膜在供水管道内壁的生长显然是各种因素的综合影响的结果[4,19,20]。给水管网中余氯浓度可作为一种水质指示剂，综合反映供水管网中水质的变化[21]。一般认为在管网中保持一定量余氯浓度就基本可以保证饮用水的安全，而消毒剂的失效与微生物的生长是有着直接联系的，并且很多研究都是围绕余氯对生物膜生长的影响展开。所以本研究中主要分析余氯浓度对供水管网内壁生物膜的影响，并借鉴其它研究成果，以期对实际管道内壁生物膜的生长状况有进一步的认识。

图3管道内壁生物膜活菌(a)、总菌(b)密度和比例(c)Fig.3Densityoflive(a)live(c)、total(b)microorganismsonthepipeinnerface

andratioofthe

图4管道内壁生物膜HPCsFig.4HPCsofeachpipebiofilm

220科技通报第30卷

表1A、B两个中试点自来水水质比较

水样A点B点AOC1（/μg·L-1）335±10318±12Table1ComparisonofdrinkingwaterqualitybetweenpilotplantAandBMAP2（/μg·L-1）6.2±1.19.7±0.8余氯（/mg·L-1）0.28±0.020.01±0.01菌落总数（/CFU·mL-1）182±1821±1浊度/NTU0.18±0.030.27±0.027.20±0.107.41±0.13pH备注：1、可同化有机碳（AssimilativeOrganicCarbon，AOC）；2、生物可利用磷（MicrobialAvailablePhosphorus，MAP）

表2生物膜相关研究的比较

反应器实际管网

管材球墨铸铁PE石棉管铸铁

循环管道BARARAR镀锌钢PVCPVC铸铁PE余氯浓度/(mg·L-1)0.28±0.020.28±0.02未报道未报道0.20.2~0.3000.2

Table2Reviewofbiofilmstudies

可培养微生物数量/(CFU)

9.9×1022.5×103

102104~1051.5×1061.5×1021.9×1033.2×1041.0×105

检测方法HPCsHPCsHPCsHPCsHPCsHPCsHPCsHPCsHPCs培养时间/d

730730<3650<3650180503077文献本研究本研究1919101020218

实际管道

饮用水沿着供水管网从上游A点流到B点，

在此过程中余氯浓度逐渐降低，从A点的0.28±

1

0.02mg·L-1减少为B点的0.01±0.01mg·L-（表1）。一般来说，余氯浓度越高，对微生物的毒害作用越大，那么供水管道内壁生物膜中微生物越少。我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中规定出厂水、中余量、管网末梢水中余氯浓度应为4≥0.3≥0.05mg·L-1，以保证对供水管网中微生物的消毒效果。然而赵新华等[22]研究发现，余氯浓度较低（<0.4mg·L-1）时，对水体中微生物几乎没有的直接毒害作用，随着水龄增加HPCs反而上升。本研究中，A点（0.28±0.02mg·L-1）与B点（0.01±0.01mg·L-1）的余氯均处于较低浓度，所以对水体中微生物浓度的影响很有限。

然而，比较A点与B点水中HPCs浓度可以发现，A点水中基本没有HPCs，而B点水中HPCs变化巨大，有时未检出，有时达到3CFU·mL-1，远大于A点。分析认为，B点水中微生物主要来源于管道内壁生物膜上微生物的脱落，所以检出HPCs数据的偶然性比较大。因此可以认为B点管道内壁生物膜上可能比A点更容易脱落。

P.W.Butterfield等[23]认为水中保持一定量的余氯可以有效控制生物膜生长。张向谊等[24]认为，水中是否加氯不影响管道内壁生物膜上的最大生物量，但是会影响生物膜的生长速度。张晓

健[25]等发现0.05mg·L-1的余氯量对于生物膜的生

长无法进行有效的控制。而在0.30mg·L-1的余氯条件下，可以将生物膜的生长控制在较低的水平。所以本研究中A点余氯浓度为0.28±0.02mg·L-1有效控制了管道内壁的生物膜的生长，使得生物膜生长较为缓慢。而B点余氯浓度为0.01±0.01mg·L-1，所以生物膜生长没有受到有效控制，生物膜相微生物生长快，导致生物膜的更新速度加快。这也可能是B点管道内壁生物膜上的微生物比A点更容易脱落的主要原因。

由于余氯不影响管道内壁生物膜上的最大生物量，而且B点生物膜上微生物更易脱落，所以A点活菌密度（图3a）、总菌密度（图3b）均大于B点。

2.4实际供水管网与非实际供水管网生物膜HPCs的比较

王迪[5]利用生物膜培养反应器（biofilmannu⁃larreactors，BAR）研究了生物膜的生长状况。研究表明，余氯浓度为0.2~0.3mg·L-1时，生物膜生长30d，生物量达到1.9×103CFU·cm-2；邬卓颖[14]利用环形反应器（annularreactor，AR），不加余氯，培养7d后，生物量达到3.2×104CFU·cm-2；管运涛[6]利用环AR反应器，在PE管材表面培养生物膜，在进水流速5.6mL·min-1，水温为20℃条件下，反应器内生物量7d内达到稳定，并维持在105

第9期黄佳佳等.实际供水管网管材和余氯浓度对生物膜的影响221

CFU·cm-2；李爽[9]对澳门自来水公司维修爆管或换管现场的管件进行了取样研究，研究发现，使用年限<10年的石棉管生物量为102104CFU·cm-2，铸铁管为管，生物量为~105CFU·cm-2。使用年限>10年的镀锌钢105应器生物膜的生物量有显著差异；~107CFU·cm-2，该结果与环形反Srinivasan[8]在其实验中采用循环管道中试系统培养生物膜，2~10个月后HPCs在103CFU·cm-2左右。

本研究中生物膜HPCs为102~103CFU·cm7d生物量就能CFU·cm-2，而环形反应器中微生物培养103-2以上，与本研究结果中运行2年的实际管道内壁生物膜中生物量相近。由此可知，环形反应器内生物膜中生物量与实际管道情况相差较大。而本研究中的生物膜中HPCs与同为管道实验的李爽和Srinivasan的实验结果接近，所以达到相同生物膜的生物量，实际供水管道与环形反应器所需的培养时间差别很大。因此实验室小室模拟反应器难以很好地模拟实际供水管网管道内壁生物膜的生长，展开实际管网的生物膜研究对于探明管道内壁生物膜的真实生长状况非常重要。

3结论

根据对实际供水管网中试管道内壁生物膜

的研究和分析检测，可以得出以下结论：

（1）PE管内壁生物膜中微生物以短杆菌为主，球墨铸铁管内壁以球菌为主，菌体聚集成团。球墨铸铁管内壁生物膜中活菌、总菌密度更高，活菌的比例也更高，更适合细菌生长，所以从饮用水管网生物安全的角度来讲，管网铺设时尽量避免使用球墨铸铁管。

（2）实际管网中，饮用水从出厂到用户，余氯浓度发生了显著的变化。实验结果发现，在低余氯浓度下，相同管材管道中，上游余氯浓度较高点（0.28±0.02mg·L-1）其生物膜中总菌密度、活菌密度和活菌比例均高于下游余氯浓度较低点0.01±0.01mg·L-1），生物膜中生物量在低余氯浓度情况下（≤0.30mg·L-1），随着余氯浓度的减少而减少。

（3）实验室内反应器小试实验对供水管道内生物膜的研究有很大的局限性，达到相同生物膜生物量，实际供水管道与反应器小试所需的培养

时间差别很大。因此，展开实际管网的生物膜研究十分必要。参考文献：

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