王 進(jìn)，許 龍，林 濤，陶 輝

（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.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200000）

0 引言

世界許多地方水資源缺乏，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人類的生存，中國(guó)水資源不僅人均水資源少，而且時(shí)空分布不均[1]。原水長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)可以有效解決這一問(wèn)題[2]。長(zhǎng)距離輸水有其特殊性，從工程角度來(lái)講，這些工程由于輸水管道長(zhǎng)、成本高、運(yùn)行維護(hù)難度大；從水質(zhì)安全角度講，水質(zhì)變化大，例如溶解氧（DO）、耗氧量等都會(huì)發(fā)生一定程度的改變。因此引起了人們和社會(huì)的極大關(guān)注。由于原水有機(jī)物含量高，所以原水管壁上易于附著水中有機(jī)污染物形成生物膜，水中NaClO 投加量的改變會(huì)導(dǎo)致生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)的改變[1，3]，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外原水長(zhǎng)距離輸水的研究主要集中在管道出水水質(zhì)及管道生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)研究，而對(duì)于預(yù)氯化對(duì)管道出水水質(zhì)以及管道微生物的影響研究十分少。雒江菡[4]研究了水中投加ClO2對(duì)出水氨氮（NH4+-N）、管道硝化細(xì)菌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)ClO2質(zhì)量濃度低于2 mg/L 時(shí)，對(duì)NH4+-N 有較好的去除效果，隨著ClO2質(zhì)量濃度的提高，NH4+-N 去除率降低，當(dāng)超過(guò)4 mg/L 時(shí)，NH4+-N 去除率幾乎為0；當(dāng)投加較低濃度的ClO2時(shí)，仍有大量硝化細(xì)菌存在，隨著ClO2濃度的提高，硝化細(xì)菌數(shù)量逐漸下降，這說(shuō)明ClO2對(duì)生物膜中的硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)有一定的抑制作用。王衛(wèi)[5]研究了水中投加次氯酸鈉（NaClO）對(duì)出水藻類，UV254，NH4+-N，耗氧量，TOC 和DOC 的影響，結(jié)果表明，以上6 種指標(biāo)的去除率分別比不投加NaClO 增加了44.4%，67.9%，62.3%，54.3%，51.2%和71.8%，這說(shuō)明了在長(zhǎng)距離輸水管道反應(yīng)器中投加一定量的NaClO 有助于長(zhǎng)距離輸水管道反應(yīng)器對(duì)特征污染物的去除。本篇文章利用新型模擬管道反應(yīng)器，通過(guò)改變水中NaClO 的濃度來(lái)探究出水水質(zhì)變化及生物膜群落結(jié)構(gòu)變化對(duì)水質(zhì)變化的影響，最終探究NaClO 的最佳工藝參數(shù)以此保證長(zhǎng)距離水質(zhì)出水安全。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究的研究對(duì)象為中國(guó)南方A 城某長(zhǎng)距離原水配水系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸水管道的干管及支管總長(zhǎng)度達(dá)到100 km 以上，輸水時(shí)間（管道停留時(shí)間）超過(guò)1晝夜（24 h）。A 城B 河原水先通過(guò)取水口進(jìn)入取水泵站，在泵站內(nèi)經(jīng)過(guò)曝氣、預(yù)沉等操作后隨后進(jìn)入長(zhǎng)距離原水配水系統(tǒng)，最終到達(dá)C 城。由于輸水距離很長(zhǎng)，我們串聯(lián)3 臺(tái)管道模擬反應(yīng)器模擬該長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。該模擬裝置采用輔以水泥砂漿內(nèi)襯的鋼管。原水通過(guò)水泵加壓輸送到模擬管道中，采用可改變轉(zhuǎn)速的變頻電機(jī)，由于螺旋槳和電機(jī)相連，從而可以通過(guò)改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)改變水流的速度。實(shí)驗(yàn)設(shè)定水流流速為1.0 m/L，每個(gè)模擬管段的循環(huán)停留時(shí)間為8 h。分別在原水中投加質(zhì)量濃度為0，0.5，1，2 和3 mg/L 的NaClO，在模擬管道中運(yùn)行24 h 后，考察個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的變化情況。根據(jù)水中NaClO濃度的不同分為5 個(gè)工況，為了保證每一工況下管網(wǎng)生物膜都能趨于成熟，其中每一工況的運(yùn)行時(shí)間為4 個(gè)月。由于NaClO 投加過(guò)高，生物膜上的微生物將基本被滅活，僅考察水中NaClO 濃度較低的情況下，生物膜群落結(jié)構(gòu)的變化情況。考察NaClO 投加質(zhì)量濃度分別為0，0.5 和1 mg/L 時(shí)對(duì)應(yīng)的生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)，編號(hào)分別為M1，M2，M3。

圖1 內(nèi)循環(huán)模擬管道裝置示意

1.2 分析方法

1.2.1 水質(zhì)的測(cè)定

采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定了高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），NH4+-N，NO2--N 和NO3--N。UV254是指水樣經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后，在波長(zhǎng)為254 nm 處的單位比色皿光程下的紫外吸光度，它代表了水中具有苯環(huán)和共扼雙鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)物的含量[5-8]。

1.2.2 生物膜中重要功能菌的測(cè)定

氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌采用MPN-Griess 法（最大可能數(shù)法-Griess 試劑檢測(cè)法）[1，9-10]。

1.2.3 生物膜微生物的種群結(jié)構(gòu)

采用454-高通量測(cè)序法對(duì)細(xì)菌群落的微生物組成進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上分析生物膜群落結(jié)構(gòu)和微生物的多樣性。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)距離出水水質(zhì)變化

2.1.1 NaClO 對(duì)出水CODMn的影響

不同NaClO 濃度的情況下，出水CODMn具體變化見(jiàn)圖2。模擬管道試驗(yàn)用水CODMn的質(zhì)量濃度為3.6 mg/L，在不投加NaClO 的情況下，經(jīng)過(guò)24 h 的輸送后，出水CODMn的濃度沿程有所降低；投加NaClO以后，分別比較在投加質(zhì)量濃度為0，0.5，1，2，3 mg/L的NaClO 的情況下，研究出水CODMn（模擬裝置運(yùn)行24 h 后）的濃度。隨著NaClO 濃度的增加，出水CODMn濃度先降低后略有升高。當(dāng)NaClO 的投加質(zhì)量濃度為1 mg/L 時(shí)，出水CODMn去除率達(dá)到16.67%，投加質(zhì)量濃度為2 mg/L 時(shí)，去除率達(dá)到19.44%。當(dāng)投加質(zhì)量濃度為1 mg/L 的NaClO 時(shí)，出水CODMn濃度降低，這是因?yàn)镹aClO 會(huì)氧化分解水中的小分子有機(jī)物，從而導(dǎo)致出水CODMn的下降；同時(shí)NaClO 會(huì)殺死生物膜表面一些老化的微生物，促進(jìn)生物膜上微生物的新陳代謝，從而加強(qiáng)了生物膜對(duì)水中有機(jī)物的吸附降解能力。當(dāng)投加的NaClO 質(zhì)量濃度增加到2 ～3 mg/L 時(shí)，出水CODMn繼續(xù)下降，下降幅度變小，直至基本趨于穩(wěn)定，原因有3 個(gè)：①隨著NaClO 濃度的提高，生物膜上的一部分微生物將被NaClO 殺死，這會(huì)減弱生物膜微生物的凈水作用，從而使出水CODMn的濃度升高；②因?yàn)楣艿郎锬ど系奈⑸锝Y(jié)構(gòu)一直是在動(dòng)態(tài)變化的[11]，當(dāng)生物膜生長(zhǎng)到一定厚度，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及溶解氧缺乏膜深處的微生物開(kāi)始死亡，部分生物膜脫落到水中也會(huì)導(dǎo)致CODMn的濃度的升高；③因?yàn)殡m然水中的氧化性有機(jī)物可以被NaClO 所氧化，但還原性有機(jī)物會(huì)逐漸積累[12-13]，這也會(huì)導(dǎo)致CODMn下降幅度變小。

圖2 管道預(yù)氯化對(duì)出水CODMn的影響

2.1.2 NaClO 對(duì)出水UV254的影響

不同NaClO 濃度的情況下，出水UV254具體變化見(jiàn)圖3。模擬管道試驗(yàn)用水的UV254的值為0.08 cm-1，從圖3 可以看出，未投加NaClO 時(shí)，UV254隨著沿程管道輸送逐漸降低，這是由于出水UV254受到管道生物膜和管道沉積作用的雙重影響。考察不同濃度的NaClO 溶液，我們分別比較投加質(zhì)量濃度為0，0.5，1，2 和3 mg/L 的NaClO 時(shí)，出水UV254（模擬裝置運(yùn)行24 h）的值。在投加NaClO 質(zhì)量濃度小于1 mg/L 時(shí)，出水UV254值降低，當(dāng)投加的NaClO 質(zhì)量濃度為1 mg/L 時(shí)，對(duì)UV254的去除效果最好，UV254的值由原來(lái)的0.08 cm-1降低至0.063 cm-1；但隨著NaClO濃度的增加，出水UV254的值逐漸增加。出現(xiàn)出水UV254的值降低后增加的原因： ①當(dāng)投加少量NaClO時(shí)，部分小分子有機(jī)物被氧化分解，并且投加少量NaClO 會(huì)促進(jìn)管道生物膜的新陳代謝，增強(qiáng)微生物降解有機(jī)物的能力，這些都會(huì)導(dǎo)致出水UV254值的降低；②隨著NaClO 投加量的增加，水中有部分大分子有機(jī)物被氧化成小分子有機(jī)物[12]，這其中有部分小分子有機(jī)物能夠增加對(duì)254 nm 紫外光的吸收程度[13]，管道生物膜上的部分微生物會(huì)被NaClO 滅活，這會(huì)導(dǎo)致微生物降解有機(jī)物的能力下降，這些都會(huì)導(dǎo)致UV254值的增加。

圖3 管道預(yù)氯化對(duì)出水UV254的影響

2.1.3 NaClO 對(duì)出水氮的影響

管道預(yù)氯化對(duì)出水氮的影響見(jiàn)圖4。從圖4 可以看出，在未投加NaClO 的情況下，NH4+-N 濃度沿程有小幅度增加，NO2--N 濃度沿程變化規(guī)律不明顯，NO3--N 濃度有所上升，由于水中氮的礦化作用更為強(qiáng)烈，故出水NH4+-N 濃度增加；由于硝化作用強(qiáng)度大于反硝化作用，故出水NO3--N 濃度上升。

當(dāng)投加不同濃度的NaClO 時(shí)，分別比較投加質(zhì)量濃度為0，0.5，1，2 和3 mg/L 的NaClO 時(shí)，研究出水NH4+-N，NO2--N 和NO3--N（模擬裝置運(yùn)行24 h）的濃度。出水NH4+-N，NO2--N 和NO3--N 變化的原因是由多種因素參與而形成的，管道生物膜、NaClO 預(yù)氯化、DO 濃度變化等都會(huì)導(dǎo)致最終出水三氮的變化。

從圖4（a）可以看出，我們發(fā)現(xiàn)，出水NH4+-N 濃度隨著NaClO 濃度的上升而逐漸上升，這與其他有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果有出入[7]。當(dāng)投加質(zhì)量濃度為1 mg/L的NaClO 時(shí)，NH4+-N 的質(zhì)量濃度由原來(lái)的0.16 mg/L增加至0.26 mg/L，當(dāng)投加質(zhì)量濃度為2 和3 mg/L 的NaClO 時(shí)，出水NH4+-N 濃度進(jìn)一步增加。NH4+-N 升高的原因是，在密閉的管道中，NH4+-N 的去除主要是通過(guò)生物膜的硝化作用，投加NaClO 后，氧化劑的濃度將會(huì)對(duì)生物膜中的硝化細(xì)菌產(chǎn)生影響[4]。投加質(zhì)量濃度為1 mg/L 的NaClO 后，出水NH4+-N 濃度增加，這是由于NaClO 的殺菌作用，部分硝化細(xì)菌開(kāi)始出現(xiàn)死亡；同時(shí)NaClO 會(huì)殺死生物膜表面一些老化微生物，促進(jìn)生物膜上微生物的新陳代謝，從而加強(qiáng)了生物膜對(duì)水中有機(jī)物的吸附降解能力，這也會(huì)加快有機(jī)氮的分解速率從而分解形成NH4+-N，這2 方面因素從而導(dǎo)致出水的NH4+-N 升高量的增加；當(dāng)投加質(zhì)量濃度為2 和3 mg/L 的NaClO 時(shí)，出水NH4+-N濃度進(jìn)一步增加，這是因?yàn)殡S著NaClO 濃度的提高，生物膜上有相當(dāng)一部分硝化細(xì)菌將被NaClO 殺死，這會(huì)影響微生物處理的NH4+-N 能力，此時(shí)NaClO 會(huì)氧化分解部分大分子有機(jī)物，從而導(dǎo)致水中NH4+-N濃度的增加。

從圖4（b）可以看出，隨著NaClO 濃度的增加，投加NaClO 以后，出水NO2--N 的濃度開(kāi)始升高。這與其他有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果有出入。當(dāng)投加質(zhì)量濃度為1 mg/L 的NaClO 時(shí)，NO2--N 的質(zhì)量濃度由原來(lái)的0.18 mg/L 增加至0.26 mg/L。當(dāng)投加質(zhì)量濃度為2 和3 mg/L 的NaClO 時(shí)，和投加1 mg/L 的NaClO 相比，NO2--N 出水濃度升高量進(jìn)一步增加。NO2--N 升高的原因是，在密閉的管道中，NH4+-N 的去除主要是通過(guò)生物膜的硝化作用[14]，硝化反應(yīng)是在好氧條件下，以氧作為電子受體將NH4+-N 轉(zhuǎn)化為NO3--N 的過(guò)程[15]，而如果硝化作用不完全，將會(huì)導(dǎo)致NO2--N 的積累。投加NaClO 后，硝化細(xì)菌數(shù)量將減少，從而導(dǎo)致硝化反應(yīng)不完全而NO2--N 濃度升高。當(dāng)投加少量NaClO（1 mg/L）和不投加NaClO 相比，出水NO2--N 的濃度略有增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)由于NaClO 的殺菌作用，部分硝化細(xì)菌開(kāi)始出現(xiàn)死亡從而導(dǎo)致部分的NH4+-N硝化反應(yīng)不完全，那么就會(huì)造成水中的NO2--N 累積；同時(shí)NaClO 會(huì)殺死生物膜表面一些老化的微生物，促進(jìn)生物膜上微生物的新陳代謝，從而加強(qiáng)了生物膜對(duì)水中有機(jī)物的吸附降解能力，這也會(huì)加快有機(jī)氮的分解速率，從而NH4+-N 濃度升高而硝化菌數(shù)量不夠，這會(huì)進(jìn)一步加劇NO2--N 的累積，這2 方面因素從而導(dǎo)致出水NO2--N 濃度的升高；當(dāng)投加質(zhì)量濃度為2 和3 mg/L 的NaClO 時(shí)，和投加1 mg/L 的NaClO 相比，出水NO2--N 濃度升高量進(jìn)一步增加，這是因?yàn)殡S著NaClO 濃度的提高，生物膜上有相當(dāng)一部分硝化細(xì)菌將被NaClO 殺死，這會(huì)進(jìn)一步造成NO2--N 的積累，從而使出水NO2--N 濃度的增加。

從圖4（c）可以看出，隨著NaClO 濃度的增加，當(dāng)投加質(zhì)量濃度為1 mg/L 的NaClO 時(shí)，出水NO3--N 的濃度開(kāi)始升高。NO3--N 的質(zhì)量濃度由原來(lái)的1.03 mg/L增加至1.18 mg/L。NO3--N 增長(zhǎng)率為14.6%。NaClO 投加量達(dá)到3 mg/L 時(shí)，最終增長(zhǎng)率為23.3%。NO3--N 升高的原因主要是由于水中的硝化作用比反硝化作用更為強(qiáng)烈。

圖4 管道預(yù)氯化對(duì)出水氮的影響

2.2 管道生物膜中重要功能細(xì)菌數(shù)量變化

（1）氨化細(xì)菌

氨化細(xì)菌是氨化過(guò)程的重要功能細(xì)菌。微生物中的氨化細(xì)菌分解水中有機(jī)氮變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮的過(guò)程即為氨化過(guò)程。生物膜中氨化細(xì)菌的隨NaClO 的濃度的變化見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，在不投加NaClO 的情況下，沿程的氨化細(xì)菌濃度上升，這是由于DO 對(duì)氨化細(xì)菌有抑制作用，而隨著沿程DO 濃度的降低，氨化細(xì)菌濃度會(huì)有所增加。投加NaClO 后，我們比較出水氨化細(xì)菌的濃度發(fā)現(xiàn)，隨著NaClO 濃度的增加，出水氨化細(xì)菌濃度降低。

圖5 預(yù)氯化對(duì)模擬系統(tǒng)生物膜中氨化細(xì)菌的影響

（2）硝化細(xì)菌

預(yù)氯化對(duì)模擬系統(tǒng)生物膜中硝化細(xì)菌的影響見(jiàn)圖6。

圖6 預(yù)氯化對(duì)模擬系統(tǒng)生物膜中硝化細(xì)菌的影響

由圖6 可以看出，在不投加NaClO 的情況下，沿程的硝化細(xì)菌有所下降，這主要是沿程DO 下降導(dǎo)致的。當(dāng)投加NaClO 后，硝化細(xì)菌的數(shù)量開(kāi)始下降，生物膜的硝化作用逐漸降低。當(dāng)投加質(zhì)量濃度為1 mg/L的NaClO 時(shí)，仍有相當(dāng)數(shù)量的硝化細(xì)菌存在，此時(shí)水中NH4+-N 的依然可以進(jìn)行硝化作用；當(dāng)投加NaClO質(zhì)量濃度達(dá)到3 mg/L 時(shí)，管道末端的硝化細(xì)菌為160 MPN/cm2，和不投加NaClO 相比，已經(jīng)大幅度下降，說(shuō)明此時(shí)的硝化作用已經(jīng)大幅度減弱，NaClO 的礦化作用占主流。因此，為了充分發(fā)揮管道生物膜硝化作用，我們可以適當(dāng)降低水中NaClO 的濃度并延長(zhǎng)投加時(shí)間。

2.3 NaClO 對(duì)生物膜的影響

在實(shí)際輸水管道采集只有在管道檢修停水時(shí)采集生物膜樣品，因此十分困難。模擬管道系統(tǒng)可以較好解決實(shí)際輸水管道采樣難的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)NaClO不同濃度下生物膜種群的分析比較，可以探究生物膜的種群變化對(duì)出水水質(zhì)的影響。

在門(mén)的水平上，對(duì)所有序列進(jìn)行OTU 劃分，結(jié)果見(jiàn)圖7。圖7 自左而右分別表示投加質(zhì)量濃度為0，0.5，1 mg/L 的NaClO 的情況下，模擬系統(tǒng)生物膜各類微生物的相對(duì)豐度。

圖7 預(yù)氯化對(duì)生物膜微生物種群結(jié)構(gòu)的影響

由圖7 可以看出，可以看出，不同NaClO 質(zhì)量濃度條件下循環(huán)管道模擬裝置貼片生物膜中微生物種類及數(shù)量存在較大差異，3 種不同的NaClO 濃度下，在門(mén)的水平，變形菌門(mén)（Proteobacteria）的相對(duì)豐度始終占比最大，隨著NaClO 濃度的增加，變形菌門(mén)的相對(duì)豐度增加；放線菌門(mén)（Actinobacteria）的相對(duì)豐度占比僅次于變形菌門(mén)，且隨著NaClO 濃度的提高，相對(duì)豐度逐漸降低；擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）的相對(duì)豐度占比排第3 位，其相對(duì)豐度和NaClO 濃度的關(guān)聯(lián)度低，變化規(guī)律不顯著；硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirae）為好氧菌，且與，轉(zhuǎn)化為的轉(zhuǎn)化率成正相關(guān)[16]；硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirae）的相對(duì)豐度隨著NaClO 濃度的上升而降低；厚壁菌門(mén)（Firmicutes）在極端環(huán)境下生存能力強(qiáng)，在厭氧、兼性或好氧的環(huán)境中均可以生存，隨著NaClO 濃度的升高，其相對(duì)豐度略有升高；擬桿菌門(mén)在長(zhǎng)距離原水輸送管道中對(duì)有機(jī)物的降解和DON的釋放有重要作用，隨著NaClO 濃度的增加，其相對(duì)豐度變化并不顯著。

3 結(jié)論

（1）隨著NaClO 濃度的增加，出水CODMn的濃度先降低后增加，CODMn最大去除率達(dá)19.44%；出水UV254的值先降低后增加，UV254最大去除率達(dá)21.25%；出水NH4+-N，NO2--N 和NO3--N 濃度均有所增加，NH4+-N 最大增長(zhǎng)率100%，NO2--N 最大增長(zhǎng)率72.22%，NO3--N 最大增長(zhǎng)率23.30%；管道中氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量均減少。而由此可見(jiàn)，適量的NaClO 對(duì)耗氧量和UV254都有一定的去除效果，但對(duì)三氮的控制效果較差。

（2）在3 種不同NaClO 的濃度情況下，變形菌門(mén)（Proteobacteria）所占比重均最大。硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirae）的相對(duì)豐度隨著NaClO 濃度的上升而降低；變形菌門(mén)的相對(duì)豐度增加；厚壁菌門(mén)（Firmicutes）的相對(duì)豐度略有升高；擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度變化并不顯著。

（3）NaClO 對(duì)長(zhǎng)距離輸水的出水水質(zhì)及管道生物膜微生物群落有較大的影響，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況決定次氯酸鈉是否應(yīng)該投加，若投加，也應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求選擇適宜的投加量。這樣才能確保水質(zhì)安全。