新型不銹鋼復合管道生物膜形成特性與沖擊消毒效能

耿攀，李星，王庭昆，樊劍，梁恒

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新型不銹鋼復合管道生物膜形成特性與沖擊消毒效能

耿攀1，李星1，王庭昆2，樊劍2，梁恒3

(1. 北京工業大學 建筑工程學院，北京，100124； 2. 云南昆鋼新型復合材料發展有限公司，云南 昆明，605302； 3. 哈爾濱工業大學 環境學院，黑龍江 哈爾濱，150090)

通過生物膜環形反應器(BAR)研究在市政和建筑區域的供水系統中的新型不銹鋼復合管管壁生物膜中微生物形成特點、微生物腐蝕特性以及沖擊消毒控制措施，考察不銹鋼復合管材管壁生物膜中微生物生長情況及微生物對管道的腐蝕速率，了解氯消毒劑對管壁生物膜中微生物的滅活效能。研究結果表明：在含有余氯的市政和建筑區域供水管網系統中，不銹鋼復合管道在模擬實驗開展80 d后仍會出現明顯的生物增殖現象，在100~110 d期間生物量達到峰值，出現濁度和微生物超標的現象；管壁生物膜中微生物種類豐富，其中含有多種致病菌、耐氯病原菌以及易造成金屬腐蝕的菌屬，使供水的生物安全性和化學安全性受到潛在威脅；水中微生物造成不銹鋼復合管材腐蝕電流密度增大，腐蝕電位降低，腐蝕速率明顯增大；沖擊消毒的氯質量濃度越高、消毒時間越長，生物膜微生物滅活效果越好；當氯質量濃度為5 mg/L，消毒60 min時，鐵細菌、異養菌及其余細菌均可完全滅活；沖擊氯消毒后管壁生物膜大量剝離和脫落，生物膜形態破壞明顯，且消毒時間越長，生物膜破壞程度越大，可以有效控緩解生物對不銹鋼復合管道的腐蝕，保障供水安全。

不銹鋼復合管；管壁生物膜；微生物腐蝕；沖擊氯消毒；生物安全性

輸配水管道的材質和水質安全是保障市政和建筑區域內供水安全的重要因素，市政供水和建筑區域內的管道材質直接關系到水質安全。市政和建筑區域內的供水在輸配過程中經常會出現水體污染現象，導致水質不達標，其中微生物的再生和管道的腐蝕與結垢是造成供水二次污染的主要原因。輸配水管道中的微生物能利用氮、磷和有機碳等營養基質生長繁殖，逐漸在管壁形成生物膜，不僅使供水中微生物含量增加，而且會加速金屬管道的腐蝕。微生物腐蝕較復雜，是電化學反應和化學反應共同作用的結果。微生物對管道的腐蝕約占管道損失的20%[1]。微生物主要通過改變電極電勢和氧濃差電池腐蝕金屬管道[2?3]，其代謝過程中還會產生一些無機酸和有機酸，使 pH降低，加速金屬的腐蝕，造成水體色度、濁度和總鐵含量增 加[4]。鐵細菌是引起腐蝕的重要微生物，CHAMRITSKI等[5]的研究表明鐵細菌會加速金屬管材的腐蝕。采用不銹鋼管材是提高輸配水管道耐腐蝕性的有效措施，但存在成本較高等問題，限制了其使用范圍。不銹鋼復合管是由304不銹鋼和碳鋼2種材料同步復合成的新型管材，管內壁為304不銹鋼，外壁為碳鋼，兼具不銹鋼管道的優良特性以及碳鋼的成本優勢。為了考察新型不銹鋼復合管在市政和建筑區域供水輸配過程中的生物安全性，有必要研究新型不銹鋼復合管的微生物生長特性和消毒效能。為了控制管道的微生物再生問題，保障供水的生物安全性，通常在出廠水中投加一定量的消毒劑，以殺滅水中的微生物，抑制在輸配過程中供水管道的微生物再生。周玲玲等[6]的研究結果表明，市政和建筑區域內供水中即使含有一定質量濃度的余氯，管壁生物膜中微生物仍會持續增加。管壁生物膜微生物對氯消毒劑的抵抗能力遠強于懸浮態微生物的抵抗能力。陳笑居[7]的研究表明，當余氯質量濃度低于 0.5 mg/L時，管道中鐵細菌生長無法得到有效控制。王洋等[8]的研究表明，0.3 mg/L的氯可以有效控制懸浮鐵細菌的生長，但1.0 mg/L的氯仍無法殺滅管垢內的鐵細菌。王若卿等[9]的研究表明高質量濃度氯能有效控制再生水管壁生物膜中微生物數量，消毒時間越長，微生物存活率越低。朱永娟等[10]的研究表明，短時間內加入高質量濃度的氯后，管壁生物膜中異養菌數量會迅速下降，對管道生物膜造成很大破壞。由此可見，高質量濃度的消毒劑對管壁微生物滅活和抑制產生有效的作用。本文作者考察新型不銹鋼復合管在市政供水和建筑區域系統中微生物的生長情況、生物膜中的優勢菌種及微生物腐蝕特性，研究氯沖擊消毒技術對不銹鋼復合管壁生物膜微生物的抑制和滅活效果，以便為新型不銹鋼復合管輸配水的生物安全性和適用性研究提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 管道模擬裝置

試驗采用生物膜環形反應器(BAR)模擬市政和建筑區域內供水管道系統。試驗前，先使用NaClO溶液對BAR反應器、掛片和進出水管進行消毒滅菌，之后依次用自來水和超純水將BAR反應器沖洗干凈。BAR反應器由聚氯乙烯(PVC)材料制成的外層固定筒及內部轉子組成，轉子的凹槽中放置18個不銹鋼復合掛片，每個掛片的面積約17 cm2；掛片可以通過BAR反應器頂部的端口取出。通過蠕動泵控制BAR反應器進水流量為6 mL/min，水力停留時間為4 h，水的相對流速為0.36 L/h，轉子速度為50 r/min，有效容積為800 mL。

圖1 BAR反應器裝置示意圖

1.1.2 電化學工作電極

將不銹鋼復合管材加工成直徑為10 mm的圓柱形，在非試驗表面焊接導線并用防水密封膠帶封裹，之后用環氧樹脂將非試驗面封涂；試驗表面分別經粒度為96.0，41.0，23.0，18.0，13.0和6.5 μm砂紙逐級打磨，采用丙酮除油后用無水乙醇進行滅菌處理，放置于干燥皿中備用。

1.2 試驗用水

實驗用水為試驗室的自來水：溫度為18~20 ℃，pH為7.43~7.58，濁度為0.384~0.732 NTU，余氯質量濃度為0.06~0.18 mg/L，總有機碳(TOC)質量濃度 為1.962~2.397 mg/L，高錳酸鹽質量濃度為1.52~ 1.74 mg/L，溶解氧質量濃度為7.65~8.31 mg/L，總鐵質量濃度為0.06~0.08 mg/L。

在微生物腐蝕試驗中，有菌水為市政自來水，余氯質量濃度為0.06 mg/L，細菌總數為47 CFU/mL，異養菌平板計數(HPC)為156 CFU/mL。將市政自來水在紫外燈下照射2 h，使自來水中的細菌總數為 0 CFU/mL，即制成無菌水。無菌水每天進行更換。

1.3 分析方法

1.3.1 消毒液的配置

采用市售NaClO溶液用超純水配置成有效氯濃度分別為1，3和5 mg/L的氯消毒液備用。

1.3.2 水質檢測

極化曲線采用電化學工作站(CHI604D，上海辰華，中國)測定，參比電極為飽和甘汞電極，對電極為鉑電極；濁度采用濁度儀(2100N，HACH，美國)測定，總鐵質量濃度采用鐵離子測定儀(HI96745，HANNA，意大利)測定，TOC質量濃度采用總有機碳測定儀(Vario TOC，Elementar，德國)測定，氯質量濃度采用便攜式余氯快速測定儀(S-CL501，清時捷，中國)測定。

1.3.3 微生物學指標檢測

用2~3根經高溫滅菌的棉簽對掛片由上到下進行擦拭，直至將生物膜完全擦除。之后將棉簽放入盛有10 mL已滅菌的超純水試管中，并置于超聲波清洗儀中作用20 min，使棉簽上的生物膜充分溶于已滅菌的超純水中。

總的細菌采用營養瓊脂培養基在37 ℃的培養箱中培養24 h；鐵細菌采用鐵細菌培養基在30 ℃培養箱中培養7 d；異養菌采用R2A培養基在22 ℃的培養箱中培養7 d。

1.3.4 生物膜形態檢測

將消毒前后的生物膜掛片進行固定、噴金制樣處理后，利用掃描電子顯微鏡(SEM) (FEI nova nano450，荷蘭)對掛片的生物膜表面結構進行觀察，選擇合適的放大倍數拍攝并儲存照片。

1.3.5 宏基因組分析

首先采集掛片上的生物膜(方法見1.3.3節)，將采集的生物膜進行離心后提取DNA；然后，采用聚合酶鏈式反應引物341F(堿基序列為CCCTACACGACGCT- CTTCCGATCTG)和引物805R(堿基序列為GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCA)進行擴增，之后，對擴增產物進行純化；最后，將純化產物按一定質量比混合后測序。

2 結果與討論

2.1 生物膜微生物生長特性

圖2和圖3所示分別為BAR中不銹鋼復合管壁上生物膜微生物生長情況以及進出水濁度的變化情況。由圖2可知：細菌總數、鐵細菌和異養菌的生長曲線大致相同；管道系統運行0~60 d期間，管壁生物膜上生物量水平較低，總的細菌、鐵細菌和異養菌平均數量為1.7×102，1.1×102和2.4×102CFU/cm2，出水濁度平均值為0.632 NTU；在管道運行60~80 d期間，管壁生物膜上微生物數量小幅度增加；運行80 d后，掛片生物量呈現對數增長趨勢；在管道運行100~110 d時細菌總數、鐵細菌數量及異養菌數量達到最大值，分別為1.0×105，1.8×104和1.7×105CFU/cm2；在管道運行110~150 d期間，老化的生物膜開始脫落，管壁生物量呈現迅速下降并趨于穩定。管道材質對生物膜形成速率也有很大影響：PVC管材更易形成生物膜[11]，在運行80 d左右時生物量就已達到最大值，且其中異養菌的數量遠遠大于不銹鋼復合管道中異養菌數量。由圖3可知：在運行0~100 d期間，管道系統的出水濁度呈現緩慢增加趨勢；在120 d時出水濁度達到最高值，為1.367 NTU，出水的細菌總數、鐵細 菌數量和異養菌數量分別為120~300，50~110和 700~1 300 CFU/mL，此時出水濁度和細菌總數指標均已超標，高于GB 5749—2006“生活飲用水衛生標準”中的限值。由此可見，長期運行的不銹鋼復合管道也會形成明顯的管壁生物膜，造成輸配水管道的水體出現明顯的污染現象。

1—細菌總數；2—異養菌；3—鐵細菌。

1—出水；2—進水。

2.2 生物膜的細菌菌群特征

采用宏基因組16S測序方法分析模擬管道系統內成熟的生物膜中的菌群多樣性，樣本的覆蓋率為0.96，Shannon指數為5.27，Simpson指數為0.02，表明生物膜中菌群具有多樣性的特點。圖4所示為生物膜中微生物在門水平上的分布情況。由圖4可見：變形菌門()數量最多，其相對豐度為64.83%；其次為浮霉菌()、疣微菌門()、擬桿菌()、廣古菌門()、厚壁菌門()、酸桿菌門()和放線菌門()，所占比例分別為12.68%，4.56%，3.97%，3.75%，3.45%，1.79%和1.71%，其余菌門所占比例均小于1.00%。與相同水質條件下PVC材質管壁生物膜中的微生物種群[11]相比，不銹鋼復合管壁生物膜中變形菌門所占比例高43.23%，浮霉菌門、疣微菌門、廣古菌門和酸桿菌門的數量也較多；而不銹鋼復合管壁生物膜中厚壁菌門和擬桿菌門數量較少，二者所占比例比PVC管壁生物膜中的分別低41.46%和14.22%。

圖4 生物膜中微生物在門水平上的分布

變形菌門是供水管道生物膜中的優勢菌群[12?13]，不僅包含易造成金屬腐蝕的鐵細菌和硫酸鹽還原菌，而且含有大腸桿菌、假單胞菌和沙門氏菌等致病菌。厚壁菌門中的枯草芽孢桿菌和擬桿菌門的黃桿菌都是腐生菌，其產生的黏性物質與鐵細菌一同累積在管壁表面，可造成金屬管道腐蝕[14]。變形菌門、厚壁菌門和放線菌門中都包含錳氧化細菌，能加速管道點 蝕[15]。此外，上述菌門都包含一些耐氯菌，如軍團菌和金黃葡萄球菌等致病菌，它們能夠抵抗外界不良環境，在較低質量濃度的余氯條件下存活，從而對人體健康產生威脅。上述結果表明，市政和建筑區域供水管道生物膜中存在較多導致管壁腐蝕的菌種、致病菌和耐氯菌等，對飲用水的生物安全性和化學安全性造成一定威脅，因此，有必要控制管道生物膜的大量生成，確保市政和建筑區域供水管道的安全運行。

2.3 微生物腐蝕

圖5所示為在自來水中有菌和無菌條件下，不銹鋼復合管道腐蝕電位和電流密度變化。在有菌和無菌條件下不銹鋼復合管道的初始腐蝕電位分別為 ?163 mV和?154 mV。由圖5可看出：有菌水的腐蝕電位整體呈現明顯降低趨勢，無菌水腐蝕電位僅有輕微降低趨勢。有菌水電位降低速率明顯比無菌水的高，說明水中細菌的存在導致腐蝕加劇；在運行50~60 d期間，有菌水電位達到較穩定的狀態，腐蝕加劇傾向變小，此時電位均值為?298 mV，比初始電位降低79%，而無菌水的電位基本維持在?145~?201 mV，均值為?169 mV，顯著高于有菌水的電位。

1—有菌水，電流密度；2—無菌水，電流密度； 3—有菌水，腐蝕電位；4—無菌水，腐蝕電位。

腐蝕電流密度反映金屬腐蝕速率，電流密度越大，腐蝕速率越大。在初始條件下，有菌和無菌水腐蝕電流密度分別為0.135 6和0.117 4 μA/cm2。從圖5可看出：有菌水的腐蝕電流密度整體呈現急劇增加的趨勢，而無菌水電流密度卻有略微降低趨勢。有菌水的腐蝕電流密度明顯比無菌水的高，說明水中細菌導致腐蝕速率增加；在運行10~40 d期間，有菌水的腐蝕電流密度顯著增加，均值為0.225 2 μA/cm2；運行50~60 d期間，有菌水的腐蝕速率達到最大值，電流密度均值為0.308 5 μA/cm2；而無菌水的腐蝕速率在運行期間緩慢降低，電流密度均值為0.103 9 μA/cm2，明顯低于有菌水的腐蝕電流密度。腐蝕電位和腐蝕電流密度結果均表明微生物的存在會加快不銹鋼復合管材的腐蝕。

微生物對于管道的腐蝕是一個較緩慢的過程。隨著運行時間延長，有菌水的微生物代謝產物破壞管材鈍化膜[16]，造成管材的抗蝕性降低，加速陰極去極化過程，腐蝕向管材內部深入，形成點蝕[17]。為了控制微生物對管道的腐蝕，抑制和阻止管壁微生物的生長至關重要。

2.4 沖擊消毒的管壁微生物滅活效能

采用高質量濃度的氯對管壁生物膜進行沖擊消毒，總的細菌、鐵細菌和異養菌滅活率如圖6所示。由圖6可見：隨著氯質量濃度的增加，管壁微生物滅活效果不斷提高；在氯質量濃度為1 mg/L時，隨著消毒時間的增加，消毒效果明顯改善；消毒180 min時，管壁生物膜中細菌總數、鐵細菌和異養菌滅活率分別為1.17，1.26和1.32，消毒效果不佳。在氯質量濃度為3 mg/L時，隨著消毒時間增加，總的細菌、鐵細菌和異養菌滅活率明顯大于氯質量濃度為1 mg/L時的滅活率；在消毒120 min時，總的細菌、鐵細菌和異養菌均已趨于完全滅活，滅活率分別為2.88，3.02和3.34；隨后，細菌滅活率呈現平穩趨勢。在氯質量濃度為5 mg/L時，消毒0~60min時，細菌滅活率顯著增加，消毒60 min時總的細菌、鐵細菌和異養菌均已趨于完全滅活，滅活率分別為2.64，2.84和3.44，隨后，細菌滅活率僅略微增加，可見質量濃度為5 mg/L的氯只需60 min的沖擊消毒時間即可達到極佳的消毒效果。

氯質量濃度/(mg?L?1)：(a) 1；(b) 3；(c) 5

從上述結果可看出：氯質量濃度對管壁生物膜的滅活有很大影響，較低質量濃度的氯需要更長的消毒時間才能達到相同的消毒效果，高質量濃度氯則在很短的消毒時間內就可完全滅活管壁生物膜的微生物。考慮到在水中投加更高質量濃度的氯會造成感官不適，且生物膜中的微生物具有較強的抗氯性[18]，采用適宜質量濃度氯同時適當延長消毒時間更有利于各種微生物的殺滅，本文采用質量濃度為5 mg/L左右的氯進行60 min的沖擊消毒在實際應用中有更好的適 用性。

2.5 生物膜表面形態變化特征

為了進一步研究沖擊氯消毒的效果，對消毒前后的生物膜形態進行檢測。圖7所示為用5 mg/L氯消毒前后的生物膜表面形態變化。由圖7可以看出：成熟的生物膜具有一定厚度，表面凹凸不平，結構密實且呈塊狀；進行氯沖擊消毒后，生物膜的厚度和塊狀大小均出現了較明顯的變化；當消毒30 min時，生物膜出現萎縮現象，并發生部分脫落，此時，消毒對生物膜的破壞程度較小，生物膜表面結構仍比較密實；當消毒60 min時，有更多的生物膜脫落，造成管壁大部分裸露，生物膜表面變得松散凌亂。由此可見，沖擊氯消毒可使管壁生物膜形態破壞，生物膜出現了大幅度剝離和脫落，從而有效減緩微生物對不銹鋼復合管壁的腐蝕作用。

(a) 消毒前；(b) 消毒30 min；(c) 消毒60 min

3 結論

1) 在含有余氯的市政和建筑區域供水管網系統中，不銹鋼復合管道在連續運行80 d后仍會出現管壁微生物明顯增殖現象，在100~110 d時生物量達到峰值，細菌總數、鐵細菌數及異養菌數量分別為1.0×105，1.8×104和1.7×105CFU/cm2，管道出水濁度和微生物指標均超標。

2) 管壁生物膜細菌具有多樣性，其中變形菌門為優勢菌，占細菌總數的64.83%，并含有大腸桿菌、軍團菌和金黃葡萄球菌等多種致病菌、耐氯病原菌以及造成金屬腐蝕的菌屬，對供水的生物安全性和化學安全性造成潛在威脅。

3) 有菌水的腐蝕電位出現顯著降低趨勢，腐蝕電流密度總體呈現明顯增大趨勢，而無菌水的腐蝕電位和腐蝕電流密度則均呈穩定趨勢，表明有菌水對金屬管道的腐蝕速率明顯比滅菌水的大，微生物會明顯加速金屬管道的腐蝕。

4) 沖擊氯消毒對管壁生物膜的微生物有顯著滅活效果。氯質量濃度越高，微生物的滅活率越高；當氯質量濃度為5 mg/L、消毒時間為60 min時，總的細菌、鐵細菌和異養菌均可達到完全滅活；氯沖擊消毒管壁可顯著破壞管壁生物膜的形態，造成生物膜大幅度剝離和脫落，能有效地控制管壁生物膜的形成，保障供水安全。

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(編輯 伍錦花)

Characteristics and shock disinfection efficiency of biofilm of a new stainless steel composite pipeline

GENG Pan1, LI Xing1, WANG Tingkun2, FAN Jian2, LIANG Heng3

(1. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Yunnan Kungang New Composite Materials Development Co. Ltd., Yunnan 605302, China; 3. School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

By using the biofilm annular reactor(BAR), the characteristics of microbial growth and microbial corrosion, and control measures of shock disinfection of a new stainless steel composite pipeline in the water supply system of municipal and construction area were studied. The microbial growth on the stainless steel composite pipeline wall, corrosion rate of the pipeline caused by microorganism, and inactivation efficiency of chlorine disinfection on biofilm were also investigated. The results show that in the water supply pipe network system of municipal and construction area with residual chlorine, biofilm proliferation of stainless steel composite pipeline is obvious after 80 d of operation. During 100—110 d, the biomass reaches the peak, and both the turbidity and microbial index exceed the standard values. The biofilm of the wall has a diversity of microorganisms in it, which contains a variety of pathogens, chlorine resistant pathogens and bacteria that can cause metal corrosion, posing a potential threat to the biosafety and chemical safety of drinking water. With microorganisms in water, the corrosion current density of the stainless steel composite pipeline increases, the corrosion potential decreases and the corrosion rate increases obviously. With high mass concentration of chlorine and long sterilization time, the inactivation effect of biofilm microbes is better. When the chlorine mass concentration is 5 mg/L, iron bacteria, heterotroph and other bacteria can be completely inactivated when sterilized for 60 min. After the shock of chlorine disinfection, the biofilm on the wall peels off, and biofilm morphology is damaged. The longer the disinfection time is, the greater the degree of biofilm damage is, which can effectively control the corrosion of stainless steel composite pipeline caused by biofilm and assure water safety.

stainless steel composite pipeline; wall biofilm; microbial corrosion; chlorine shock disinfection; biosafety

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.004

X524

A

1672?7207(2018)11?2663?07

2017?11?09；

2018?01?07

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07406-002)；云南省科技計劃項目(2015IB022) (Project(2014ZX07406- 002) supported by the National Water Pollution Control and Control Science and Technology Major Program; Project(2015IB022) supported by the Science and Technology Program of Yunnan Province)

李星，博士(后)，研究員，博士生導師，從事給水處理研究；E-mail: lixing@bjut.edu.cn