預氯化對原水管道含氮污染物轉化及微生物群落結構的影響

周正協，徐 巧，何建榮，劉志剛,，許 航，陳桃源

(1. 寧波市自來水有限公司，浙江寧波 315041；2. 河海大學環境學院，江蘇南京 210098)

原水輸送管道系統是城鎮給水系統的重要組成部分，由于原水管道通常管徑大且距離長，因此，在原水的輸送過程中通常會發生一系列物理、化學及生物反應，引起水廠進水端水質的變化。近年來，隨著水體富營養化的不斷加劇，湖泊、水庫、河流等常用水源地普遍存在藻類增殖引起水質問題的現象。為控制藻類在原水輸送管道中大量繁殖，一些水廠采用在取水前端投加氧化劑的方式保證輸送過程中的水質穩定[1]。預氧化能夠有效抑制原水管道中藻類微生物的繁殖，但是氧化劑同樣會破壞原水管道中微生物的活性，不僅影響原水管道內壁微生物對水體的凈化作用，也會因為生物膜失活脫落而增加水質污染風險[2]。目前，關于氧化技術對飲用水水質影響的研究主要集中在水廠及市政供水管網，針對原水預氧化技術對原水輸送過程中的水質變化規律及對微生物群落結構的影響研究較少。本文利用原水管道模擬裝置探究了不同濃度預氧化條件下，原水含氮污染物的轉化規律及微生物群落結構變化，以期為原水管道預氯化處理技術保障原水水質安全性提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗原水管道模擬小試裝置如圖1(a) 所示。將管道內徑為100 mm的水泥砂漿內襯管段截成長度為20 cm的試驗管段，用純水將管道洗凈后自然通風晾干。用環氧樹脂涂抹管段的外壁以及橫切面，消除對試驗水質的影響，最后將處理好的管段放入原水輸送管道，模擬中試裝置以培養生物膜，中試裝置結構參照顧艷梅等[3]的研究，如圖1(b)所示。對上述管段及中試裝置內進行周期性的微生物量檢測，當兩者數量相當時可認為掛膜成功。將掛膜成功后的管段取出后放入試驗容器，利用磁力攪拌器模擬實際水流的剪切力，對試驗容器進行外覆錫紙處理以模擬管道埋地狀態。

圖1 原水管道模擬裝置 (a)小試； (b)中試Fig.1 Schematic Diagram of Raw Water Pipeline Simulation Device (a) Bench-Scale； (b) Pilot-Plant

1.2 試驗水質

試驗管段掛膜期間的進水為寧波JK水庫水，寧波JK水庫水質基本滿足我國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的相關限值要求，試驗期間模擬管道裝置的進水水水質如表1所示。試驗過程采用次氯酸鈉配制成的氯化溶液作為預氧化劑，試驗在常溫下進行。

表1 試驗用水水質Tab.1 Quality of Influent Water

1.3 測定項目及分析方法

(1)常規水質指標測定

(2)溶解性有機氮(DON)分子量分布測定

DON的分子量分布采用超濾膜法測定，使用超濾杯和超濾膜對DON分子量分布進行測定。超濾杯中配有磁力攪拌器，其壓力驅動是高純氮氣，壓力約為0.15 MPa；超濾膜的有效面積為31.75 cm2，其截留的分子量分別為10、5、3、1 kDa。先將待測水樣用0.45 μm的微濾膜進行過濾，再將水樣依次通過不同截留分子量的超濾膜，測定膜后水樣中的DON含量，各級濃度相減得到各分子量范圍內的有機物含量[4]，如式(1)～式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：Ci——分子量在i的DON濃度，mg/L。

(3)DON親疏水性測定

DON 的親疏水性通樹脂吸附法實現分離[5]。先將待測水樣用0.45 μm的微濾膜進行過濾，調節pH值至2后，分別使用 DAX-8、XAD-4和IRA-958樹脂將待測水樣中的DON分離成不同親疏水性的組分。

(4)微生物指標測定

異養菌總數(HPC)采用R2A平板計數法測定，微生物群落結構采用宏基因組測序法測定。

2 結果與討論

2.1 不同加氯量下pH值和DO的變化

不同加氯量下裝置出水pH值和DO濃度變化如圖2所示。未加氯時，出水pH值隨時間延長而逐漸降低，這主要是由于硝化菌的硝化作用。加氯后，出水pH值較對照組明顯上升，分析原因是次氯酸鈉溶液呈堿性，投加后引起出水pH值的上升。此外，隨著氯投加量的增加，管道內壁硝化菌的硝化作用可能被抑制，導致出水pH值上升。

圖2 不同加氯量pH值和DO濃度變化Fig.2 pH Value and Dissolved Oxygen Concentration at Different Chlorine Dosage

由出水DO濃度變化可知，未加氯時，裝置出水DO濃度隨著時間的延長逐漸降低，反應24 h后出水DO濃度下降約1.9 mg/L。隨著氯投加量的增加，出水DO濃度逐漸上升，當加氯量在0.5～1.0 mg/L時，出水DO濃度隨時間的下降趨勢同空白對照組相似。這表明在較低濃度加氯條件下，管道內部可能存在一部分耐氯微生物仍能維持自身的生長代謝過程，消耗水中的DO；當加氯量大于1.5 mg/L時，出水DO濃度較低濃度加氯量時明顯上升，這可能是由于高濃度的氯能夠使管道內部微生物大量失活，從而降低耗氧能力。

2.2 含氮污染物的變化

圖3 不同加氯量下濃度的變化 Concentration at Different Chlorine Dosage

圖4 不同加氯量下和濃度變化 and Concentration at Different Chlorine Dosage

(3)DON濃度的變化

DON濃度變化如圖5所示，空白試驗組出水DON濃度隨時間逐漸增大，24 h后出水DON濃度增加0.13 mg/L，增長率為45%。DON濃度的上升可能由3方面因素引起：(1)試驗管道內壁生物膜在代謝過程中會產生一系列代謝產物，導致出水DON濃度升高；(2)水體中懸浮顆粒物表面附著的有機物與氯發生反應引起DON濃度的升高；(3)水力剪切作用可能會導致部分生物膜脫落，引起出水DON濃度升高。加氯后，出水DON濃度明顯增加，且隨著投加量的增加而升高。當加氯量大于1.5 mg/L，反應時間為4.5 h時，出水DON濃度較進水增加86%左右。這可能是由于較大的加氯量會破壞生物膜胞外結構，導致生物膜內微生物失活后進水水體，增加出水DON的濃度。趙銳[7]研究了加氯作用對供水模擬管道生物膜的影響，結果表明，當水中游離氯濃度逐漸升高到0.5 mg/L時，管壁生物膜內生物量隨游離氯的增加呈直線下降趨勢，生物膜內生物量減少約90%。另外，微生物產生的有機物會和氯反應生成復雜的消毒副產物，這可能也是引起出水DON濃度升高的原因之一。

圖5 不同加氯量下DON濃度變化Fig.5 Dissolved Organic Nitrogen Concentration at Different Chlorine Dosage

2.3 DON分子量及親疏水性變化

選取出水DON濃度相對穩定的4.5 h水樣進行分子量分布及親疏水性測定，結果如圖6所示。試驗原水以小分子DON為主，分子量<1、1～3、3～5、5～10、>10 kDa所占比例分別為63.2%、5.2%、2.3%、7.1%和22.2%。空白試驗組DON分子量變化較小，加氯后，DON中分子量<1 kDa的比例逐漸上升，分子量>10 kDa的比例逐漸下降。當加氯量為3 mg/L時，出水DON中分子量<1、1～3、3～5、5～10、>10 kDa所占比例分別為77.5%、8%、2.7%、7.2%和4.6%。這表明隨著加氯量的增加，水體中的大分子有機物與氯反應轉化為小分子有機物。DON親疏水性變化如圖6所示，加氯后明顯增加了DON中親水性組分的比例，與空白試驗組相比，當加氯量為3 mg/L時，親水性DON比例由69.8%增加至88.2%。疏水性有機物通常含有大量的芳香族結構，而親水性組分通常含有更多的脂肪族結構，如氨基酸和多糖[8]。Beggs等[9]對加氯消毒后有機物熒光光譜的研究結果表明，氯能與水中部分有機物發生反應，將大分子芳香族有機物轉化成了小分子親水性有機物。綜上所述，加氯后能夠將水體中DON轉化為分子量更小，親水性更強的有機物。

圖6 不同加氯量下DON分子量分布及親疏水性變化Fig.6 DON Molecular Weight and Hydrophilicity at Different Chlorine Dosage

2.4 微生物群落結構變化

在不同加氯量下， 選取反應4.5 h后的管壁生物膜樣品進行16S rRNA測序分析。采用Uclust軟件將DNA系列進行聚類分析，以97%相似水平為標準劃分可操作性分類單元(OTU)，結果如表2所示。空白試驗組的生物膜樣品中得到268個OTU，當加氯量小于1.5 mg/L時，OTU指數較空白組大；當加氯量大于2 mg/L時，OTU指數明顯降低。通過對樣品Shannon指數分析可知，隨著加氯量的增加，Shannon指數先上升后下降，由此可見，與投加高濃度氯(>1.5 mg/L)相比，投加較低濃度氯(0.5～1.0 mg/L)更有利于提高管道生物膜中微生物多樣性。與未投加氯相比，較低的加氯量同樣表現為較高的微生物多樣性，這與Mi等[10]研究供水管網中消毒劑對生物膜中微生物種群結構影響的結果一致。

表2 不同加氯量下微生物多樣性指數Tab.2 Microbial Diversity Index at Different Chlorine Dosage

為準確反應不同加氯量條件下微生物群落結構，對微生物在門和屬水平上的群落結構組成進行分析，結果如圖7所示。生物膜中優勢菌門主要包括變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、藍藻菌門(Cyanobacteria)、浮霉菌門(Planctomycete)、酸桿菌門(Acidobacteri)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、綠彎菌門(Chloroflexi)及部分未鑒定菌門。

圖7 不同加氯量下管壁生物膜微生物群落(門水平)Fig.7 Distributions of Bacterial Strains (Level of Phylum) at Different Chlorine Dosage

圖8 不同加氯量下管壁生物膜微生物群落(屬水平)Fig.8 Distributions of Bacterial Strains (Level of Genus) at Different Chlorine Dosage

通過對微生物屬水平群落結構分析可知(圖8)，生物膜中主要含有鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、食酸菌屬(Acidovorax)、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、不動桿菌屬(Acinetobacter)等。其中，鞘脂單胞菌屬占比隨著加氯量的增加不斷降低，當加氯量為3 mg/L時，鞘脂單胞菌屬比由28.6%下降至12.2%。鞘脂單胞菌屬能夠產生大量EPS(胞外聚合物)，是生物膜形成過程中的重要微生物[13]。由此推斷，較高濃度的加氯量可能會加快生物膜的脫落，不利于生物膜生長。此外，假單胞菌屬、食酸菌屬、不動桿菌屬等占比逐漸上升，這些菌屬在耐氯菌屬研究中具有相關報道[14-15]。

3 結論

(2)預氯化后水體中DON濃度明顯增加，且隨著加氯量的增加而升高，主要是由于微生物被消毒劑氧化后細胞溶出物增加以及高氯濃度下管道內壁生物膜失活脫落引起。此外，預氯化后水體中親水性小分子DON比例明顯增加。

(3)投加較低濃度氯(0.5～1.0 mg/L)在一定程度上會促進微生物多樣性升高，而較高濃度的氯(>1.5 mg/L)則會大大削減物種多樣性。預氯化后，生物膜中變形菌門占比逐漸降低，厚壁菌門則逐漸成為優勢菌，占比逐漸上升。硝化螺旋菌門在高濃度氯條件下占比明顯降低，這與裝置中硝化反應規律相似。在屬水平上，鞘脂單胞菌是生物膜中的重要菌屬，其占比隨著加氯量的增加而降低，而假單胞菌屬、食酸菌屬、不動桿菌屬等耐氯菌屬占比則逐漸上升。