長距離輸水過程中水質及管道生物膜群落結構變化

長距離輸水過程中水質及管道生物膜群落結構變化摘要通過長距離輸水管道，鹽城新水源地引水工程將京杭運河水從寶應輸送至鹽城。長距離管道輸水過程中，可能會改變水質。本研究，通過對輸水管道初始運行10個月的沿程4個點位的水質進行分析，探究該長距離輸水過程中的水質變化。結果表明，與原有水源相比，新水源的啟用降低了有機質和氨氮（NH4+-N）超標的風險。在長距離輸水過程中，濁度、溶解氧、總鐵含量隨管道增長而逐漸降低，而NH4+-N濃度逐漸升高。在輸送過程中，pH值、亞硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總氮濃度均保持相對穩(wěn)定。運行4個月后，沿程管道生物膜群落結構具有較大差異，其中硝化螺旋菌門的相對豐度均小于0.03%，可能是造成NH4+-N濃度沿程升高的主要原因。關鍵字：長距離輸水；水質；生物膜；變化鹽城地處淮河下游，就地水源地水質常受上游農業(yè)面源污染以及企業(yè)排污等影響[1]。為有效解決鹽城大市區(qū)及相關縣域原水安全保障問題，鹽城于2017年啟動實施了新水源地及引水工程[2]。新水源地位于揚州寶應京杭運河氾水段。該工程通過長距離輸水管道，可以將長江之水引入相關市區(qū)。不同水源的水質，具有一定的差異。水源水在輸送過程中可能會發(fā)生物理、化學和微生物反應，從而導致水質發(fā)生變化。在輸水管道中，管壁常伴有生物膜的出現[3]。管道生物膜的脫落，會隨水流進入后續(xù)飲用水凈化體系，進而影響整個飲用水凈化系統的調整。因此，充分了解新水源水質、輸送過程中水質的變化及管道生物膜具有重要的意義。1.實驗材料和方法1.1輸水管道概況鹽城市新水源地及引水工程設計規(guī)模115×104m3/d，工程主要建設內容包括取水口、取水泵站、主線中途增壓泵站、鹽龍湖增壓泵站、主線輸水管、建湖支線、射陽支線、大豐支線等[3]。新水源原水從京杭運河通過自流管穿越運河大堤，進入寶應取水泵站預沉曝氣池，經沉淀和曝氣充氧增壓后，輸送45.8km，進入建湖境內的恒濟增壓泵站（圖1），經恒濟泵站開放式調節(jié)水池增壓，出水一分為二，主線向鹽龍湖增壓泵站方向輸水，距離為36.4km，支線向建湖城南水廠供水。主線原水進入鹽都區(qū)境內的鹽龍湖增壓泵站后，經開放式調節(jié)水池曝氣充氧增壓，出水一分為三，主線向市區(qū)城東水廠和市區(qū)鹽龍湖水廠供水；大豐支線向大豐調蓄池輸水，距離為38.9km，大豐水廠自行取用大豐調蓄池內原水；射陽支線先輸水39.5km至射陽增壓泵站（其間分叉向建湖上岡水廠供水），考慮到輸水時間較長，采用開放式水池，并進行充氧曝氣，繼續(xù)增壓至射陽明湖水廠，輸水距離為36.3km。1.2輸水管道研究段的選取從京杭運河取水口至最遠的射陽縣明湖水廠的管道長達170km，輸水管道內部均設有水泥砂漿防腐層。以設計低流量計算，水力停留時間長達67小時。在此過程中，水質變化情況難以預測，需進行水質檢測，以初步了解新水源水質在輸送過程中的變化。新水源地取水泵站在2018年7月份開始投入運行。本研究將取水泵站-恒濟泵站-鹽龍湖泵站-大豐蓄水池作為研究管段，此條管段長121.1公里，輸水量占據整條鹽城新水源地輸水量的70%以上，管道中水流流速為0.3m/s-1.5m/s，具有代表性。圖1

輸水管道系統布置圖1.3

水質測定2018年7月至2019年4月，每月對幾個泵站段及大豐蓄水池中的水質進行檢測。檢測指標包括濁度、pH、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮(NH4+-N)、亞硝氮(NO2--N)、硝氮(NO3--N)、總氮(TN)和總鐵(TFe)，測定方法均按照《生活飲用水標準檢驗方法》(GB5750-2006)進行檢測。1.4生物膜群落結構測定2018年12月，對輸水管道中4個泵站段的管道生物膜進行取樣。使用2-3根已滅菌的棉簽從上到下管道5-6次，將擦拭完的棉簽迅速放入盛有10mL滅菌緩沖液的試管中，平行取樣3次，然后把試管置于超聲波清洗器30KHz下震蕩15min，將收集的生物膜樣品置于50mL離心管中，定容至20mL，使用DNA快速提取試劑盒(OMEGAE.Z.N.A，USA)對各生物膜樣品總DNA進行提取，通過1%瓊脂糖凝膠電泳和紫外分光光度法TBS-380對其定量。采用帶有A，B接頭的通用引物8F(5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’)和533R(5’-TTACCGCGGCTGCTGGCAC-3’)對提取的DNA進行擴增，在454-GSFLXTitanium平臺進行焦磷酸測序，并對有效序列進行標準化，運用Mothur軟件對生物膜微生物的相對豐度進行分析。2.結果與分析2.1

水質變化2.1.1濁度變化濁度是影響水質凈化的重要參數。由圖2可見，新水源水的濁度變化范圍為55-141NTU。除2019年1月外，隨管道沿程長度的增加，輸水的濁度逐漸降低，這主要由水中較大顆粒在管道中沉降造成。恒濟點位濁度在2019年1月升高，可能是由于寶應至恒濟段管道中沉積的顆粒被擾動釋放所致。在檢測的時間段內，沿程4個采樣點濁度的平均值分別為88.6NTU、82.5NTU、75.1NTU、63.1NTU。圖2原水輸送管道中濁度變化2.1.2

pH變化由圖3可以看出，水源水pH值的變化范圍為7.65-8.07，平均值為7.93，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）要求。輸水過程中，pH值沿輸水管道變化較小，變幅均不超過0.3。

圖3原水輸送管道中pH變化2.1.3

DO變化由圖4可以看出，新水源水的DO濃度均達6mg/L以上，優(yōu)于II類水水質標準。隨著管道的輸送，水源水的DO濃度隨管道長度增加而逐漸降低，這與水源水中還原性物質（如有機質、氨氮）消耗氧氣有關。在夏季（7-8月）時，新水源水中的DO含量相對較低，當輸送到鹽龍湖泵站之后DO值降至4mg/L以下，此時DO已低于IV類標準，需在增壓泵站進行曝氣處理。在其他時間段，各監(jiān)測點位的DO值較高，不需進行曝氣處理。圖4原水輸送管道中DO濃度變化2.1.4

CODMn變化由圖5可以看出，新水源水CODMn變化范圍為2.7-5.5mg/L，顯著低于原有水源水的CODMn濃度（4.6-9.2mg/L）[1]，可見新水源的啟用顯著緩解了鹽城飲用水有機質濃度超標的風險。在2018年7月至2019年1月，CODMn濃度隨著沿程的增加逐漸降低，這可能與管道吸附及管壁生物膜吸附、降解去除有關。在2019年2月至4月，CODMn濃度隨著沿程的增加而逐漸升高，可能與管道中微生物死亡釋放有機質有關。圖5原水輸送管道中CODMn濃度變化2.1.5

氮的變化由圖6可見，新水源水NH4+-N濃度變化范圍為0.08-0.15mg/L，滿足《地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）》I類水水質標準。新水源水NH4+-N濃度顯著低于原有水源水的NH4+-N濃度（0.20-1.40mg/L）[1,4]，表明新水源的啟用降低了NH4+-N濃度超標的風險。隨著水源水在管道中的輸送，NH4+-N濃度隨管道長度增加而逐漸升高，這與原水中有機氮在氧氣作用下轉變?yōu)镹H4+-N有關。隨管道長度增加，不同采樣點NH4+-N平均濃度分別為0.12mg/L、0.19mg/L、0.27mg/L、0.31mg/L。新水源水的NO2--N和NO3--N濃度較為穩(wěn)定，濃度范圍分別為0.07-0.14mg/L、1.25-1.43mg/L。隨著輸水管道長度的增加，輸水中NO2--N和NO3--N濃度均略有升高（圖6b,c），這與NH4+-N的氧化轉化有關。沿程4個點位NO2--N濃度平均值分別為0.10mg/L、0.10mg/L、0.11mg/L、0.12mg/L；NO3--N濃度的平均值分別為1.32mg/L、1.32mg/L、1.35mg/L、1.38mg/L。新水源水TN濃度變化范圍為1.80-2.50mg/L，平均為2.04mg/L，與原有水源水的TN濃度變化范圍相似[4,5]。隨著輸水管道長度的增加，TN濃度保持相對穩(wěn)定，平均濃度分別為2.03mg/L、2.00mg/L、1.99mg/L，這表明在實際長距離輸水過程中，較高DO含量及較低有機質濃度不利于反硝化的發(fā)生。圖6原水輸送管道中氮濃度變化(a:NH4+-N;b:NO2--N;c:NO3--N;d:TN)2.1.6

TFe變化由圖7可見，新水源水中TFe含量變化范圍為0.28-0.65mg/L，其中僅2018年12月份濃度（0.28mg/L）低于《地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）》對鐵濃度要求的限值（0.30mg/L）。隨著水源水在管道中輸送，管道內TFe濃度在大部分月份內，均隨管道長度增加而降低。在2018年11月至2019年1月期間，在輸送過程中TFe濃度有上升現象，可能與水泥砂漿防腐層吸附/沉積的顆粒物釋放有關。在整個檢測的時間內，隨管道長度增加，各點位TFe平均濃度分別為0.41mg/L、0.37mg/L、0.34mg/L、0.31mg/L。圖7原水輸送管道中總鐵濃度變化2.2

沿程輸水管道中生物膜群落結構變化4個生物膜樣品共獲得25426條高質量的16SrRNA基因克隆序列。4個生物膜樣品共有1482個OTU，分屬23個門和若干未分類的細菌，優(yōu)勢菌群共12門，分別為變形桿菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、互養(yǎng)菌門(Synergistetes)、放線菌門(Actinobacteria)、熱袍菌門(Thermotogae)、浮游菌門(Planctomycetes)、螺旋體門(Spirochaetes)、嗜熱絲菌門(Caldiserica)、酸桿菌門(Acidobacteria)和疣微菌門(Verrucomicrobia)（圖8）。4個生物膜樣品的第一優(yōu)勢門均為變形桿菌門，相對豐度分別為65.31%、40.21%、78.93%、56.32%。變形桿菌門細菌為革蘭氏陰性菌，大多數營兼性或專性厭氧及異養(yǎng)生活，廣泛分布于水環(huán)境中。4個生物膜樣品的第二優(yōu)勢門為厚壁菌門，相對豐度分別為14.85%、25.1%、8.26%和18.64%。很多厚壁菌門細菌為革蘭氏陽性菌，生長到一定階段能夠產生芽孢，耐脫水和極端環(huán)境。因此，即使在輸水管道中，其相對豐度也較高。值得指出的是，擬桿菌門在4個生物膜中檢出，其通常與生物污水及養(yǎng)殖業(yè)的廢水的亂排亂放有關。變形桿菌中的氨化細菌可通過氨化作用將水中的含氮有機物轉化為NH4+-N。硝化螺旋菌門是一類革蘭氏陰性細菌，能夠將NH4+-N和NO2--N硝化轉變?yōu)镹O3--N。在取水泵站、恒濟增壓泵站、鹽龍湖增壓泵站的3個生物膜樣品中硝化螺旋菌門相對豐度均較低，分別為0.03%、0.01%和0.01%，在大豐蓄水池的生物膜樣品中未檢出硝化螺旋菌門。這可能是水源水在輸送過程中硝化作用不明顯，進而導致在輸水過程中NH4+-N濃度逐漸升高的原因。圖8實際輸水管道生物膜微生物群落結構（門水平）3.結論與原有水源水質相比，新水源的啟用降低了鹽城市水源水質有機質和NH4+-N超標的風險。在長距離輸水過程中，濁度、DO、TFe含量隨管道增長而逐漸降低。在輸送過程中，NH4+-N濃度呈現沿程升高的趨勢，但pH值、NO2--N、NO3--N及TN濃度均保持相對穩(wěn)定。管道生物膜中變形桿菌門、厚壁菌門、綠彎菌門和擬桿菌門是主要的優(yōu)勢菌門。輸水管道生物膜中硝化螺旋菌門的相對豐度較低，這可能是造成NH4+-N濃度沿程升高的主要原因。參考文獻[1]杜觀超,陳清華,高旭,丁偉,王毅.流域下游水源地多重保障體系的構建——以鹽城市為例[J].城鎮(zhèn)供水.2017,06:55-60.[2]周晉,臧冬偉,楊紅尉,邵昕楠.鹽城河網