使用BAR反應(yīng)器研究管材和余氯對(duì)管壁生物膜形成的影響

張向誼，劉文君，高圣華，張琳
（清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京，100084）

徐洪福 尤作亮 張勁松
（深圳自來(lái)水集團(tuán)公司，深圳，廣東，518031）

　　摘要：使用BAR反應(yīng)器模擬實(shí)際管網(wǎng)，研究在有氯、無(wú)氯兩種原水情況下，鍍鋅鋼、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC五種管材上細(xì)菌的生長(zhǎng)規(guī)律。試驗(yàn)表明：幾種管材按單位面積最大細(xì)菌數(shù)比較，鍍鋅鋼>鑄鐵>UPVC>不銹鋼>PE；按達(dá)到單位面積最大細(xì)菌數(shù)所需天數(shù)比較，鍍鋅鋼>鑄鐵、不銹鋼>UPVC，PE管上細(xì)菌沒(méi)有較大增加。另外，三種金屬管材會(huì)發(fā)生銹蝕，引起水濁度、色度上升。對(duì)于防止微生物在管壁生長(zhǎng)而言，PE是最理想的管材；不銹鋼則是值得選擇的金屬材料。加氯可控制細(xì)菌的生長(zhǎng)速度，但無(wú)法影響同種管材上最大細(xì)菌數(shù)；氯對(duì)金屬管材上細(xì)菌的生長(zhǎng)影響不大?？刂乒芫W(wǎng)水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，推廣塑料管材是有必要的，但對(duì)塑料管材的化學(xué)安全性，特別是其中添加劑是否會(huì)析出還需進(jìn)一步研究。
　　關(guān)鍵詞：BAR，生物膜，金屬管材，塑料管材，余氯

Investigation of the Impacts of Pipe Materials and Chlorine Residuals on the Formation of Biofilm Using BARs

ZHANG Xiangyi, LIU Wenjun, GAO Shenghua, Zhang Lin
（Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua, Beijing, 100084）

Abstract: Five kinds of coupons, i.e. galvanized steel, casting iron, stainless steel, PE, and UPVC, were used in BARs at the condition with or without chlorine residuals for assessing the bacterial growth potentials. It was observed that, in the term of the maximum bacteria’s number detected, the order was that galvanized steel> casting iron> UPVC> stainless steel> PE. In the term of the duration of reaching maximum bacterial number, the order is that galvanized steel> casting iron, stainless steel> UPVC, while no appreciable bacteria growth were observed on PE. For control the re-growth of bacterial in the distribution systems, the PE would be the best material of five kinds of materials and the stainless steel would be the best metal material as well. Chlorine could slow down the rate of the bacteria growing on the walls, but the maximum numbers of bacteria were same compared to those without chlorine. Furhtermore, chlorine resulted in the corrosion of metal. Thus, for control of the bio-stability of drinking water, PE pipe is recommended. However, it is necessary to study the possibility of the release of micro-pollutants from the plastic pipe materials.

Key words: BAR, bio-stability, bio-film, pipe materials, residual chlorine

　　配水系統(tǒng)中廣泛存在生物膜，而且構(gòu)成生物膜的菌種里有很多與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)，甚至存在條件致病菌。研究表明：即使常規(guī)管網(wǎng)水取樣中未檢出細(xì)菌和大腸桿菌，實(shí)際上管網(wǎng)水仍存在一定的微生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)^[1]。因此，研究管網(wǎng)管壁生物膜的形成原因、影響生物膜形成的因素進(jìn)而探討控制生物膜形成的技術(shù)手段就成為一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。
　　但是，配水系統(tǒng)是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，從出廠到用戶的配水管網(wǎng)往往埋在地下，難以隨時(shí)監(jiān)控其中生物膜生長(zhǎng)的情況。所以本試驗(yàn)選用國(guó)際上通用的BAR（Biofilm Annular Reactor，環(huán)狀生物膜掛片反應(yīng)器）模擬實(shí)際管網(wǎng)進(jìn)行生物膜培養(yǎng)，研究了不同管材和水中有無(wú)余氯對(duì)生物膜形成的影響。這一研究對(duì)實(shí)際管網(wǎng)中管材的選取具有一定的指導(dǎo)意義，但其他因素與生物膜的關(guān)系有待進(jìn)一步的深入研究。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置——BAR反應(yīng)器
　　本試驗(yàn)用兩臺(tái)BAR反應(yīng)器模擬實(shí)際管網(wǎng)中生物膜的形成過(guò)程，其中一臺(tái)BAR是美國(guó)原裝進(jìn)口產(chǎn)品，型號(hào)為1120/1320 LJ，有效容積3.2L左右；另一臺(tái)BAR自制，規(guī)格、特性與進(jìn)口產(chǎn)品相同。由于體積小，這一反應(yīng)器可以放置在不同地點(diǎn)，并可以控制溫度、營(yíng)養(yǎng)等外界條件進(jìn)行試驗(yàn)。
BAR反應(yīng)器主要由反應(yīng)罐、轉(zhuǎn)子、掛片、電機(jī)和進(jìn)出水口組成，反應(yīng)器轉(zhuǎn)子上掛有掛片以提供生物膜附著生長(zhǎng)的表面。轉(zhuǎn)子在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，掛片與水體的交界面間產(chǎn)生剪切力，可模擬管網(wǎng)中的水力條件，剪切力大小可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。圖1（a）、（b）、（c）、（d）分別是BAR簡(jiǎn)圖、實(shí)物照片和轉(zhuǎn)子照片。

　　該儀器的使用方法是：將所需研究的管材制成的掛片裝入中心轉(zhuǎn)子的插槽中，通入要研究的水，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，得到想要模擬的管網(wǎng)管徑和水流流速，進(jìn)行生物膜相應(yīng)特性的研究。其中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在控制開(kāi)關(guān)上顯示出來(lái)。
　　本試驗(yàn)所用掛片都是根據(jù)深圳市配水管網(wǎng)中實(shí)際使用的管材情況自制而成的，未使用原裝掛片。目前，各國(guó)科學(xué)家已利用BAR進(jìn)行了生物量測(cè)定、微生物細(xì)胞剝離方法、生物膜形態(tài)結(jié)構(gòu)、AOC和BDOC與生物膜生物量的相關(guān)性等多種研究[2]。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 原水及水質(zhì)情況
　　本試驗(yàn)在深圳市大沖水廠中試試驗(yàn)基地進(jìn)行。原裝BAR以水廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的砂濾后水為原水，水中無(wú)氯，仿制BAR以出廠水為原水，水中有氯，分別模擬生物膜在配水管網(wǎng)中生長(zhǎng)的過(guò)程。表1是深圳市大沖水廠中試基地濾后水和出廠水的水質(zhì)情況。

深圳市大沖水廠濾后水和出廠水水質(zhì)　　　　　　　　　 表1

原水

濁度（NTU）

余氯*（mg/L）

細(xì)菌總數(shù)（個(gè)/ml）

總大腸菌數(shù)（個(gè)/333ml）

AOC（μg-乙酸碳/L）

總堿度（mg/L）

總硬度（mg/L）

BAR進(jìn)水（濾后）

—

—

210

0

127

30.8

48

BAR出水（濾后）

—

—

5400

0

274

33.9

50

BAR進(jìn)水（出廠）

0.55

0.45

0.57

—

—

—

—

—

*注：“余氯”一項(xiàng)中，前一個(gè)數(shù)值為游離氯濃度，后一個(gè)數(shù)值為總氯濃度。

1.2.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
　　根據(jù)說(shuō)明書(shū)中給出的BAR反應(yīng)器轉(zhuǎn)子角速度-管網(wǎng)水流速計(jì)量關(guān)系，經(jīng)過(guò)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)選用“137”左右的轉(zhuǎn)速顯示值，模擬直徑50mm的配水管網(wǎng)中0.3m/s左右的水流速度。
1.2.3 實(shí)驗(yàn)周期
　　每臺(tái)BAR運(yùn)行兩個(gè)周期，其中一個(gè)周期研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長(zhǎng)的規(guī)律，第二個(gè)周期研究鑄鐵、不銹鋼、PE（聚乙烯）和UPVC（硬質(zhì)聚氯乙烯）四種管材上生物膜生長(zhǎng)的規(guī)律。原裝BAR研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的周期為40天，其余每個(gè)周期為30天。表2是實(shí)驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)周期統(tǒng)計(jì)表格。

BAR實(shí)驗(yàn)各周期統(tǒng)計(jì)表　　　　　　　　　　　 表2

儀器

運(yùn)行周期

掛片材料

運(yùn)行時(shí)間

運(yùn)行天數(shù)

余氯

原裝BAR

1

鍍鋅鋼

2004.7.16-2004.8.25

40天

無(wú)

原裝BAR

2

鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC

2005.4.3-2005.5.6

33天

無(wú)

仿制BAR

1

鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC

2005.3.27-2005.4.16

30天

有

仿制BAR

2

鍍鋅鋼

2005.4.16-2005.5.16

30天

有

　　對(duì)于研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的周期，從第十天起，以濾后水和出廠水為原水進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，分別每三天和五天取一片掛片進(jìn)行HPC（異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)）實(shí)驗(yàn)。對(duì)于研究不同管材上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，以濾后水（不含氯）和出廠水（含氯）為原水進(jìn)行的試驗(yàn)，分別從第十三天和第十天起，每五天取不同材料的掛片各一片分別進(jìn)行HPC（異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)）實(shí)驗(yàn)。
1.2.4 HPC（異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)），方法見(jiàn)[參考文獻(xiàn)]簡(jiǎn)單介紹一下PCA和NA瓊脂比較。
1.2.5 作細(xì)菌生長(zhǎng)曲線，觀察細(xì)菌生長(zhǎng)規(guī)律
　　測(cè)量掛片的表面積，用細(xì)菌總數(shù)除以相應(yīng)掛片的表面積，計(jì)算出掛片單位面積上的細(xì)菌數(shù)。掛片表面積的計(jì)算方法為：正反兩面面積之和減去取樣孔面積。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的單位面積細(xì)菌數(shù)為縱坐標(biāo)作圖，觀察細(xì)菌在同一材料的掛片上的生長(zhǎng)規(guī)律。對(duì)比同一原水、不同管材上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的差別，同時(shí)對(duì)比不同原水、同一管材上生物膜生長(zhǎng)的規(guī)律，總結(jié)水質(zhì)和管材對(duì)配水管網(wǎng)中生物膜形成的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 以濾后水（無(wú)余氯）為原水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　以濾后水為原水、研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，鍍鋅鋼掛片快速銹蝕，BAR中的水變成紅色，反應(yīng)器運(yùn)行后期，掛片上的生物膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)中流量在1.5L/h左右，反應(yīng)器容積是3.179L，其中水力停留時(shí)間約為2h，模擬的水流速度約為0.3m/s。
　　濾后水、鍍鋅鋼掛片上細(xì)菌在PCA培養(yǎng)基和營(yíng)養(yǎng)瓊脂上的生曲線如圖2所示。

（a）濾后水（無(wú)氯）鍍鋅鋼掛片上細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線（PCA培養(yǎng)基）

（b）濾后水（無(wú)氯）鍍鋅鋼掛片上細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線（NA培養(yǎng)基）

圖2 濾后水（無(wú)氯）鍍鋅鋼掛片上細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線

　　從圖2中可以看到，細(xì)菌在PCA培養(yǎng)基和營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)曲線基本一致，所以后期實(shí)驗(yàn)均只采用PCA培養(yǎng)基進(jìn)行。
　　以濾后水為原水、研究鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，鑄鐵和不銹鋼掛片快速銹蝕，BAR中的水變成紅色。
　　該實(shí)驗(yàn)流量約155.38L/h，反應(yīng)器容積3.179L，水力停留時(shí)間約74s。
　　濾后水、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上細(xì)菌在PCA培養(yǎng)基的生曲線如圖3所示。

圖3 濾后水（無(wú)氯）不同管材掛片上細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線（PCA培養(yǎng)基）

2.2 以出廠水（有余氯）為原水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　以出廠水為原水（有氯）研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，鍍鋅鋼掛片快速銹蝕，因水流流量較大，BAR中的水沒(méi)有完全變成紅色。
　　該實(shí)驗(yàn)中流量在174.67L/h左右，反應(yīng)器容積是3.179L，其中水力停留時(shí)間大約為66s。
　　出廠水、鍍鋅鋼掛片上細(xì)菌在PCA培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)曲線如圖4所示。

圖4 出廠水（有氯）鍍鋅鋼掛片上細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線（PCA培養(yǎng)基）

　　以出廠水為原水、研究鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上生物膜生長(zhǎng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，鑄鐵和不銹鋼掛片快速銹蝕，因水流流量較大，BAR中的水沒(méi)有完全變成紅色。
　　該實(shí)驗(yàn)中流量在174.67L/h左右，反應(yīng)器容積是3.179L，其中水力停留時(shí)間大約為66s。
　　出廠水、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上細(xì)菌在PCA培養(yǎng)基的生長(zhǎng)曲線如圖5所示。

圖5 出廠水（有氯）不同管材掛片上細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線（PCA培養(yǎng)基）

2.3 分析與討論
　　以濾后水（無(wú)氯）和出廠水（有氯）為原水的實(shí)驗(yàn)中，鍍鋅鋼、鑄鐵、不銹鋼三種金屬掛片均快速銹蝕，鍍鋅鋼、鑄鐵形成紅色氧化物，不銹鋼形成黑色氧化物，各種氧化物進(jìn)入水中，使出水變?yōu)榧t色；PE和UPVC兩種塑料掛片非常干凈，不會(huì)引起水的色度、濁度上升。
　　以出廠水（有氯）為原水的實(shí)驗(yàn)中，細(xì)菌在鍍鋅鋼掛片上生長(zhǎng)33天，單位面積細(xì)菌數(shù)量級(jí)僅在104，遠(yuǎn)小于同期以濾后水為原水的實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，對(duì)比圖2和圖4，可以發(fā)現(xiàn)以出廠水為原水的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行33天細(xì)菌仍未達(dá)到最大值。從圖5可以看到，UPVC掛片上的生長(zhǎng)比較穩(wěn)定，而且30天仍未達(dá)到最大值；細(xì)菌在PE掛片上第20天的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)疑為不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，去掉該數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌在PE掛片上的生長(zhǎng)也沒(méi)有達(dá)到最大值，PE掛片和UPVC掛片的生長(zhǎng)曲線比較相似，而且相同時(shí)間的數(shù)據(jù)略低于UPVC掛片；鑄鐵、不銹鋼掛片上的細(xì)菌總數(shù)從第27天左右開(kāi)始有所下降。
　　以濾后水為原水的實(shí)驗(yàn)中，單位面積細(xì)菌數(shù)從大到小依次為：鍍鋅鋼、鑄鐵、UPVC、不銹鋼、PE。在以出廠水為原水的實(shí)驗(yàn)中，單位面積細(xì)菌數(shù)從大到小依次為：鑄鐵、不銹鋼、鍍鋅鋼、PE（去掉情況異常的點(diǎn)）、UPVC，后三者沒(méi)有達(dá)到最大細(xì)菌總數(shù)。
　　鑄鐵、不銹鋼兩種金屬掛片在兩種原水中最大細(xì)菌總數(shù)和到達(dá)最大細(xì)菌總數(shù)所需天數(shù)比較一致，均為27、28天左右；在出廠水為原水的實(shí)驗(yàn)中，鑄鐵掛片上細(xì)菌數(shù)下降幅度比以濾后水為原水的鑄鐵片細(xì)菌總數(shù)下降幅度大，不銹鋼掛片基本一致，鍍鋅鋼和兩種塑料掛片上細(xì)菌生長(zhǎng)較慢，在本試驗(yàn)周期內(nèi)未達(dá)到最大值。這一現(xiàn)象與其它研究者使用管道模擬系統(tǒng)考察管材所得到的結(jié)論一致^[3-5]：對(duì)兩種不同型號(hào)不銹鋼、聚氯乙烯和聚丙烯等管材表面形成的生物膜特性進(jìn)行研究，在4～8個(gè)月的時(shí)間里，光滑壁面的同無(wú)光壁面的管材中微生物的數(shù)量有著顯著的差別，12個(gè)月以后差別不顯著了。由于本實(shí)驗(yàn)部分周期采用了無(wú)氯的水作為研究對(duì)象，大大縮短了細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的時(shí)間，在各種管材上都可以明顯的看出細(xì)菌數(shù)量的變化規(guī)律，細(xì)菌在不同材料的掛片上生長(zhǎng)，都有達(dá)到最大值然后脫落的趨勢(shì)，如果運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)掛片上細(xì)菌數(shù)量穩(wěn)定的時(shí)候，也許可以看到不同管材上的細(xì)菌數(shù)量差別不大，這有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的論證。
　　綜上所述，對(duì)于管網(wǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的控制和腐蝕的控制，五種材料中最好的是有機(jī)材料PE和UPVC，但是有機(jī)材料是否有微量有機(jī)物析出、化學(xué)安全性是否可靠，還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

　　本試驗(yàn)通過(guò)使用BAR反應(yīng)器，對(duì)有氯、無(wú)氯兩種原水下，鍍鋅鋼、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC五種管材上細(xì)菌生長(zhǎng)情況進(jìn)行了研究，得出下列初步結(jié)論：
　?。?）幾種管材按單位面積最大細(xì)菌數(shù)比較，鍍鋅鋼>鑄鐵>UPVC>不銹鋼>PE；按達(dá)到單位面積最大細(xì)菌數(shù)所需天數(shù)比較，鍍鋅鋼>鑄鐵、不銹鋼>UPVC，PE管上細(xì)菌沒(méi)有較大增加。另外，三種金屬管材會(huì)發(fā)生銹蝕，引起水濁度、色度上升。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，PE是最為理想的管材；不銹鋼則是值得選擇的金屬材料。
　?。?）加氯可以控制細(xì)菌在鍍鋅鋼、PE和UPVC管材上的生長(zhǎng)速度，但是對(duì)不銹鋼和鑄鐵兩種金屬管材上的細(xì)菌生長(zhǎng)影響不大，另外，加氯無(wú)法影響同種管材上的最大細(xì)菌數(shù)。這進(jìn)一步說(shuō)明為控制管網(wǎng)水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，推廣塑料管材是有必要的，但對(duì)塑料管材的化學(xué)安全性，特別是其中添加劑是否會(huì)析出還需進(jìn)一步研究。

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