原水水質對輸送管道中含氮污染物轉化和生物膜的影響

薛如冰，劉志剛，周正協(xié)，陳 衛(wèi)，許 航，顧艷梅

(1. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇南京 210098； 2.河海大學環(huán)境學院，江蘇南京 210098； 3.寧波市自來水有限公司，浙江寧波 315041)

含氮污染物是我國地表水源中主要的污染物之一。水源水中含氮污染物的組成復雜，有機氮與無機氮在化學、水生動植物或微生物作用下可以相互轉化[1-2]。水中氮素的遷移轉化包括硝化、反硝化、厭氧氨氧化、同化等，受微生物、pH、溶解氧(DO)、有機質含量、水溫等多種因素的共同影響[3-4]。原水輸送管道是城鎮(zhèn)給水系統(tǒng)的主要組成部分，輸送過程中含氮污染物之間的相互轉化直接關系到水處理技術效能及其水質安全。

原水水質直接影響原水輸送管道內微生物的新陳代謝，同時對管道內DO的消耗產(chǎn)生影響，從而進一步影響管壁生物膜的群落結構及管道內含氮污染物的轉化。已有研究表明：在供水管網(wǎng)中，水中的磷濃度和UV254的增加會促進管壁生物膜中異養(yǎng)菌的生長[5-6]；懸浮顆粒能夠附著水中的營養(yǎng)物質，從而促進微生物的生長，因此，水體的渾濁度越高，管道中異養(yǎng)菌的數(shù)量也越多[7]。高煒[8]在對長度為45 km的原水管道中水質指標變化的研究后發(fā)現(xiàn)，原水在長距離輸送過程中存在硝化反應，氨氮的平均去除率達75%，亞硝酸鹽氮的含量下降60%左右，而反應生成的硝酸鹽氮濃度上升約20%，同時，高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)的平均去除率在37%左右。陳桃源等[9]采用不同管材對原水管道進行模擬，研究發(fā)現(xiàn)，油漆內襯管中的硝化反應較水泥內襯管更為明顯，且出水中的小分子溶解性有機氮(DON)更多，但管材對出水中DON的親疏水性的影響不明顯。

前人對管道中含氮污染物的轉化規(guī)律已經(jīng)做了初步研究，但大部分研究多集中于供水管道以及單一水源下原水管道中的污染物含量變化。因此，為了考察不同水質下成熟生物膜中生物量、生物相的區(qū)別，并探究不同水質條件下原水管道中含氮污染物的轉化規(guī)律，本文使用實際水源水建立原水輸送管道的模擬系統(tǒng)，分析水質對生物膜及其對含氮污染物生物作用的影響，為原水輸送過程中水質凈化和用水安全保障提供技術支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置及水質

選用某市水源水A和水源水B為試驗裝置進水，采用2臺正態(tài)水力模型的原水輸送管道模擬裝置對真實管道進行模擬，管材選用油漆內襯的鋼管，如圖1所示。通過控制電機和時控開關，使2臺試驗裝置內的水流速度以及水力停留時間一致，水力停留時間均為6 h。對管道內的生物膜進行自然培養(yǎng)。裝置連續(xù)運行5個月以上，使生物膜達到成熟。試驗期間2種水源水的水質指標如表1所示。

圖1 原水輸送管道模擬裝置圖Fig.1 Analog Device Diagram of Raw Water Diversion Pipeline

表1 試驗原水水質Tab.1 Raw Water Quality of Experiment

1.2 分析方法

1.2.1 水質指標測定

本研究所涉及的常規(guī)水質指標檢測方法參考《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)和《水與廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)的相關分析方法析。DO濃度采用JPB-607 A 便攜式DO分析儀進行測定，渾濁度采用HACH 2100P濁度儀測定，TP采用孔雀綠—雜鉬多分光光度法，TN采用耶拿multi N/C ?3100 TOC/TN分析儀。

1.2.2 溶解性有機氮(DON)測定

DON的分子量分布和親疏水性分別采用超濾膜法[10]和樹脂吸附法[11]進行測定和計算。樹脂采用Amberlite DAX-8和Supelite DAX-4樹脂。

1.2.3 微生物指標測定

生物膜及水中的異養(yǎng)菌(HPC)計數(shù)采用R2A培養(yǎng)基培養(yǎng)法進行計數(shù)，分別以單位體積菌液中的細菌數(shù)(CFU/mL)和單位面積的細菌數(shù)(CFU/cm2)表示。

1.2.4 微生物種群檢測

采集的管壁生物膜最初保存在4 ℃的條件下，將DNA在1 h內分離。采用OMEGA基因組提取試劑盒(D5626-01 E.Z.N.A.Soil DNA Kit)對生物膜樣品的總DNA進行提取和純化。利用DNA檢測試劑盒Qubit 2.0對提取到的DNA精確定量，以確定PCR反應體系中應加入的DNA量。PCR所用引物融合了Miseq測序平臺V3～V4區(qū)的通用引物，引物序列為341F：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG (barcode) CCTACGGGNGGCWGCAG；805R：GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHV-GGGTATCTAATCC。采用2輪共30個循環(huán)進行PCR擴增。PCR擴增反應結束后，將PCR產(chǎn)物進行瓊脂糖電泳，對DNA進行回收。然后，利用Qubit2.0 DNA檢測試劑盒對回收得到的DNA精確定量，將樣品按照1∶1等量混合后，采用Illumina MiSeq 測序平臺對基因組進行測序。測序完成后，對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 生物膜中的生物量比較

生物膜中的生物量可以間接反映管道內污染物轉化的程度。在管壁生物膜培養(yǎng)期間每4 d對2套模擬裝置內生物膜中的HPC數(shù)量進行檢測，數(shù)量變化如圖2所示。由圖2可知，培養(yǎng)期間，2套裝置內管壁生物膜中HPC的生長趨勢基本一致，均經(jīng)歷了適應期、對數(shù)生長期、脫落期和穩(wěn)定期4個階段，但其數(shù)量存在明顯的差異。2套裝置內生物膜中HPC的數(shù)量均在運行的50 d左右達到最大值，其中，裝置1(以A水源水為進水)中HPC的最大值達到4.28×105CFU/cm2，裝置2(以B水源水為進水)中HPC的最大值達到2.5×105CFU/cm2，隨后生物膜進入脫落期。待管壁生物膜進入穩(wěn)定期后，裝置1內管壁生物膜中的HPC穩(wěn)定于2.60×105～4.00×105CFU/cm2，裝置2內管壁生物膜中的HPC穩(wěn)定于1.35×105～2.16×105CFU/cm2。

圖2 不同水質條件下管壁生物膜中HPC的數(shù)量Fig.2 Counts of HPC from Biofilm under Different Raw Water Quality Conditions

結果表明，原水輸送管道中的原水水質會影響管壁生物膜中微生物的數(shù)量，原水營養(yǎng)水平高和懸浮HPC數(shù)量多的管道中微生物的數(shù)量也相應更高，但在2種水質下，管壁生物膜中的HPC數(shù)量處于同一個數(shù)量級，且差異不大。

2.2 生物膜中微生物群落差異

2.2.1 微生物種群組成

對2套模擬管道裝置中成熟的生物膜(150 d)進行宏基因組測序，得到生物膜中微生物在門水平下的種群分布，如圖3所示。其中，裝置1代表以A水源水為進水的模擬管道裝置，裝置2代表以B水源水為進水的模擬管道裝置。

圖3 不同原水水質下管壁生物膜中細菌種群組成(門水平)Fig.3 Bacterial Communities in the Biofilm under Different Raw Water Quality Conditions (Phylum Level)

因此，在不同原水水質的情況下，原水輸送管道內壁生物膜中優(yōu)勢菌門基本一致，但各菌門含量有所不同，功能菌門的存在水平可能會影響管道中含氮污染物的轉化情況。

2.2.2 微生物群落多樣性差異

稀疏曲線可以用來評估樣品中微生物群落的多樣性，2組模擬管道裝置成熟管壁生物膜中的微生物稀疏曲線如圖4所示。其中，樣品1代表A水源水培養(yǎng)的成熟生物膜，樣品2代表B水源水培養(yǎng)的成熟生物膜。

圖4 成熟管壁生物膜中的微生物稀疏曲線Fig.4 Sparsity Curve of Microorganisms in Mature Biofilm

2.3 含氮污染物的轉化

圖5 不同原水水質下的含量變化Fig.5 Concentration Changes of under Different Raw Water Quality Conditions

圖6 不同原水水質下的含量變化Fig.6 Concentration Changes of under Different Raw Water Quality Conditions

圖7 不同原水水質下的含量變化Fig.7 Concentration Changes of under Different Raw Water Quality Conditions

2.3.2 DON含量的變化

管壁生物膜生長成熟期間，A水源水和B水源水中的DON濃度，即2組模擬裝置的進水DON濃度分別為0.290～0.927 mg/L和0.050～0.413 mg/L。當管道生物膜成熟穩(wěn)定后，2組裝置出水中的DON濃度均有一定程度的增加，但增加量有所不同，濃度變化率如圖8所示。模擬管道1出水中的DON濃度較進水增加了53.8%～78.6%，而模擬管道2出水中的DON濃度較進水增加了28.0%～43.6%。

圖8 不同原水水質下DON的含量變化Fig.8 Concentration Changes of DON under Different Raw Water Quality Conditions

模擬管道出水中的DON含量比進水中高的原因之一在于，生物膜中的微生物在生長過程中，會產(chǎn)生大量的可溶性代謝產(chǎn)物(SMPs)[19]，隨著微生物代謝作用的不斷加強，越來越多的SMPs被釋放到水中，導致模擬管道出水中的DON含量上升。此外，微生物的胞溶作用也會向水中釋放不可生物降解的DON(NBDON)[20]。給水系統(tǒng)中的一些研究表明，DON是含氮消毒副產(chǎn)物的重要前提物[21]，也會促進微生物的生長，成為膜阻塞的重要原因[22]。由圖2可知，裝置1的管壁生物膜中HPC的數(shù)量明顯高于裝置2，因此，導致原水在輸送過程中釋放更多的DON。此外，由2.2.1的結論可知，裝置1生物膜中擬桿菌門的含量為24.36%，高于裝置2中的14.68%，而擬桿菌門具有將高分子有機物降解為小分子物質的能力[14]，這也解釋了模擬管道1的出水中具有更高比例的DON，此結果與Chen[18]的研究結果相符，即擬桿菌門的豐度與DON生成率之間存在正相關關系，即當擬桿菌門的豐度越高，越多的DON被釋放。

2.3.3 DON分子量分布及親疏水性差異

水源水中組成DON的有機物種類有所不同會使其分子量分布和親疏水性存在差異，2套不同原水的模擬管道中進出水DON分子量分布及親疏水性變化分別如圖9和圖10所示。由圖9可知，A、B兩種水源水中DON分子量分布均以中小分子(<5 kDa)為主，且小分子的DON所占比例相近，分別為62.2%～76.0%和65.1%～69.0%，這與我國微污染水源中DON的組成規(guī)律相符[23-25]。由圖10可知，2種水源水中的DON多為親水性，A水源水與B水源水中親水性DON所占比例分別為57.6%～64.2%和55.5%～62.9%。

圖9 不同原水水質下DON分子量分布的變化 (a)裝置1；(b)裝置2Fig.9 Molecular Weight Distribution for the Fractions of DON under Different Raw Water Quality Conditions(a) Device 1；(b) Device 2

通過研究模擬管道進出水中DON分子量分布變化，發(fā)現(xiàn)水質較差的裝置1管道出水中小分子DON所占比例大幅度上升，達到84.6%～94.1%，而水質較好的B水源水管道出水中小分子DON所占比例為73.7%～84.3%。以A水源水為原水的管道出水中出現(xiàn)如此高比例的小分子DON與該管道生物膜中含有高豐度的擬桿菌門密切相關[14]。

通過對比進出水中DON親疏水性變化，發(fā)現(xiàn)2套模擬裝置出水中DON親疏水性相差不大，親水性DON的比例分別為72.8%～80.2%和69.3%～74.3%。研究顯示，在管道輸送的過程中，小分子親水性DON比例的上升是由于藻類和細菌代謝產(chǎn)物的釋放[26]，而小分子親水性DON也是含氮消毒副產(chǎn)物的重要前體物[27]。Amy[28]的研究也發(fā)現(xiàn)，藻類生長繁殖而分泌出的氨基酸、氨基糖、縮氨酸和蛋白質等親水性物質使得水體中DON的親水性組分有所增加。A水源水中的藻類物質較B水源水多，導致原水在輸送過程中產(chǎn)生了更多比例的親水性DON物質。

3 結論

當模擬裝置中的管壁生物膜培養(yǎng)成熟并處于穩(wěn)定期后，裝置1(以A水源水為原水)內管壁生物膜中的HPC數(shù)量為2.60×105～4.00×105CFU/cm2，裝置2(以B水源水為原水)內管壁生物膜中的HPC數(shù)量為1.35×105～2.16×105CFU/cm2，即原水水質影響管壁生物膜中微生物的數(shù)量，且原水營養(yǎng)水平高的管道中微生物的存在水平也相應較高。雖然原水水質條件有所不同，但管道內壁生物膜中優(yōu)勢菌門基本一致，然而各優(yōu)勢菌門的含量不同，功能菌門的存在水平可能會影響原水輸送管道中含氮污染物的轉化狀況。在生物多樣性方面，水質好的原水會促成原水管道內更為豐富的微生物多樣性，管道內的生態(tài)系統(tǒng)也更為穩(wěn)定。