王 帥，楊艷玲，李 星，相 坤，趙 鋰

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.中國建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044)

氯和氯胺沖擊消毒對(duì)二次供水管道生物膜的控制作用

王 帥1，楊艷玲1，李 星1，相 坤1，趙 鋰2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.中國建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044)

針對(duì)建筑二次供水管壁生物膜對(duì)飲用水的生物安全性構(gòu)成的潛在威脅，采用生物膜反應(yīng)器(BAR)模擬二次供水管道，研究氯和氯胺沖擊消毒過程對(duì)管壁生物膜的細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌和異養(yǎng)菌(HPC)滅活效果以及對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明，在第80天時(shí)生物膜中生物量達(dá)到最大，生物膜宏基因組分析表明，厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌(Bacteroidetes)為優(yōu)勢(shì)菌種.沖擊消毒對(duì)生物膜的滅活效能與氯和氯胺的質(zhì)量濃度以及CT值有關(guān)，在相同CT值條件下，高質(zhì)量濃度氯和氯胺的滅活效果更佳.氯和氯胺的生物膜滅活效果對(duì)比可以看出，在低投量條件下，氯的細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌滅活效果好于氯胺，但氯的HPC滅活效果弱于氯胺；在高投量條件下，消毒劑質(zhì)量濃度和CT值與生物膜的滅活效果無明顯相關(guān)性，可以達(dá)到快速消毒的效果.在氯和氯胺的投加質(zhì)量濃度為3.0 mg/L、CT值300～400 mg·min/L的最佳沖擊消毒條件下，生物膜中細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌和HPC的滅活率均達(dá)到95% 以上.從生物膜的表面特性分析可以看出，沖擊消毒后生物膜結(jié)構(gòu)破壞明顯，生物膜變薄或脫落；氯沖擊消毒對(duì)生物膜的破壞和削減程度優(yōu)于氯胺，更有利于管道生物膜的控制.

二次供水；生物安全性；生物膜；沖擊消毒；CT值

城鎮(zhèn)供水末端水質(zhì)安全是飲用水安全保障的重要環(huán)節(jié)，二次供水系統(tǒng)已成為城鎮(zhèn)供水最重要的終端[1].市政供水管網(wǎng)輸配到建筑時(shí)多需要進(jìn)行二次加壓，以保障整個(gè)建筑的水量和水壓要求.給水管網(wǎng)系統(tǒng)中有很多微生物能夠存活[2-3]，其中至少有95%的微生物附著在管壁生長(zhǎng)，會(huì)加快余氯消耗速度，造成二次供水系統(tǒng)中余氯量過低，嚴(yán)重威脅終端用戶的用水安全.一方面，給水管網(wǎng)中的微生物有較高的抗氯性，如有莢膜和無莢膜的肺炎克雷伯式菌株等在貧營養(yǎng)條件下對(duì)自由氯的抗性分別增加2～3倍，一些菌種甚至?xí)黾?倍[4]；另一方面，生物膜在水力沖刷下會(huì)脫落，可能為水中微生物的再生長(zhǎng)提供營養(yǎng)物質(zhì)，增加水中懸浮菌的數(shù)目[5-6].在建筑供水系統(tǒng)中，也會(huì)出現(xiàn)微生物大量繁殖與孳生等二次污染，使得終端用戶的水質(zhì)惡化[7].研究表明[8]，即使管道中保持較高質(zhì)量濃度的余氯，用戶端的水質(zhì)還會(huì)出現(xiàn)微生物指標(biāo)超標(biāo)的問題.二次供水系統(tǒng)作為供水終端，比市政管網(wǎng)的問題更加嚴(yán)重.為充分保障建筑供水終端用戶的龍頭水水質(zhì)，不僅要考慮二次供水中余氯含量，還必須對(duì)二次供水管壁生物膜進(jìn)行有效地控制.

在二次供水系統(tǒng)中二次投加氯或氯胺是常用的消毒方法.蘇歡歡等[9]的研究結(jié)果表明，氯胺對(duì)管壁上附著細(xì)菌和水中懸浮細(xì)菌都有一定的控制作用，氯胺投量在0.5～0.75 mg/L時(shí)，可以將管壁上生物量降低近50%.張永吉等[10]的研究結(jié)果表明，水中懸浮菌的滅活程度與CT值和氯質(zhì)量濃度都有關(guān)；在相同CT值下，較高質(zhì)量濃度的氯對(duì)懸浮態(tài)和生物膜中大腸桿菌的滅活效果要高于低質(zhì)量濃度的氯.朱永娟等[11]的研究結(jié)果表明，短時(shí)高質(zhì)量濃度加氯后掛片上異養(yǎng)菌數(shù)量迅速下降，對(duì)管道生物膜造成很大損傷.可見，采用高質(zhì)量濃度消毒劑對(duì)二次供水管壁生物膜進(jìn)行滅活是一種有效的手段.

本文采用BAR反應(yīng)器模擬建筑二次供水管網(wǎng)系統(tǒng)，考察二次供水管道生物膜的形成特性，以及生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌屬；研究氯和氯胺質(zhì)量濃度及CT值對(duì)管壁生物膜中細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌以及HPC的滅活效果以及對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)比氯和氯胺對(duì)管壁生物膜的滅活效果，為建筑二次供水管道系統(tǒng)的沖擊消毒技術(shù)提供支持.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與過程

試驗(yàn)采用BAR反應(yīng)器模擬實(shí)際建筑二次供水管道條件.BAR反應(yīng)器的圓柱形外壁及內(nèi)部轉(zhuǎn)筒均采用聚氯乙烯(PVC)制作，上部采用減速電機(jī)控制反應(yīng)器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速設(shè)置為50 r/min，每個(gè)BAR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)子上可放置18個(gè)掛片；本研究采用PVC掛片，每個(gè)掛片的有效掛膜面積為18 cm2；BAR頂部設(shè)有加藥口和進(jìn)水口，側(cè)面上部設(shè)有出水口，采用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水流量；BAR的有效容積為800 mL，水力停留時(shí)間為4 h.

試驗(yàn)前，先使用10 mg/L的NaOCl溶液對(duì)BAR反應(yīng)器、掛片、進(jìn)水管、出水管等進(jìn)行滅菌，然后依次用自來水和超純水將BAR反應(yīng)器沖洗干凈.BAR反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，使用1臺(tái)蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水流量，另一臺(tái)蠕動(dòng)泵控制消毒劑的質(zhì)量濃度，BAR反應(yīng)器示意圖如圖1所示.

圖1 BAR反應(yīng)器裝置示意

1.2 分析方法

1.2.1 氯和氯胺的配制

氯的配制：利用市售的NaOCl溶液稀釋制得.將市售的NaOCl溶液用超純水稀釋至大約200 mg/L，放于4 ℃的冰箱，保質(zhì)期為兩周.

氯胺的配制：氯胺儲(chǔ)備液采用次氯酸鈉溶液和氯化銨溶液以4∶1的質(zhì)量濃度比在pH為8.0的磷酸緩沖液中配制，現(xiàn)用現(xiàn)配；配制過程中，先加氯化銨后，緩慢將次氯酸鈉溶液滴入氯化銨溶液中，同時(shí)采用磁力攪拌器不斷混勻溶液，將混合物置于避光處反應(yīng)30 min后，檢測(cè)生成的一氯胺的質(zhì)量濃度.

1.2.2 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)

濁度值采用濁度儀(2100N, HACH, 美國)測(cè)定，測(cè)量范圍為0.01～4 000.0 NTU，精度為0.01 NTU.利用總有機(jī)碳測(cè)定儀(Vario TOC，Elementar，德國) 測(cè)定DOC.測(cè)定前先經(jīng) 0.45 μm 的醋酸纖維膜濾除水中的顆粒物質(zhì)，然后用鹽酸對(duì)水樣酸化并曝氣去除水樣中的無機(jī)碳.氯和氯胺質(zhì)量濃度的測(cè)定采用便攜式余氯快速測(cè)定儀(S-CL501，清時(shí)捷，中國)，測(cè)量范圍為0.01～5.00 mg/L.

1.2.3 微生物檢測(cè)

用無菌水沖洗掉掛片表面附著的菌落后，用2～4根已滅菌的棉簽由掛片上部到底部進(jìn)行擦拭，擦拭5次后將棉簽放入10 mL已滅菌的超純水中，使棉簽浸沒水中，然后置于超聲波清洗儀中作用20 min，超聲溫度為20 ℃，頻率為40 kHz，使棉簽上的生物膜充分溶于已滅菌的超純水中.

細(xì)菌總數(shù)測(cè)定方法.將水樣按一定的比例進(jìn)行稀釋，以無菌操作方法用滅菌吸管吸取1 mL充分混勻的水樣，注入滅菌的培養(yǎng)皿中，傾注約15 mL已融化并冷卻到45 ℃左右的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，并立即搖勻培養(yǎng)皿，使水樣與培養(yǎng)基充分混勻.冷卻后放入37 ℃的培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h.

大腸桿菌測(cè)定方法.采用濾膜法，將水樣通過過濾器過濾，使其中的大腸桿菌截留在濾膜上，然后將濾膜放在品紅亞硫酸鈉培養(yǎng)基上并放入37 ℃的培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h.

HPC測(cè)定方法.采用R2A培養(yǎng)基，將水樣按一定的比例稀釋，取100 μL水樣進(jìn)行平板涂布，在培養(yǎng)溫度為22 ℃下培養(yǎng)7 d.

微生物滅活率采用式(1)計(jì)算：

(1)

式中：N0為消毒前微生物的數(shù)量，N1為消毒后微生物數(shù)量.

1.2.4 生物膜形態(tài)檢測(cè)

利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM) (FEI nova nano450，荷蘭)對(duì)掛片的生物膜表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察.生物膜的預(yù)處理如下：1) 在BAR反應(yīng)器中取出掛片，用去離子水清洗數(shù)次，加入4%、pH為6.8的戊二醛溶液進(jìn)行固定，并淹沒掛片，置于4 °C冰箱中固定12 h；2) 用0.1 mol/L、pH為6.8的磷酸緩沖溶液沖洗3次，每次10 min；依次用體積分?jǐn)?shù)為50%、70%、80%和90%的乙醇溶液對(duì)掛片生物膜進(jìn)行脫水處理，每次10～15 min，再用100%的乙醇溶液脫水3次，每次10～15 min；3) 用乙醇與乙酸異戊酯體積比為1∶1配制的溶液，以及純乙酸異戊酯溶液各置換一次掛片生物膜，每次15 min；將掛片置于干燥器干燥8 h；將處理好的待檢生物膜掛片置于掃描電鏡下觀察，選擇合適的放大倍數(shù)，拍攝并儲(chǔ)存照片.

1.2.5 宏基因組分析流程

首先采集掛片生物膜，方法同1.2.3，將采集的生物膜提取并載體連接后轉(zhuǎn)化到宿主細(xì)胞內(nèi)，通過構(gòu)建宏基因組文庫，收集樣本中全部微生物的DNA信息，運(yùn)用序列篩選或功能篩選從文庫中獲得活性物質(zhì)并加以分析.

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來水，具體水質(zhì)見表1.

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 生物膜的生長(zhǎng)特性

圖2為BAR反應(yīng)器中生物膜上細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌以及HPC的變化.BAR反應(yīng)器運(yùn)行0～40 d期間，掛片生物量一直維持在較低水平，生物膜中細(xì)菌總數(shù)小于60 CFU/mL，大腸桿菌未檢出，HPC數(shù)量為500～800 CFU/mL，出水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)，可見管壁生膜物的生長(zhǎng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間.運(yùn)行40～60 d期間時(shí)，掛片生物量變化不明顯，其中細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌和HPC的平均數(shù)分別為(1.1～4.1)×103、0～70和(1.2～5.1)×103CFU/cm2.運(yùn)行第70 天后，掛片生物量隨時(shí)間的延續(xù)顯著增加.在運(yùn)行第80天左右時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌及HPC分別為7.6×104、1.2×103和7.5×105CFU/cm2.在第80天后，掛片的生物量呈現(xiàn)逐漸下降和波動(dòng)的趨勢(shì)，可能是由于生物膜的老化以及水流剪切力導(dǎo)致生物膜脫落，使得掛片的生物量減少并趨于穩(wěn)定.在運(yùn)行第90～120天期間，掛片的細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌及HPC的平均值分別為(3.0～4.4)×104、(3.5～6.5)×102和(2.5～3.5)×105CFU/cm2；此時(shí)，BAR反應(yīng)器出水中細(xì)菌總數(shù)為80～150 CFU/mL，大腸桿菌檢出數(shù)為1～3 CFU/mL，HPC數(shù)為800～1 200 CFU/mL，微生物指標(biāo)超標(biāo).可見，即使余氯質(zhì)量濃度為0.03～0.20 mg/L的自來水中，長(zhǎng)期運(yùn)行后管壁也會(huì)生成生物膜，生物膜老化、脫落會(huì)造成飲用水的生物安全性受到嚴(yán)重影響.

圖2 掛片生物膜中生物量變化

2.2 生物膜細(xì)菌菌群分析

BAR反應(yīng)器中生物膜成熟穩(wěn)定后，對(duì)掛片生物膜的細(xì)菌菌群進(jìn)行宏基因組16S測(cè)序分析，測(cè)序結(jié)果如圖3所示.該樣本的覆蓋率為0.95，Shannon指數(shù)為4.07，Simpson指數(shù)為0.08，表明生物膜中群落多樣性高.由圖3可以看出，其中厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌所占的比例較大，分別為43.25%、21.60%和18.19%.厚壁菌門可產(chǎn)生芽孢，對(duì)不良環(huán)境具有較強(qiáng)的抗性[12]，這是在低有機(jī)物質(zhì)量濃度以及存在余氯情況下，形成優(yōu)勢(shì)菌屬的原因.變形菌門包括許多病原菌，如大腸桿菌、沙門氏菌等，與 2.1中BAR反應(yīng)器的生物膜中大腸桿菌的檢出具有一致性，擬桿菌是化能有機(jī)營養(yǎng)菌，對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠代謝碳水化合物，降解許多復(fù)雜有機(jī)物[13].古菌門(Thaumarchaeota)、放線菌門(Actinobacteria)、浮霉菌(Planctomycetes)、泉古菌門(Crenarchaeota)所占的比例較少，分別為6.84%、5.30%、1.17%、1.10%，其余各種群所占的比例均小于1.0%；其中浮霉菌能夠?qū)O2-氧化成NH4+來獲得能量，是水處理工藝系統(tǒng)中具有重要作用的菌種.在小于1.0%的種群中存在一種硝化螺旋菌門(Nitrospirae)，屬于亞硝酸鹽氧化菌(NOB)[14-15]，具有脫氮功能.上述結(jié)果表明，二次供水系統(tǒng)中具有大量抗氯性菌種，可對(duì)供水生物安全性產(chǎn)生一定的威脅；同時(shí)，仍可存在一定的硝化和反硝化作用，對(duì)水中NH4+、NO3-、NO2-含量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生一定影響，也會(huì)造成飲用水化學(xué)安全性的潛在風(fēng)險(xiǎn).

圖3 生物膜菌種分布

2.3 細(xì)菌總數(shù)滅活效果

圖4、5分別是氯和氯胺對(duì)生物膜中細(xì)菌總數(shù)的滅活效果.可以看出，細(xì)菌總數(shù)的滅活效果與氯或氯胺的質(zhì)量濃度以及CT值有關(guān).由圖4可知，在氯質(zhì)量濃度為1.0 mg/L、CT值為100 mg·min/L時(shí)，細(xì)菌總數(shù)的滅活效果很低，滅活率僅為0.03lg，隨著消毒時(shí)間的增加，CT值分別增加到200、300和400 mg·min/L時(shí)，滅活率分別增加到0.13lg、0.72lg和1.11lg，細(xì)菌總數(shù)的滅活效果仍處于較低水平.隨著氯質(zhì)量濃度的增加，細(xì)菌總數(shù)滅活效率不斷提高，當(dāng)氯質(zhì)量濃度為2.0 mg/L時(shí)，CT值分別為100、200、300和400 mg·min/L時(shí)，細(xì)菌總數(shù)滅活率分別為0.86lg、0.93lg、1.73lg和1.74lg，可見在一定的氯質(zhì)量濃度下，隨著消毒時(shí)間的增加，細(xì)菌總數(shù)滅活率呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì).當(dāng)氯質(zhì)量濃度為3.0 mg/L時(shí)，細(xì)菌總數(shù)滅活效果顯著，CT值在100、200、300和400 mg·min/L時(shí)，滅活率均可達(dá)到2.00lg，細(xì)菌總數(shù)滅活率達(dá)99.9%以上.可見，采用高質(zhì)量濃度氯消毒時(shí)，在很短消毒時(shí)間內(nèi)細(xì)菌總數(shù)即可以達(dá)到完全滅活的程度.由圖5可知，當(dāng)氯胺質(zhì)量濃度為1.0 mg/L時(shí)，對(duì)生物膜中總細(xì)菌的滅活效果不明顯，隨著消毒時(shí)間的增大，滅活效果仍然沒有明顯變化，對(duì)細(xì)菌總數(shù)的滅活率維持在0.14lg左右.當(dāng)氯胺質(zhì)量濃度為2.0 mg/L時(shí)，隨著消毒時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)生物膜細(xì)菌總數(shù)的滅活率增加；當(dāng)氯胺質(zhì)量濃度為3.0 mg/L、CT值大于300 mg·min/L時(shí)，滅活效果趨于穩(wěn)定，氯胺對(duì)生物膜中細(xì)菌總數(shù)的滅活率穩(wěn)定在2.00lg，細(xì)菌總數(shù)滅活率也達(dá)99.9%以上.

圖4 氯對(duì)細(xì)菌總數(shù)的滅活

圖5 氯胺對(duì)細(xì)菌總數(shù)的滅活

對(duì)比圖4、5可知，在較低氯和氯胺質(zhì)量濃度下，隨著消毒時(shí)間的增大，氯消毒效果增大，而氯胺消毒效果與消毒時(shí)間的相關(guān)性不大，氯消毒效果優(yōu)于氯胺；當(dāng)氯和氯胺質(zhì)量濃度為3.0 mg/L時(shí)，氯消毒可以在較短時(shí)間內(nèi)完全滅活細(xì)菌，而氯胺消毒則需要更長(zhǎng)的時(shí)間.從整體來看，氯對(duì)生物膜細(xì)菌總數(shù)的滅活效果優(yōu)于氯胺.有研究認(rèn)為[16-17]消毒效果僅取決于CT值，而與消毒劑的質(zhì)量濃度無關(guān)；本文研究結(jié)果表明，生物膜中細(xì)菌總數(shù)的滅活效果與CT值和消毒劑質(zhì)量濃度均有關(guān)，提高消毒劑質(zhì)量濃度更有利于生物膜中細(xì)菌總數(shù)的滅活.

2.4 大腸菌群滅活效果

由圖6可知，在氯質(zhì)量濃度為1.0 mg/L條件下，CT值為100 mg·min/L時(shí)生物膜中大腸桿菌滅活率僅為0.26lg，CT值增加到400 mg·min/L時(shí)的大腸桿菌滅活率為0.64lg，不能對(duì)大腸桿菌進(jìn)行有效滅活；當(dāng)氯質(zhì)量濃度為2.0和3.0 mg/L、CT值為400 mg·min/L時(shí)，生物膜中大腸桿菌的滅活率提高到0.74lg和1.38lg.由圖7可知，在氯胺質(zhì)量濃度為1.0 mg/L條件下，CT值為100 mg·min/L時(shí)大腸桿菌的滅活率為0.19lg； CT值為400 mg·min/L時(shí)的大腸桿菌滅活率為0.23lg，滅活率僅升高了0.04lg，其原因可能是生物膜中的大腸桿菌被有機(jī)物包裹，低質(zhì)量濃度氯胺與大腸桿菌作用時(shí)，會(huì)與生物膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成氯胺被消耗，因而對(duì)大腸桿菌的滅活效率降低[18-19].在氯胺質(zhì)量濃度為2.0和3.0 mg/L條件下，CT值為400 mg·min/L時(shí)的大腸桿菌滅活率為0.97lg和1.28lg，滅活效果顯著提高.對(duì)比圖6、7可以看出，氯和氯胺對(duì)生物膜中大腸桿菌的滅活與對(duì)生物膜中細(xì)菌總數(shù)的滅活具有相似的規(guī)律，其滅活效果不僅取決于CT值，同時(shí)與氯和氯胺的質(zhì)量濃度有關(guān)；隨著氯和氯胺質(zhì)量濃度的提高，生物膜中大腸桿菌的滅活率增大.氯胺對(duì)大腸桿菌的滅活效果略低于氯，在氯和氯胺質(zhì)量濃度為3.0 mg/L、CT值為400 mg·min/L時(shí)，氯和氯胺對(duì)大腸桿菌的滅活效率分別為1.38lg和1.28lg，二者相差0.10lg.可見，在殺滅生物膜中大腸桿菌方面，氯的滅活效果比氯胺更好.

圖6 氯對(duì)大腸桿菌的滅活

圖7 氯胺對(duì)大腸桿菌的滅活

2.5 HPC滅活效果

圖8、9分別為氯和氯胺對(duì)生物膜中HPC的滅活效果，可以看出，氯和氯胺對(duì)HPC均有顯著的滅活效果，隨著CT值的增加，HPC滅活率總體呈增大的趨勢(shì)；在相同CT值的情況下，高質(zhì)量濃度氯和氯胺對(duì)HPC的滅活率更高；對(duì)比圖8、9可以看出，在氯和氯胺質(zhì)量濃度均為1.0 mg/L條件下，CT值為100 mg·min/L時(shí)氯和氯胺的HPC滅活率分別為0.11lg和0.58lg，氯胺的滅活效果遠(yuǎn)好于氯.隨著消毒時(shí)間增大，氯和氯胺的滅活率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但氯的滅活率增長(zhǎng)速率大于氯胺.當(dāng)CT值達(dá)400 mg·min/L時(shí)，氯胺對(duì)HPC的滅活效果總體仍好于氯；已有的研究發(fā)現(xiàn)[20-21]氯胺氧化能力比氯弱，但氯胺可以進(jìn)入到生物膜內(nèi)部，因此，對(duì)生物膜中HPC的作用更有效.當(dāng)氯和氯胺質(zhì)量濃度為3.0 mg/L、CT值為400 mg·min/L時(shí)，氯和氯胺的HPC滅活率分別達(dá)2.37lg和2.19lg，對(duì)HPC均有很好的滅活效果.

圖8 氯對(duì)HPC的滅活效果

圖9 氯胺對(duì)HPC的滅活效果

2.6 生物膜表面特性

圖10為氯和氯胺質(zhì)量濃度為3.0 mg/L、CT值為300～400 mg·min/L時(shí)，沖擊消毒前后生物膜的SEM照片，(放大倍數(shù)為10 000倍).由圖10可以看出，沖擊消毒前的生物膜為厚實(shí)且致密的塊狀結(jié)構(gòu)，掛片表面有結(jié)垢現(xiàn)象，為生物膜的進(jìn)一步附著生長(zhǎng)提供了條件.氯沖擊消毒后生物膜的塊狀結(jié)構(gòu)變小，部分生物膜脫落，掛片表面大部分面積裸露.氯胺沖擊消毒后，生物膜結(jié)構(gòu)仍較密實(shí)，只有一小部分掛片表面裸露，生物膜塊狀結(jié)構(gòu)變小.可以看出，氯沖擊消毒對(duì)生物膜的破壞程度更大.

圖10 消毒前后生物膜SEM圖

圖11 為生物膜掃描電鏡圖通過軟件處理所得的生物膜三維結(jié)構(gòu)圖，可以更直觀地表示生物膜垂直掛片方向的結(jié)構(gòu)，其中綠色、黃色和紅色部分依次表示從掛片表面至生物膜表面的縱向厚度分布情況.

圖11 消毒前后生物膜結(jié)構(gòu)

由圖11可以看出，沖擊消毒前的生物膜厚度三維分布圖以紅色和黃色為主.與沖擊消毒前相比，氯沖擊消毒后生物膜的紅色和黃色部分面積分別減少了53.3%和32.7%，三維分布圖以綠色為主；氯胺沖擊消毒后，生物膜的紅色部位的面積減少了21.1%，黃色部位面積增加了7.4%，三維分布圖以綠色和黃色面積為主.氯沖擊消毒后生物膜的紅色部分面積相對(duì)于氯胺沖擊消毒后減少了25.8%，黃色部位面積減少了26.9%.可以看出，氯和氯胺沖擊消毒后生物膜的平均厚度小于氯胺沖擊消毒，且兩者均小于沖擊消毒前的生物膜厚度.氯和氯胺沖擊消毒后明顯破壞了生物膜結(jié)構(gòu)，造成生物膜脫落，生物膜得到了非常有效的削減和控制.

3 結(jié) 論

1)二次供水管道連續(xù)運(yùn)行80 d時(shí)，管壁生物膜中的生物量達(dá)到最大值，且生物量始終維持在較高水平，厚壁菌門(43.25%)、變形菌門(21.60%)和擬桿菌門(18.19%)成為優(yōu)勢(shì)菌屬，對(duì)飲用水生物安全性造成很大威脅，有必要對(duì)二次供水管道系統(tǒng)進(jìn)行定期沖擊消毒.

2)氯和氯胺對(duì)管壁生物膜均有較好的滅活效果，隨著CT值增大，生物膜的微生物滅活率呈增加的趨勢(shì)；在相同CT值下，高質(zhì)量濃度氯和氯胺的滅活率更高.最佳沖擊消毒條件為氯或氯胺投加質(zhì)量濃度3.0 mg/L，CT值300～400 mg·min/L.考慮到高質(zhì)量濃度氯產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物以及刺激氣味可能對(duì)終端用戶產(chǎn)生的感官影響，在對(duì)二次供水管道進(jìn)行定期消毒時(shí)，可以根據(jù)管壁生物膜實(shí)際情況選擇高質(zhì)量濃度氯或氯胺進(jìn)行沖擊消毒.

3)在最佳沖擊消毒條件下，生物膜中總細(xì)菌數(shù)、大腸桿菌和HPC的最佳滅活率均達(dá)95%以上.氯沖擊消毒對(duì)細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌的滅活效果優(yōu)于氯胺，但氯和氯胺的HPC滅活效果無明顯差異.

4)氯和氯胺沖擊消毒均可破壞生物膜的結(jié)構(gòu)，造成生物膜脫落，生物膜的平均厚度得到顯著的削減，生物膜得到了有效的控制，其中氯沖擊消毒對(duì)生物膜的結(jié)構(gòu)破壞、生物膜厚度的削減和控制更有效.

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(編輯 劉 彤)

Effect of shock chlorine and chloramine disinfection on biofilm disinfection in pipe system of secondary water supply

WANG Shuai1, YANG Yanling1, LI Xing1, XIANG Kun1, ZHAO Li2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.China Architecture Design & Research Group,Beijing 100044,China)

Focused on the potential threat of the membrane fouling to the bio-safety of the drinking water in the second water supply, this study investigated the effect of shock chlorine and chloramine disinfection on the total Bacteria, Escherichia Coli and Heterotrophic (HPC) bacteria as well as the structure of the biofilm in the BAR-simulated secondary water supply system. The results showed that the number of microbes in the biofilm reached maximum on the 80thday and soon it fluctuated smoothly. The Firmicutes,Proteobacteria and Bacteroidetes were predominant bacteria by Metagenomic approaches. The effect of chlorine and chloramine disinfection on the biofilm was related to the concentration of the disinfectant as well as the concentration and time(CT). At the same CT value, higher concentration of Chlorine and chloramine had more effective disinfection. Comparison and analysis found that in low concentrations, compared to chloramine, chlorine is more effective to total Bacteria and Escherichia Coli, while less effective to HPC. However, in high concentrations, chlorine and chloramine own nearly the same inactivated effect. When the concentration of chlorine and chloramine was 3.0 mg/L and the CT value was 300-400 mg·min/L, the inactivation rate of total Bacteria, Escherichia Coli and HPC was as high as 95% . Scanning Electron Microscope(SEM) images of biofilm surface plot analysis illustrated that the structure of biofilm was damaged seriously, and shock chlorine disinfection, compared to chloramine, possessed less impact to the structure and reduction degree of the biofilm and was hence more conducive to the biofilm control.

secondary water supply; biological safety; biofilm; shock disinfection; the product of concentration and time

10.11918/j.issn.0367-6234.201607073

2016-07-20

國家科技重大專項(xiàng)課題(2014ZX07406002)

王 帥(1989—)，男，碩士研究生; 楊艷玲(1964—)，女，研究員，博士生導(dǎo)師

楊艷玲，yangyanling@bjut.edu.cn

TU991

A

0367-6234(2017)08-0071-07