耿攀，李星，王庭昆，樊劍，梁恒

?

新型不銹鋼復(fù)合管道生物膜形成特性與沖擊消毒效能

耿攀1，李星1，王庭昆2，樊劍2，梁恒3

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京，100124； 2. 云南昆鋼新型復(fù)合材料發(fā)展有限公司，云南 昆明，605302； 3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150090)

通過(guò)生物膜環(huán)形反應(yīng)器(BAR)研究在市政和建筑區(qū)域的供水系統(tǒng)中的新型不銹鋼復(fù)合管管壁生物膜中微生物形成特點(diǎn)、微生物腐蝕特性以及沖擊消毒控制措施，考察不銹鋼復(fù)合管材管壁生物膜中微生物生長(zhǎng)情況及微生物對(duì)管道的腐蝕速率，了解氯消毒劑對(duì)管壁生物膜中微生物的滅活效能。研究結(jié)果表明：在含有余氯的市政和建筑區(qū)域供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，不銹鋼復(fù)合管道在模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展80 d后仍會(huì)出現(xiàn)明顯的生物增殖現(xiàn)象，在100~110 d期間生物量達(dá)到峰值，出現(xiàn)濁度和微生物超標(biāo)的現(xiàn)象；管壁生物膜中微生物種類(lèi)豐富，其中含有多種致病菌、耐氯病原菌以及易造成金屬腐蝕的菌屬，使供水的生物安全性和化學(xué)安全性受到潛在威脅；水中微生物造成不銹鋼復(fù)合管材腐蝕電流密度增大，腐蝕電位降低，腐蝕速率明顯增大；沖擊消毒的氯質(zhì)量濃度越高、消毒時(shí)間越長(zhǎng)，生物膜微生物滅活效果越好；當(dāng)氯質(zhì)量濃度為5 mg/L，消毒60 min時(shí)，鐵細(xì)菌、異養(yǎng)菌及其余細(xì)菌均可完全滅活；沖擊氯消毒后管壁生物膜大量剝離和脫落，生物膜形態(tài)破壞明顯，且消毒時(shí)間越長(zhǎng)，生物膜破壞程度越大，可以有效控緩解生物對(duì)不銹鋼復(fù)合管道的腐蝕，保障供水安全。

不銹鋼復(fù)合管；管壁生物膜；微生物腐蝕；沖擊氯消毒；生物安全性

輸配水管道的材質(zhì)和水質(zhì)安全是保障市政和建筑區(qū)域內(nèi)供水安全的重要因素，市政供水和建筑區(qū)域內(nèi)的管道材質(zhì)直接關(guān)系到水質(zhì)安全。市政和建筑區(qū)域內(nèi)的供水在輸配過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水體污染現(xiàn)象，導(dǎo)致水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，其中微生物的再生和管道的腐蝕與結(jié)垢是造成供水二次污染的主要原因。輸配水管道中的微生物能利用氮、磷和有機(jī)碳等營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)生長(zhǎng)繁殖，逐漸在管壁形成生物膜，不僅使供水中微生物含量增加，而且會(huì)加速金屬管道的腐蝕。微生物腐蝕較復(fù)雜，是電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)共同作用的結(jié)果。微生物對(duì)管道的腐蝕約占管道損失的20%[1]。微生物主要通過(guò)改變電極電勢(shì)和氧濃差電池腐蝕金屬管道[2?3]，其代謝過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸，使 pH降低，加速金屬的腐蝕，造成水體色度、濁度和總鐵含量增 加[4]。鐵細(xì)菌是引起腐蝕的重要微生物，CHAMRITSKI等[5]的研究表明鐵細(xì)菌會(huì)加速金屬管材的腐蝕。采用不銹鋼管材是提高輸配水管道耐腐蝕性的有效措施，但存在成本較高等問(wèn)題，限制了其使用范圍。不銹鋼復(fù)合管是由304不銹鋼和碳鋼2種材料同步復(fù)合成的新型管材，管內(nèi)壁為304不銹鋼，外壁為碳鋼，兼具不銹鋼管道的優(yōu)良特性以及碳鋼的成本優(yōu)勢(shì)。為了考察新型不銹鋼復(fù)合管在市政和建筑區(qū)域供水輸配過(guò)程中的生物安全性，有必要研究新型不銹鋼復(fù)合管的微生物生長(zhǎng)特性和消毒效能。為了控制管道的微生物再生問(wèn)題，保障供水的生物安全性，通常在出廠水中投加一定量的消毒劑，以殺滅水中的微生物，抑制在輸配過(guò)程中供水管道的微生物再生。周玲玲等[6]的研究結(jié)果表明，市政和建筑區(qū)域內(nèi)供水中即使含有一定質(zhì)量濃度的余氯，管壁生物膜中微生物仍會(huì)持續(xù)增加。管壁生物膜微生物對(duì)氯消毒劑的抵抗能力遠(yuǎn)強(qiáng)于懸浮態(tài)微生物的抵抗能力。陳笑居[7]的研究表明，當(dāng)余氯質(zhì)量濃度低于 0.5 mg/L時(shí)，管道中鐵細(xì)菌生長(zhǎng)無(wú)法得到有效控制。王洋等[8]的研究表明，0.3 mg/L的氯可以有效控制懸浮鐵細(xì)菌的生長(zhǎng)，但1.0 mg/L的氯仍無(wú)法殺滅管垢內(nèi)的鐵細(xì)菌。王若卿等[9]的研究表明高質(zhì)量濃度氯能有效控制再生水管壁生物膜中微生物數(shù)量，消毒時(shí)間越長(zhǎng)，微生物存活率越低。朱永娟等[10]的研究表明，短時(shí)間內(nèi)加入高質(zhì)量濃度的氯后，管壁生物膜中異養(yǎng)菌數(shù)量會(huì)迅速下降，對(duì)管道生物膜造成很大破壞。由此可見(jiàn)，高質(zhì)量濃度的消毒劑對(duì)管壁微生物滅活和抑制產(chǎn)生有效的作用。本文作者考察新型不銹鋼復(fù)合管在市政供水和建筑區(qū)域系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)情況、生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌種及微生物腐蝕特性，研究氯沖擊消毒技術(shù)對(duì)不銹鋼復(fù)合管壁生物膜微生物的抑制和滅活效果，以便為新型不銹鋼復(fù)合管輸配水的生物安全性和適用性研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 管道模擬裝置

試驗(yàn)采用生物膜環(huán)形反應(yīng)器(BAR)模擬市政和建筑區(qū)域內(nèi)供水管道系統(tǒng)。試驗(yàn)前，先使用NaClO溶液對(duì)BAR反應(yīng)器、掛片和進(jìn)出水管進(jìn)行消毒滅菌，之后依次用自來(lái)水和超純水將BAR反應(yīng)器沖洗干凈。BAR反應(yīng)器由聚氯乙烯(PVC)材料制成的外層固定筒及內(nèi)部轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子的凹槽中放置18個(gè)不銹鋼復(fù)合掛片，每個(gè)掛片的面積約17 cm2；掛片可以通過(guò)BAR反應(yīng)器頂部的端口取出。通過(guò)蠕動(dòng)泵控制BAR反應(yīng)器進(jìn)水流量為6 mL/min，水力停留時(shí)間為4 h，水的相對(duì)流速為0.36 L/h，轉(zhuǎn)子速度為50 r/min，有效容積為800 mL。

圖1 BAR反應(yīng)器裝置示意圖

1.1.2 電化學(xué)工作電極

將不銹鋼復(fù)合管材加工成直徑為10 mm的圓柱形，在非試驗(yàn)表面焊接導(dǎo)線并用防水密封膠帶封裹，之后用環(huán)氧樹(shù)脂將非試驗(yàn)面封涂；試驗(yàn)表面分別經(jīng)粒度為96.0，41.0，23.0，18.0，13.0和6.5 μm砂紙逐級(jí)打磨，采用丙酮除油后用無(wú)水乙醇進(jìn)行滅菌處理，放置于干燥皿中備用。

1.2 試驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為試驗(yàn)室的自來(lái)水：溫度為18~20 ℃，pH為7.43~7.58，濁度為0.384~0.732 NTU，余氯質(zhì)量濃度為0.06~0.18 mg/L，總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量濃度 為1.962~2.397 mg/L，高錳酸鹽質(zhì)量濃度為1.52~ 1.74 mg/L，溶解氧質(zhì)量濃度為7.65~8.31 mg/L，總鐵質(zhì)量濃度為0.06~0.08 mg/L。

在微生物腐蝕試驗(yàn)中，有菌水為市政自來(lái)水，余氯質(zhì)量濃度為0.06 mg/L，細(xì)菌總數(shù)為47 CFU/mL，異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)(HPC)為156 CFU/mL。將市政自來(lái)水在紫外燈下照射2 h，使自來(lái)水中的細(xì)菌總數(shù)為 0 CFU/mL，即制成無(wú)菌水。無(wú)菌水每天進(jìn)行更換。

1.3 分析方法

1.3.1 消毒液的配置

采用市售NaClO溶液用超純水配置成有效氯濃度分別為1，3和5 mg/L的氯消毒液備用。

1.3.2 水質(zhì)檢測(cè)

極化曲線采用電化學(xué)工作站(CHI604D，上海辰華，中國(guó))測(cè)定，參比電極為飽和甘汞電極，對(duì)電極為鉑電極；濁度采用濁度儀(2100N，HACH，美國(guó))測(cè)定，總鐵質(zhì)量濃度采用鐵離子測(cè)定儀(HI96745，HANNA，意大利)測(cè)定，TOC質(zhì)量濃度采用總有機(jī)碳測(cè)定儀(Vario TOC，Elementar，德國(guó))測(cè)定，氯質(zhì)量濃度采用便攜式余氯快速測(cè)定儀(S-CL501，清時(shí)捷，中國(guó))測(cè)定。

1.3.3 微生物學(xué)指標(biāo)檢測(cè)

用2~3根經(jīng)高溫滅菌的棉簽對(duì)掛片由上到下進(jìn)行擦拭，直至將生物膜完全擦除。之后將棉簽放入盛有10 mL已滅菌的超純水試管中，并置于超聲波清洗儀中作用20 min，使棉簽上的生物膜充分溶于已滅菌的超純水中。

總的細(xì)菌采用營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基在37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h；鐵細(xì)菌采用鐵細(xì)菌培養(yǎng)基在30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d；異養(yǎng)菌采用R2A培養(yǎng)基在22 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d。

1.3.4 生物膜形態(tài)檢測(cè)

將消毒前后的生物膜掛片進(jìn)行固定、噴金制樣處理后，利用掃描電子顯微鏡(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，選擇合適的放大倍數(shù)拍攝并儲(chǔ)存照片。

1.3.5 宏基因組分析

首先采集掛片上的生物膜(方法見(jiàn)1.3.3節(jié))，將采集的生物膜進(jìn)行離心后提取DNA；然后，采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)引物341F(堿基序列為CCCTACACGACGCT- CTTCCGATCTG)和引物805R(堿基序列為GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCA)進(jìn)行擴(kuò)增，之后，對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行純化；最后，將純化產(chǎn)物按一定質(zhì)量比混合后測(cè)序。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物膜微生物生長(zhǎng)特性

圖2和圖3所示分別為BAR中不銹鋼復(fù)合管壁上生物膜微生物生長(zhǎng)情況以及進(jìn)出水濁度的變化情況。由圖2可知：細(xì)菌總數(shù)、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)曲線大致相同；管道系統(tǒng)運(yùn)行0~60 d期間，管壁生物膜上生物量水平較低，總的細(xì)菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌平均數(shù)量為1.7×102，1.1×102和2.4×102CFU/cm2，出水濁度平均值為0.632 NTU；在管道運(yùn)行60~80 d期間，管壁生物膜上微生物數(shù)量小幅度增加；運(yùn)行80 d后，掛片生物量呈現(xiàn)對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；在管道運(yùn)行100~110 d時(shí)細(xì)菌總數(shù)、鐵細(xì)菌數(shù)量及異養(yǎng)菌數(shù)量達(dá)到最大值，分別為1.0×105，1.8×104和1.7×105CFU/cm2；在管道運(yùn)行110~150 d期間，老化的生物膜開(kāi)始脫落，管壁生物量呈現(xiàn)迅速下降并趨于穩(wěn)定。管道材質(zhì)對(duì)生物膜形成速率也有很大影響：PVC管材更易形成生物膜[11]，在運(yùn)行80 d左右時(shí)生物量就已達(dá)到最大值，且其中異養(yǎng)菌的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不銹鋼復(fù)合管道中異養(yǎng)菌數(shù)量。由圖3可知：在運(yùn)行0~100 d期間，管道系統(tǒng)的出水濁度呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)；在120 d時(shí)出水濁度達(dá)到最高值，為1.367 NTU，出水的細(xì)菌總數(shù)、鐵細(xì) 菌數(shù)量和異養(yǎng)菌數(shù)量分別為120~300，50~110和 700~1 300 CFU/mL，此時(shí)出水濁度和細(xì)菌總數(shù)指標(biāo)均已超標(biāo)，高于GB 5749—2006“生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”中的限值。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)期運(yùn)行的不銹鋼復(fù)合管道也會(huì)形成明顯的管壁生物膜，造成輸配水管道的水體出現(xiàn)明顯的污染現(xiàn)象。

1—細(xì)菌總數(shù)；2—異養(yǎng)菌；3—鐵細(xì)菌。

1—出水；2—進(jìn)水。

2.2 生物膜的細(xì)菌菌群特征

采用宏基因組16S測(cè)序方法分析模擬管道系統(tǒng)內(nèi)成熟的生物膜中的菌群多樣性，樣本的覆蓋率為0.96，Shannon指數(shù)為5.27，Simpson指數(shù)為0.02，表明生物膜中菌群具有多樣性的特點(diǎn)。圖4所示為生物膜中微生物在門(mén)水平上的分布情況。由圖4可見(jiàn)：變形菌門(mén)()數(shù)量最多，其相對(duì)豐度為64.83%；其次為浮霉菌()、疣微菌門(mén)()、擬桿菌()、廣古菌門(mén)()、厚壁菌門(mén)()、酸桿菌門(mén)()和放線菌門(mén)()，所占比例分別為12.68%，4.56%，3.97%，3.75%，3.45%，1.79%和1.71%，其余菌門(mén)所占比例均小于1.00%。與相同水質(zhì)條件下PVC材質(zhì)管壁生物膜中的微生物種群[11]相比，不銹鋼復(fù)合管壁生物膜中變形菌門(mén)所占比例高43.23%，浮霉菌門(mén)、疣微菌門(mén)、廣古菌門(mén)和酸桿菌門(mén)的數(shù)量也較多；而不銹鋼復(fù)合管壁生物膜中厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)數(shù)量較少，二者所占比例比PVC管壁生物膜中的分別低41.46%和14.22%。

圖4 生物膜中微生物在門(mén)水平上的分布

變形菌門(mén)是供水管道生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌群[12?13]，不僅包含易造成金屬腐蝕的鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌，而且含有大腸桿菌、假單胞菌和沙門(mén)氏菌等致病菌。厚壁菌門(mén)中的枯草芽孢桿菌和擬桿菌門(mén)的黃桿菌都是腐生菌，其產(chǎn)生的黏性物質(zhì)與鐵細(xì)菌一同累積在管壁表面，可造成金屬管道腐蝕[14]。變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和放線菌門(mén)中都包含錳氧化細(xì)菌，能加速管道點(diǎn) 蝕[15]。此外，上述菌門(mén)都包含一些耐氯菌，如軍團(tuán)菌和金黃葡萄球菌等致病菌，它們能夠抵抗外界不良環(huán)境，在較低質(zhì)量濃度的余氯條件下存活，從而對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。上述結(jié)果表明，市政和建筑區(qū)域供水管道生物膜中存在較多導(dǎo)致管壁腐蝕的菌種、致病菌和耐氯菌等，對(duì)飲用水的生物安全性和化學(xué)安全性造成一定威脅，因此，有必要控制管道生物膜的大量生成，確保市政和建筑區(qū)域供水管道的安全運(yùn)行。

2.3 微生物腐蝕

圖5所示為在自來(lái)水中有菌和無(wú)菌條件下，不銹鋼復(fù)合管道腐蝕電位和電流密度變化。在有菌和無(wú)菌條件下不銹鋼復(fù)合管道的初始腐蝕電位分別為 ?163 mV和?154 mV。由圖5可看出：有菌水的腐蝕電位整體呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)，無(wú)菌水腐蝕電位僅有輕微降低趨勢(shì)。有菌水電位降低速率明顯比無(wú)菌水的高，說(shuō)明水中細(xì)菌的存在導(dǎo)致腐蝕加?。辉谶\(yùn)行50~60 d期間，有菌水電位達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)，腐蝕加劇傾向變小，此時(shí)電位均值為?298 mV，比初始電位降低79%，而無(wú)菌水的電位基本維持在?145~?201 mV，均值為?169 mV，顯著高于有菌水的電位。

1—有菌水，電流密度；2—無(wú)菌水，電流密度； 3—有菌水，腐蝕電位；4—無(wú)菌水，腐蝕電位。

腐蝕電流密度反映金屬腐蝕速率，電流密度越大，腐蝕速率越大。在初始條件下，有菌和無(wú)菌水腐蝕電流密度分別為0.135 6和0.117 4 μA/cm2。從圖5可看出：有菌水的腐蝕電流密度整體呈現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì)，而無(wú)菌水電流密度卻有略微降低趨勢(shì)。有菌水的腐蝕電流密度明顯比無(wú)菌水的高，說(shuō)明水中細(xì)菌導(dǎo)致腐蝕速率增加；在運(yùn)行10~40 d期間，有菌水的腐蝕電流密度顯著增加，均值為0.225 2 μA/cm2；運(yùn)行50~60 d期間，有菌水的腐蝕速率達(dá)到最大值，電流密度均值為0.308 5 μA/cm2；而無(wú)菌水的腐蝕速率在運(yùn)行期間緩慢降低，電流密度均值為0.103 9 μA/cm2，明顯低于有菌水的腐蝕電流密度。腐蝕電位和腐蝕電流密度結(jié)果均表明微生物的存在會(huì)加快不銹鋼復(fù)合管材的腐蝕。

微生物對(duì)于管道的腐蝕是一個(gè)較緩慢的過(guò)程。隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，有菌水的微生物代謝產(chǎn)物破壞管材鈍化膜[16]，造成管材的抗蝕性降低，加速陰極去極化過(guò)程，腐蝕向管材內(nèi)部深入，形成點(diǎn)蝕[17]。為了控制微生物對(duì)管道的腐蝕，抑制和阻止管壁微生物的生長(zhǎng)至關(guān)重要。

2.4 沖擊消毒的管壁微生物滅活效能

采用高質(zhì)量濃度的氯對(duì)管壁生物膜進(jìn)行沖擊消毒，總的細(xì)菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌滅活率如圖6所示。由圖6可見(jiàn)：隨著氯質(zhì)量濃度的增加，管壁微生物滅活效果不斷提高；在氯質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，隨著消毒時(shí)間的增加，消毒效果明顯改善；消毒180 min時(shí)，管壁生物膜中細(xì)菌總數(shù)、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌滅活率分別為1.17，1.26和1.32，消毒效果不佳。在氯質(zhì)量濃度為3 mg/L時(shí)，隨著消毒時(shí)間增加，總的細(xì)菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌滅活率明顯大于氯質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)的滅活率；在消毒120 min時(shí)，總的細(xì)菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌均已趨于完全滅活，滅活率分別為2.88，3.02和3.34；隨后，細(xì)菌滅活率呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)。在氯質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)，消毒0~60min時(shí)，細(xì)菌滅活率顯著增加，消毒60 min時(shí)總的細(xì)菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌均已趨于完全滅活，滅活率分別為2.64，2.84和3.44，隨后，細(xì)菌滅活率僅略微增加，可見(jiàn)質(zhì)量濃度為5 mg/L的氯只需60 min的沖擊消毒時(shí)間即可達(dá)到極佳的消毒效果。

氯質(zhì)量濃度/(mg?L?1)：(a) 1；(b) 3；(c) 5

從上述結(jié)果可看出：氯質(zhì)量濃度對(duì)管壁生物膜的滅活有很大影響，較低質(zhì)量濃度的氯需要更長(zhǎng)的消毒時(shí)間才能達(dá)到相同的消毒效果，高質(zhì)量濃度氯則在很短的消毒時(shí)間內(nèi)就可完全滅活管壁生物膜的微生物。考慮到在水中投加更高質(zhì)量濃度的氯會(huì)造成感官不適，且生物膜中的微生物具有較強(qiáng)的抗氯性[18]，采用適宜質(zhì)量濃度氯同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)消毒時(shí)間更有利于各種微生物的殺滅，本文采用質(zhì)量濃度為5 mg/L左右的氯進(jìn)行60 min的沖擊消毒在實(shí)際應(yīng)用中有更好的適 用性。

2.5 生物膜表面形態(tài)變化特征

為了進(jìn)一步研究沖擊氯消毒的效果，對(duì)消毒前后的生物膜形態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。圖7所示為用5 mg/L氯消毒前后的生物膜表面形態(tài)變化。由圖7可以看出：成熟的生物膜具有一定厚度，表面凹凸不平，結(jié)構(gòu)密實(shí)且呈塊狀；進(jìn)行氯沖擊消毒后，生物膜的厚度和塊狀大小均出現(xiàn)了較明顯的變化；當(dāng)消毒30 min時(shí)，生物膜出現(xiàn)萎縮現(xiàn)象，并發(fā)生部分脫落，此時(shí)，消毒對(duì)生物膜的破壞程度較小，生物膜表面結(jié)構(gòu)仍比較密實(shí)；當(dāng)消毒60 min時(shí)，有更多的生物膜脫落，造成管壁大部分裸露，生物膜表面變得松散凌亂。由此可見(jiàn)，沖擊氯消毒可使管壁生物膜形態(tài)破壞，生物膜出現(xiàn)了大幅度剝離和脫落，從而有效減緩微生物對(duì)不銹鋼復(fù)合管壁的腐蝕作用。

(a) 消毒前；(b) 消毒30 min；(c) 消毒60 min

3 結(jié)論

1) 在含有余氯的市政和建筑區(qū)域供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，不銹鋼復(fù)合管道在連續(xù)運(yùn)行80 d后仍會(huì)出現(xiàn)管壁微生物明顯增殖現(xiàn)象，在100~110 d時(shí)生物量達(dá)到峰值，細(xì)菌總數(shù)、鐵細(xì)菌數(shù)及異養(yǎng)菌數(shù)量分別為1.0×105，1.8×104和1.7×105CFU/cm2，管道出水濁度和微生物指標(biāo)均超標(biāo)。

2) 管壁生物膜細(xì)菌具有多樣性，其中變形菌門(mén)為優(yōu)勢(shì)菌，占細(xì)菌總數(shù)的64.83%，并含有大腸桿菌、軍團(tuán)菌和金黃葡萄球菌等多種致病菌、耐氯病原菌以及造成金屬腐蝕的菌屬，對(duì)供水的生物安全性和化學(xué)安全性造成潛在威脅。

3) 有菌水的腐蝕電位出現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，腐蝕電流密度總體呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，而無(wú)菌水的腐蝕電位和腐蝕電流密度則均呈穩(wěn)定趨勢(shì)，表明有菌水對(duì)金屬管道的腐蝕速率明顯比滅菌水的大，微生物會(huì)明顯加速金屬管道的腐蝕。

4) 沖擊氯消毒對(duì)管壁生物膜的微生物有顯著滅活效果。氯質(zhì)量濃度越高，微生物的滅活率越高；當(dāng)氯質(zhì)量濃度為5 mg/L、消毒時(shí)間為60 min時(shí)，總的細(xì)菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌均可達(dá)到完全滅活；氯沖擊消毒管壁可顯著破壞管壁生物膜的形態(tài)，造成生物膜大幅度剝離和脫落，能有效地控制管壁生物膜的形成，保障供水安全。

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(編輯 伍錦花)

Characteristics and shock disinfection efficiency of biofilm of a new stainless steel composite pipeline

GENG Pan1, LI Xing1, WANG Tingkun2, FAN Jian2, LIANG Heng3

(1. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Yunnan Kungang New Composite Materials Development Co. Ltd., Yunnan 605302, China; 3. School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

By using the biofilm annular reactor(BAR), the characteristics of microbial growth and microbial corrosion, and control measures of shock disinfection of a new stainless steel composite pipeline in the water supply system of municipal and construction area were studied. The microbial growth on the stainless steel composite pipeline wall, corrosion rate of the pipeline caused by microorganism, and inactivation efficiency of chlorine disinfection on biofilm were also investigated. The results show that in the water supply pipe network system of municipal and construction area with residual chlorine, biofilm proliferation of stainless steel composite pipeline is obvious after 80 d of operation. During 100—110 d, the biomass reaches the peak, and both the turbidity and microbial index exceed the standard values. The biofilm of the wall has a diversity of microorganisms in it, which contains a variety of pathogens, chlorine resistant pathogens and bacteria that can cause metal corrosion, posing a potential threat to the biosafety and chemical safety of drinking water. With microorganisms in water, the corrosion current density of the stainless steel composite pipeline increases, the corrosion potential decreases and the corrosion rate increases obviously. With high mass concentration of chlorine and long sterilization time, the inactivation effect of biofilm microbes is better. When the chlorine mass concentration is 5 mg/L, iron bacteria, heterotroph and other bacteria can be completely inactivated when sterilized for 60 min. After the shock of chlorine disinfection, the biofilm on the wall peels off, and biofilm morphology is damaged. The longer the disinfection time is, the greater the degree of biofilm damage is, which can effectively control the corrosion of stainless steel composite pipeline caused by biofilm and assure water safety.

stainless steel composite pipeline; wall biofilm; microbial corrosion; chlorine shock disinfection; biosafety

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.004

X524

A

1672?7207(2018)11?2663?07

2017?11?09；

2018?01?07

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2014ZX07406-002)；云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015IB022) (Project(2014ZX07406- 002) supported by the National Water Pollution Control and Control Science and Technology Major Program; Project(2015IB022) supported by the Science and Technology Program of Yunnan Province)

李星，博士(后)，研究員，博士生導(dǎo)師，從事給水處理研究；E-mail: lixing@bjut.edu.cn