颗粒与生物膜之间的协同作用是导致PVC管道中饮用水变色的主要原因

《Environmental Science: Water Research & Technology》：The synergy between particles and biofilms that drives drinking water discolouration processes in PVC pipes

本研究探究了生物膜对饮用水管网中铁氧化物颗粒沉积和迁移的影响。通过对比有/无生物膜管网的实验，发现生物膜使颗粒附着率从66%提升至72%，并显著增强颗粒在冲洗步骤中的滞留性。显微镜分析显示，生物膜EPS可捕获1-30μm不等的颗粒，尤其在逆流冲洗中表现出更高的抗剪切能力。研究结果为优化管网清洗策略提供了理论依据。

　　本研究探讨了生物膜对饮用水管网中铁氧化物颗粒累积与迁移的影响。实验在全尺寸的PVC管道循环系统中进行，分别设置了有生物膜和无生物膜的两种情况。铁氧化物颗粒被注入管道中，以促进其在管道内壁的附着，随后通过四个连续的冲洗步骤来促使附着的颗粒迁移。研究使用悬浮沉积物浓度（SSC）、浊度和显微镜技术对颗粒的累积与迁移进行评估。结果显示，生物膜显著增强了颗粒的附着率，从66%提升至72%，并且在冲洗过程中提高了颗粒的保留率。在第一次冲洗中，无生物膜管道释放了79%的迁移质量，而有生物膜的管道仅释放了69%，表明生物膜增强了颗粒的附着能力。后续的冲洗步骤中，生物膜实验中迁移的材料更多，特别是在高剪切应力条件下。显微镜观察表明，生物膜能够捕获细小和较大的颗粒（最大可达30微米），即使表面覆盖率较低（约3%），也显著增强了颗粒的附着能力。尽管实验中形成的生物膜可能与实际饮用水管网中的成熟生物膜有所不同，但研究结果表明，生物膜有潜力促进颗粒的累积并抵抗其在高剪切事件中的迁移。尽管生物膜在饮用水管网中普遍存在，这些结果可能帮助水务公司改进管道清洗策略，并更好地管理系统内的材料累积。

饮用水变色通常由生物膜和悬浮颗粒在管道网络中的释放引起。本研究旨在探讨生物膜如何影响PVC管道中颗粒的附着和迁移过程。研究的三个具体目标包括：量化生物膜对悬浮铁氧化物颗粒附着到PVC管道内壁的贡献；量化生物膜对由于流量增加导致的管道壁颗粒迁移的影响；以及使用显微镜成像技术对附着和迁移前后的生物膜和颗粒进行表征。为了实现这些目标，研究团队在实验室中进行了一系列创新性的实验，以量化和表征生物膜和颗粒在管道中的行为。

研究中使用了位于Queen's大学的饮用水分布实验室（DWDL），其中设有全尺寸的PVC管道循环系统，管道内径为108毫米（4英寸），长度约为200米。该系统旨在模拟实际饮用水管网的水力条件，以研究水质在输送过程中的劣化。系统可以运行在两种模式下：一种是封闭循环模式，即通过水箱（容量为3.5立方米）进行水的循环；另一种是开放模式，即通过排水口将水排出，同时水箱持续补充当地饮用水。饮用水在进入管道前经过常见的家庭颗粒过滤器（熔喷1微米）过滤，以避免引入外部物质。系统中还设有阀门，以便在正向和反向两种方向下运行。整个实验室处于恒温箱中，温度控制在16摄氏度。

在实验中，两个相同的实验分别在有生物膜和无生物膜的条件下进行。在生物膜实验中，管道内壁被预先培养生物膜28天。而在无生物膜实验中，管道内壁在高浓度自由氯（超过20毫克/升）下消毒，并在高流速（15升/秒）下冲洗。实验分为两个阶段：颗粒附着阶段和颗粒迁移阶段。在附着阶段，通过在管道中点位置注入悬浮颗粒，在稳定流速条件下促进其附着。迁移阶段则通过不同的冲洗策略，促使颗粒从管道内壁迁移。两个实验的水力和水质条件分别列在表1和表2中。

在颗粒附着阶段，研究团队在管道中点位置注入了高浓度的三氧化二铁（Fe?O?）颗粒。颗粒在400升的混合罐中保持悬浮状态，通过隔膜泵从罐底抽取并注入到管道中。注入后，管道循环系统保持稳定流速约40分钟，以冲洗管道中1.5倍的管道长度体积，确保所有悬浮颗粒在泵停止前离开管道，并防止在静止状态下颗粒附着。三氧化二铁颗粒因其与管道腐蚀和变色的相关性，以及其高化学稳定性和不溶性而被选为研究对象。目标浓度设定为5毫克/升，以模拟之前实验中导致约30 NTU浊度的条件。在实验前，颗粒被分为质量相等的组，以确保实验的一致性。注入前，溶液通过至少10分钟的混合，并通过重力分析和燃烧纤维玻璃滤膜（450°C）来测定悬浮固体浓度（SSC）的挥发性和固定性。总注入质量通过平均SSC与精确注入体积相乘得出。

在颗粒迁移阶段，通过四个冲洗步骤（F1-F4）来促使颗粒和生物膜从管道内壁迁移，并评估其在机械应力下的行为。前两个步骤（F1和F2）在正向和反向方向下进行，流速分别为6.5升/秒。第三个步骤（F3）在正向方向下进行，流速提高至11.0升/秒。第四个步骤（F4）在反向方向下进行，流速与F3相同。所有冲洗步骤均采用开放模式，并遵循以下顺序：从0升/秒逐步增加到目标流速；保持流速为2.5倍管道体积；然后逐步减少到0升/秒。在每个冲洗步骤中，从出口（对于F2和F4，入口处采样）收集复合水样，时间范围对应于第一个管道体积的25%-75%。采样策略因预期的脱离位置而异：F1和F2假设脱离来自上半部分管道，而F3和F4假设脱离来自整个管道，可能由于F2中的颗粒重新附着。所有样品均测试悬浮固体浓度（SSC）、挥发性悬浮固体浓度（SSCv）和固定悬浮固体浓度（SSCf）。浊度通过在线浊度计（Hach TU5300sc）连续监测。

在冲洗阶段，通过方程（1）计算悬浮沉积物通量（FSS）。浊度值通过校准系数（α）转换为SSC值，这些系数通过将浊度与从整体水样中测得的SSC值进行回归计算。通过在颗粒注入期间积分FSS，得出总悬浮颗粒质量。管道内累积的质量则通过从注入质量中减去流出质量得出。有机/无机分数也通过类似的方法估算。由于FSS在F2和F4中的变化较小，特别是在背景浊度未由颗粒脱离引起的情况下，FSS进行了背景校正。总迁移质量通过在每个冲洗步骤中积分FSS得出。

通过显微镜成像对管道内壁样品进行分析，以表征颗粒和生物膜的附着情况。DWDL采样系统使用了带有3D打印支架的PVC管道截取部分，以对齐样品表面与管道内壁，并确保样品经历与管道相同的流速条件。采样位置包括三个纵向位置：入口（约23米）、中点（约113米）和出口（约185米），以及三个环向位置：底面（invert）、中间（springline）和顶面（obvert）。在这些实验中，样品在生物膜实验中从底面采集，并在无生物膜实验中从所有位置采集。在生物膜实验中，样品在采集后用5%的戊二醛固定15分钟，然后用去离子水冲洗三次并储存于相同条件下。在成像前，生物膜实验样品被单独用SYTO9（20微摩尔）染色15分钟，并用去离子水冲洗三次。样品被放置在显微镜载玻片上，并使用自动化的Nikon Ni-E荧光显微镜进行成像，使用100倍和400倍的水浸透镜以保持生物膜的湿润度并提高图像质量。无生物膜实验样品仅使用明场模式成像。生物膜实验样品在明场和荧光模式下成像，荧光模式使用FITC/GFP光谱。为了提高图像的清晰度，所有样品的照明条件均标准化。

在生物膜实验中，通过采集底面位置的样品，可以观察到颗粒和生物膜的附着情况。生物膜在三个纵向位置上形成了可见的集群，这些集群在DNA染色下呈现绿色，覆盖了约3%的表面区域。这些集群显示出高度的异质性，并且彼此孤立。这种现象是生物膜早期生长的典型特征。在更高的放大倍数下，可以观察到多样化的生物膜形态，包括连接集群的桥梁状结构，这可能表明早期阶段的多物种生物膜的存在。在对应的荧光图像中，还识别出多种微生物细胞形态，这表明生物膜基质中存在丰富的微生物环境。

在无生物膜实验中，仅观察到较小的颗粒。这可能是因为在没有生物膜的情况下，颗粒的附着力不足，可能在冲洗过程中被移除。在中点位置，观察到一些稍大的颗粒，而在出口位置则显示较高的细颗粒浓度。在400倍放大下，中点位置的样品上较少看到细颗粒，这可能是由于冲洗过程中由于颗粒浓度较高而导致部分颗粒损失。值得注意的是，无生物膜实验的同一样品不同视场（FOV）中的颗粒密度存在显著差异，这可能是由于在样品采集和冲洗过程中表面张力对松散颗粒的作用。

在第一个冲洗步骤（F1）后，样品显示颗粒和生物膜的附着情况。在生物膜实验中，冲洗减少了生物膜集群，但许多颗粒和生物膜集群仍然附着在管道内壁上。一些视场中观察到的铁氧化物集群类似于早期的生物膜集群，这表明生物膜EPS增强了颗粒的附着并阻碍其迁移。即使在没有明显生物膜的情况下，仍然可以观察到大量大颗粒的存在，这可能意味着生物膜分泌的物质或未染色的EPS可能改变了管道内壁的附着特性。尽管SYTO9用于标记DNA丰富的生物膜成分，但冲洗水中的氯含量可能影响了生物膜在荧光图像中的可见性。

在无生物膜实验中，冲洗后入口位置的样品仍然保持清洁，而中点位置的颗粒显著减少，这与颗粒松散附着的情况一致。出口位置的样品则显示颗粒没有明显损失，这表明在冲洗过程中，某些颗粒重新附着。在400倍放大下，可以观察到一些较大的颗粒集群，这些集群在冲洗前未在该位置出现，进一步支持了颗粒重新附着的可能性。在生物膜实验中，由于EPS的吸附作用，颗粒在管道内壁的附着更加均匀，包括那些在无生物膜实验中仍然悬浮或松散附着的颗粒。

本研究结果表明，生物膜在促进颗粒附着和增强其迁移阻力方面具有重要作用。生物膜的存在不仅增加了颗粒的附着率，还显著提高了其在冲洗过程中的保留率。显微镜图像显示，生物膜EPS能够均匀地捕获细小和大颗粒，这与实验中观察到的FSS值变化一致。研究还发现，生物膜能够改变浊度与悬浮固体浓度（SSC）之间的转换关系，特别是在高流速条件下，生物膜可能通过释放有机物质影响浊度测量。由于实验中采用的固定流速可能不完全反映实际管网的动态水力条件，因此未来的研究需要在更接近实际运营条件的变流速环境中进行，以验证这些发现并提高其在实际管网中的适用性。

本研究的结论表明，生物膜在饮用水管网中对铁氧化物颗粒的累积和迁移具有重要影响。生物膜的存在使颗粒附着率提高了6%，使总保留率从66%提升至72%。此外，生物膜增强了颗粒的迁移阻力，体现在第一次冲洗中，生物膜管道释放的材料比无生物膜管道少7%。显微镜图像进一步确认了生物膜EPS对颗粒附着的促进作用，表明颗粒在生物膜存在的情况下能够更均匀地附着在管道内壁上。在后续的冲洗步骤中，生物膜管道保留了更多的材料，需要更高的壁剪切应力才能有效迁移。值得注意的是，从生物膜条件迁移的颗粒中包含更多的有机物质，这可能表明在冲洗过程中发生了生物膜的破坏。

这些发现强调了生物膜EPS在促进颗粒捕获和阻碍其去除中的双重作用，对变色风险和水力维护具有重要意义。同时，研究也指出，浊度与悬浮固体浓度之间的转换系数存在显著变化，这进一步表明需要直接测量SSC以准确量化材料负载。本研究强调了将生物膜与颗粒的相互作用纳入饮用水管网维护策略的重要性。未来的研究应探索在更真实和变化的水力条件下，生物膜与颗粒的相互作用，包括更成熟和发展的生物膜，以更好地理解其在实际管网中的行为。