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

本研究通过对比有无生物膜的培养管道，探究生物膜对铁氧化物颗粒的吸附及在冲洗中的滞留作用。实验表明，生物膜使颗粒吸附率从66%增至72%，并在后续冲洗中显著降低颗粒释放，尤其在高压差条件下。显微分析证实生物膜EPS增强了不同尺寸颗粒的附着，揭示了生物膜在管道沉积和水质变色中的关键作用。

　　本研究探讨了生物膜如何影响饮用水输送系统（DWDS）中氧化铁颗粒的积累与迁移。实验在全尺寸的PVC管道循环系统中进行，分为两种情况：一种是生物膜在管道内生长了28天，另一种是无生物膜。氧化铁颗粒被注入管道中，在稳定流速条件下促进其附着于管道内壁，随后进行四次连续的冲洗步骤以动员附着的颗粒。通过悬浮沉积物浓度（SSC）、浊度和显微镜技术对颗粒的积累和迁移进行了评估。研究发现，生物膜提高了颗粒的附着率，从66%增加到72%，并且在冲洗过程中增强了颗粒的保留能力。第一次冲洗时，无生物膜系统的颗粒释放量为79%，而生物膜系统的释放量为69%，表明生物膜的存在使颗粒附着更牢固。随后的冲洗步骤中，生物膜实验释放的颗粒更多，特别是在高剪切应力条件下。显微镜观察显示，生物膜能够捕获细小和较大的颗粒（最大可达30 μm），即使在生物膜覆盖面积有限（约3%）的情况下，也能显著增强颗粒附着。尽管实验中形成的生物膜可能与实际DWDS中的成熟生物膜有所不同，但研究结果表明，生物膜在高剪切事件中能够促进颗粒积累并抵抗其迁移。尽管生物膜在DWDS中普遍存在，这些发现可能有助于水处理部门改进管道清洗策略，更好地管理系统内的材料积累，从而降低水质变色的风险。

饮用水变色通常由生物膜和悬浮颗粒材料的释放引起，这些材料在管道网络内部逐渐积累。本研究重点探讨了生物膜在促进氧化铁颗粒附着于PVC管道内壁中的作用，并增强其对管道内壁的附着能力，从而增加材料积累的稳定性。这些发现将支持水处理部门在制定维护策略时，减少变色风险。然而，现有的模型，如可变条件变色模型（VCDM），通常只能通过浊度间接估算材料负载，无法区分具体贡献者，也无法考虑材料在最大流速条件下仍附着于管道壁的情况。此外，浊度与悬浮固体浓度（SSC）之间的关系常常复杂，因为颗粒的大小和组成不同，导致通过浊度数据单独建模材料积累和迁移可能存在误差。

因此，研究者们正努力将变色机制与DWDS中积累的特定材料联系起来。目前，已确定两个主要的贡献因素：（1）氧化铁颗粒，（2）生物膜。氧化铁颗粒在腐蚀管道系统中非常常见，但也存在于塑料管道甚至无金属成分的网络中。人们认为这些颗粒可能来自上游的腐蚀热点（如老旧的铸铁主干管、阀门）并被输送到下游，沉积在管道网络中。另一种可能的来源是溶解的铁，它通常存在于饮用水中，有时由于水处理过程中铁基凝聚剂残留的释放而浓度升高。在特定的化学条件下（如pH值或温度变化）或与管道壁的有机物结合后，溶解的铁可能会沉淀。

最近的实验表明，悬浮的氧化铁颗粒在清洁的PVC管道上的附着主要受SSC的影响，而在典型操作条件下，流速和壁面剪切应力对附着的影响较小。令人惊讶的是，即使颗粒大小仅1 μm，它们也能在管道底部松散沉积，这与湍流条件下的沉积理论不符。此外，一种次要机制涉及颗粒在PVC管道表面粗糙度中的锚定，从而产生不同范围的材料剪切强度（MSS）值，这与VCDM的预测一致。这表明管道壁的粗糙度是影响材料积累的关键因素。

另一方面，生物膜在所有DWDS中普遍存在，被认为是管道冲洗过程中观察到的大量有机物的主要来源。虽然生物膜本身通常是透明的，对浊度贡献较小，但它们的特性与VCDM中建模的材料层动力学非常吻合。例如，生物膜表现出的内聚力可能解释了层状沉积物的形成和不同的MSS。活性生物膜细胞通常集中在较深的层中，这些层不易被冲洗脱落，冲洗后可以重新生长。生物膜还会产生胞外聚合物物质（EPS），有助于营养物质的捕获，并促进溶解物质的固定。EPS的粘附特性可能也有助于悬浮颗粒的捕获，从而促进生物膜的生长和材料的积累。

总体来看，有充分的证据表明，氧化铁颗粒和生物膜都对DWDS中的材料积累和变色过程有重要贡献。然而，现有的模型主要依赖于浊度进行间接量化，无法区分变色的具体贡献者，也无法考虑颗粒和生物膜之间的协同效应。解决这些局限性对于开发更准确的模型和有效的管理策略至关重要。

鉴于这些研究空白，本文旨在探讨生物膜如何影响PVC管道中颗粒材料的积累和迁移。具体目标包括：1）量化生物膜对悬浮氧化铁颗粒附着于PVC管道内壁的贡献；2）量化生物膜对因流速增加而引起的管道壁颗粒迁移的影响；3）利用显微镜成像技术，在颗粒附着和迁移前后对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组独特的实验，采用创新方法对生物膜和颗粒进行量化和表征。实验过程分为两个主要阶段：颗粒附着阶段和颗粒迁移阶段。在附着阶段，控制注入悬浮颗粒，以促进其在稳定流条件下附着于管道壁。迁移阶段则采用不同的冲洗策略，以动员颗粒并评估其在机械应力下的行为。两个实验均被仔细复制，唯一的不同是管道壁上是否存在生物膜。

实验结果表明，生物膜显著提高了颗粒的附着率，从66%增加到72%。在第一次冲洗阶段，无生物膜系统释放了79%的颗粒质量，而生物膜系统仅释放了69%，这表明生物膜增强了颗粒的附着能力。后续的冲洗步骤中，生物膜系统释放了更多的颗粒，尤其是在高剪切应力条件下。显微镜图像显示，生物膜能够捕获不同大小的颗粒，包括最大达30 μm的颗粒，即使在生物膜覆盖面积有限的情况下，也能显著增强颗粒的附着。尽管实验中形成的生物膜可能与实际DWDS中的成熟生物膜有所不同，但研究结果表明，生物膜在高剪切事件中具有促进颗粒积累和抵抗其迁移的潜力。

研究结果可能帮助水处理部门改进管道清洗策略，更好地管理系统内的材料积累。尽管生物膜在DWDS中普遍存在，但这些发现可以为维护水质提供新的视角。研究团队使用了显微镜成像技术，对管道壁上的生物膜和颗粒进行详细分析，以评估它们在附着和迁移前后的状态。

在实验过程中，管道壁条件的分析是通过收集专用的管道壁样本进行的。DWDL采样系统使用了从管道环中取出的PVC管道段，并用3D打印支架固定。这样做是为了使样本表面与管道壁保持一致，并确保样本在相同的流速条件下暴露。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：底部（invert）、中部（springline）和顶部（obvert）。在这些实验中，样本从底部位置采集，并在不同放大倍数下进行分析。

在无生物膜实验中，所有预颗粒样品均未发现颗粒和生物膜。相比之下，生物膜实验的样品在三个管道位置均显示出一致的生物膜聚集体。这些聚集体高度异质，覆盖了约3%的表面面积（仅通过DNA染色可见），并且呈现出孤立的状态。这表明在生物膜实验中，生物膜的存在促进了颗粒的附着，尤其是在生物膜覆盖面积有限的情况下。显微镜图像进一步表明，生物膜EPS增强了颗粒的附着能力，即使在无可见生物膜聚集体的情况下，仍然存在大量大颗粒。

此外，研究还发现，在生物膜实验中，细小颗粒在经过约90米的管道后几乎完全从悬浮液中移除，而无生物膜实验中，这些细小颗粒仍然保持较高浓度。这表明，生物膜对细小颗粒的附着率显著高于无生物膜系统。同时，生物膜在高流速冲洗过程中表现出更强的颗粒附着能力，这可能与其EPS的特性有关。

研究结果还表明，生物膜的存在显著影响了颗粒的迁移过程。在第一次冲洗阶段，无生物膜系统的颗粒释放量为79%，而生物膜系统的颗粒释放量为69%，这说明生物膜增强了颗粒的附着能力。后续的冲洗步骤中，生物膜系统的颗粒释放率更高，尤其是在高剪切应力条件下。这可能是因为生物膜在冲洗过程中表现出更强的附着力，能够抵抗水流的冲击。

综上所述，本研究揭示了生物膜在促进颗粒附着和抵抗其迁移中的重要作用。这些发现对于理解DWDS中的水质变化机制具有重要意义，并为水处理部门提供了改进维护策略的科学依据。未来的研究应进一步探索在更真实和变化的流速条件下，生物膜与颗粒之间的相互作用，以及在实际系统中更成熟的生物膜对颗粒积累的影响。