使用BAR反应器研究管材和余氯对管壁生物膜形成的影响

使用BAR反应器研究管材和余氯对管壁生物膜形成的影响

张向谊，刘文君，高圣华，张琳
（清华大学环境科学与工程系，北京，100084）

徐洪福 尤作亮 张劲松
（深圳自来水集团公司，深圳，广东，518031）

　　摘要：使用BAR反应器模拟实际管网，研究在有氯、无氯两种原水情况下，镀锌钢、铸铁、不锈钢、PE、UPVC五种管材上细菌的生长规律。试验表明：几种管材按单位面积最大细菌数比较，镀锌钢>铸铁>UPVC>不锈钢>PE；按达到单位面积最大细菌数所需天数比较，镀锌钢>铸铁、不锈钢>UPVC，PE管上细菌没有较大增加。另外，三种金属管材会发生锈蚀，引起水浊度、色度上升。对于防止微生物在管壁生长而言，PE是最理想的管材；不锈钢则是值得选择的金属材料。加氯可控制细菌的生长速度，但无法影响同种管材上最大细菌数；氯对金属管材上细菌的生长影响不大。控制管网水质的生物稳定性，推广塑料管材是有必要的，但对塑料管材的化学安全性，特别是其中添加剂是否会析出还需进一步研究。
　　关键词：BAR，生物膜，金属管材，塑料管材，余氯

Investigation of the Impacts of Pipe Materials and Chlorine Residuals on the Formation of Biofilm Using BARs

ZHANG Xiangyi, LIU Wenjun, GAO Shenghua, Zhang Lin
（Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua, Beijing, 100084）

Abstract: Five kinds of coupons, i.e. galvanized steel, casting iron, stainless steel, PE, and UPVC, were used in BARs at the condition with or without chlorine residuals for assessing the bacterial growth potentials. It was observed that, in the term of the maximum bacteria’s number detected, the order was that galvanized steel> casting iron> UPVC> stainless steel> PE. In the term of the duration of reaching maximum bacterial number, the order is that galvanized steel> casting iron, stainless steel> UPVC, while no appreciable bacteria growth were observed on PE. For control the re-growth of bacterial in the distribution systems, the PE would be the best material of five kinds of materials and the stainless steel would be the best metal material as well. Chlorine could slow down the rate of the bacteria growing on the walls, but the maximum numbers of bacteria were same compared to those without chlorine. Furhtermore, chlorine resulted in the corrosion of metal. Thus, for control of the bio-stability of drinking water, PE pipe is recommended. However, it is necessary to study the possibility of the release of micro-pollutants from the plastic pipe materials.

Key words: BAR, bio-stability, bio-film, pipe materials, residual chlorine

　　配水系统中广泛存在生物膜，而且构成生物膜的菌种里有很多与人类活动相关，甚至存在条件致病菌。研究表明：即使常规管网水取样中未检出细菌和大肠杆菌，实际上管网水仍存在一定的微生物学风险^[1]。因此，研究管网管壁生物膜的形成原因、影响生物膜形成的因素进而探讨控制生物膜形成的技术手段就成为一项十分迫切的任务。
　　但是，配水系统是一个封闭的系统，从出厂到用户的配水管网往往埋在地下，难以随时监控其中生物膜生长的情况。所以本试验选用国际上通用的BAR（Biofilm Annular Reactor，环状生物膜挂片反应器）模拟实际管网进行生物膜培养，研究了不同管材和水中有无余氯对生物膜形成的影响。这一研究对实际管网中管材的选取具有一定的指导意义，但其他因素与生物膜的关系有待进一步的深入研究。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置——BAR反应器
　　本试验用两台BAR反应器模拟实际管网中生物膜的形成过程，其中一台BAR是美国原装进口产品，型号为1120/1320 LJ，有效容积3.2L左右；另一台BAR自制，规格、特性与进口产品相同。由于体积小，这一反应器可以放置在不同地点，并可以控制温度、营养等外界条件进行试验。
BAR反应器主要由反应罐、转子、挂片、电机和进出水口组成，反应器转子上挂有挂片以提供生物膜附着生长的表面。转子在电机的驱动下旋转，随着转子的旋转，挂片与水体的交界面间产生剪切力，可模拟管网中的水力条件，剪切力大小可通过调节电机转速控制。图1（a）、（b）、（c）、（d）分别是BAR简图、实物照片和转子照片。

　　该仪器的使用方法是：将所需研究的管材制成的挂片装入中心转子的插槽中，通入要研究的水，调整转子转速，得到想要模拟的管网管径和水流流速，进行生物膜相应特性的研究。其中转子转速可在控制开关上显示出来。
　　本试验所用挂片都是根据深圳市配水管网中实际使用的管材情况自制而成的，未使用原装挂片。目前，各国科学家已利用BAR进行了生物量测定、微生物细胞剥离方法、生物膜形态结构、AOC和BDOC与生物膜生物量的相关性等多种研究[2]。
1.2 试验方法
1.2.1 原水及水质情况
　　本试验在深圳市大冲水厂中试试验基地进行。原装BAR以水厂实际生产运行的砂滤后水为原水，水中无氯，仿制BAR以出厂水为原水，水中有氯，分别模拟生物膜在配水管网中生长的过程。表1是深圳市大冲水厂中试基地滤后水和出厂水的水质情况。

深圳市大冲水厂滤后水和出厂水水质　　　　　　　　　 表1

原水

浊度（NTU）

余氯*（mg/L）

细菌总数（个/ml）

总大肠菌数（个/333ml）

AOC（μg-乙酸碳/L）

总碱度（mg/L）

总硬度（mg/L）

BAR进水（滤后）

—

—

210

0

127

30.8

48

BAR出水（滤后）

—

—

5400

0

274

33.9

50

BAR进水（出厂）

0.55

0.45

0.57

—

—

—

—

—

*注：“余氯”一项中，前一个数值为游离氯浓度，后一个数值为总氯浓度。

1.2.2 转子转速
　　根据说明书中给出的BAR反应器转子角速度-管网水流速计量关系，经过计算，本实验选用“137”左右的转速显示值，模拟直径50mm的配水管网中0.3m/s左右的水流速度。
1.2.3 实验周期
　　每台BAR运行两个周期，其中一个周期研究镀锌钢挂片上生物膜生长的规律，第二个周期研究铸铁、不锈钢、PE（聚乙烯）和UPVC（硬质聚氯乙烯）四种管材上生物膜生长的规律。原装BAR研究镀锌钢挂片上生物膜生长规律的周期为40天，其余每个周期为30天。表2是实验各实验周期统计表格。

BAR实验各周期统计表　　　　　　　　　　　 表2

仪器

运行周期

挂片材料

运行时间

运行天数

余氯

原装BAR

1

镀锌钢

2004.7.16-2004.8.25

40天

无

原装BAR

2

铸铁、不锈钢、PE、UPVC

2005.4.3-2005.5.6

33天

无

仿制BAR

1

铸铁、不锈钢、PE、UPVC

2005.3.27-2005.4.16

30天

有

仿制BAR

2

镀锌钢

2005.4.16-2005.5.16

30天

有

　　对于研究镀锌钢挂片上生物膜生长规律的周期，从第十天起，以滤后水和出厂水为原水进行的实验，分别每三天和五天取一片挂片进行HPC（异养菌平板计数）实验。对于研究不同管材上生物膜生长规律的实验，以滤后水（不含氯）和出厂水（含氯）为原水进行的试验，分别从第十三天和第十天起，每五天取不同材料的挂片各一片分别进行HPC（异养菌平板计数）实验。
1.2.4 HPC（异养菌平板计数），方法见[参考文献]简单介绍一下PCA和NA琼脂比较。
1.2.5 作细菌生长曲线，观察细菌生长规律
　　测量挂片的表面积，用细菌总数除以相应挂片的表面积，计算出挂片单位面积上的细菌数。挂片表面积的计算方法为：正反两面面积之和减去取样孔面积。以时间为横坐标，不同时间对应的单位面积细菌数为纵坐标作图，观察细菌在同一材料的挂片上的生长规律。对比同一原水、不同管材上生物膜生长规律的差别，同时对比不同原水、同一管材上生物膜生长的规律，总结水质和管材对配水管网中生物膜形成的影响。

2 结果与分析

2.1 以滤后水（无余氯）为原水的实验结果
　　以滤后水为原水、研究镀锌钢挂片上生物膜生长规律的实验中，镀锌钢挂片快速锈蚀，BAR中的水变成红色，反应器运行后期，挂片上的生物膜出现脱落现象。该实验中流量在1.5L/h左右，反应器容积是3.179L，其中水力停留时间约为2h，模拟的水流速度约为0.3m/s。
　　滤后水、镀锌钢挂片上细菌在PCA培养基和营养琼脂上的生曲线如图2所示。

（a）滤后水（无氯）镀锌钢挂片上细菌的生长曲线（PCA培养基）

（b）滤后水（无氯）镀锌钢挂片上细菌的生长曲线（NA培养基）

图2 滤后水（无氯）镀锌钢挂片上细菌的生长曲线

　　从图2中可以看到，细菌在PCA培养基和营养琼脂培养基上的生长曲线基本一致，所以后期实验均只采用PCA培养基进行。
　　以滤后水为原水、研究铸铁、不锈钢、PE、UPVC挂片上生物膜生长规律的实验中，铸铁和不锈钢挂片快速锈蚀，BAR中的水变成红色。
　　该实验流量约155.38L/h，反应器容积3.179L，水力停留时间约74s。
　　滤后水、铸铁、不锈钢、PE、UPVC挂片上细菌在PCA培养基的生曲线如图3所示。

图3 滤后水（无氯）不同管材挂片上细菌的生长曲线（PCA培养基）

2.2 以出厂水（有余氯）为原水的实验结果
　　以出厂水为原水（有氯）研究镀锌钢挂片上生物膜生长规律的实验中，镀锌钢挂片快速锈蚀，因水流流量较大，BAR中的水没有完全变成红色。
　　该实验中流量在174.67L/h左右，反应器容积是3.179L，其中水力停留时间大约为66s。
　　出厂水、镀锌钢挂片上细菌在PCA培养基上的生长曲线如图4所示。

图4 出厂水（有氯）镀锌钢挂片上细菌的生长曲线（PCA培养基）

　　以出厂水为原水、研究铸铁、不锈钢、PE、UPVC挂片上生物膜生长规律的实验中，铸铁和不锈钢挂片快速锈蚀，因水流流量较大，BAR中的水没有完全变成红色。
　　该实验中流量在174.67L/h左右，反应器容积是3.179L，其中水力停留时间大约为66s。
　　出厂水、铸铁、不锈钢、PE、UPVC挂片上细菌在PCA培养基的生长曲线如图5所示。

图5 出厂水（有氯）不同管材挂片上细菌的生长曲线（PCA培养基）

2.3 分析与讨论
　　以滤后水（无氯）和出厂水（有氯）为原水的实验中，镀锌钢、铸铁、不锈钢三种金属挂片均快速锈蚀，镀锌钢、铸铁形成红色氧化物，不锈钢形成黑色氧化物，各种氧化物进入水中，使出水变为红色；PE和UPVC两种塑料挂片非常干净，不会引起水的色度、浊度上升。
　　以出厂水（有氯）为原水的实验中，细菌在镀锌钢挂片上生长33天，单位面积细菌数量级仅在104，远小于同期以滤后水为原水的实验中得到的数据，对比图2和图4，可以发现以出厂水为原水的实验运行33天细菌仍未达到最大值。从图5可以看到，UPVC挂片上的生长比较稳定，而且30天仍未达到最大值；细菌在PE挂片上第20天的生长数据疑为不准确数据，去掉该数据我们可以发现，细菌在PE挂片上的生长也没有达到最大值，PE挂片和UPVC挂片的生长曲线比较相似，而且相同时间的数据略低于UPVC挂片；铸铁、不锈钢挂片上的细菌总数从第27天左右开始有所下降。
　　以滤后水为原水的实验中，单位面积细菌数从大到小依次为：镀锌钢、铸铁、UPVC、不锈钢、PE。在以出厂水为原水的实验中，单位面积细菌数从大到小依次为：铸铁、不锈钢、镀锌钢、PE（去掉情况异常的点）、UPVC，后三者没有达到最大细菌总数。
　　铸铁、不锈钢两种金属挂片在两种原水中最大细菌总数和到达最大细菌总数所需天数比较一致，均为27、28天左右；在出厂水为原水的实验中，铸铁挂片上细菌数下降幅度比以滤后水为原水的铸铁片细菌总数下降幅度大，不锈钢挂片基本一致，镀锌钢和两种塑料挂片上细菌生长较慢，在本试验周期内未达到最大值。这一现象与其它研究者使用管道模拟系统考察管材所得到的结论一致^[3-5]：对两种不同型号不锈钢、聚氯乙烯和聚丙烯等管材表面形成的生物膜特性进行研究，在4～8个月的时间里，光滑壁面的同无光壁面的管材中微生物的数量有着显著的差别，12个月以后差别不显著了。由于本实验部分周期采用了无氯的水作为研究对象，大大缩短了细菌生长所需要的时间，在各种管材上都可以明显的看出细菌数量的变化规律，细菌在不同材料的挂片上生长，都有达到最大值然后脱落的趋势，如果运行更长的时间，当挂片上细菌数量稳定的时候，也许可以看到不同管材上的细菌数量差别不大，这有待进一步实验的论证。
　　综上所述，对于管网细菌生长的控制和腐蚀的控制，五种材料中最好的是有机材料PE和UPVC，但是有机材料是否有微量有机物析出、化学安全性是否可靠，还有待进一步研究。

3 结论

　　本试验通过使用BAR反应器，对有氯、无氯两种原水下，镀锌钢、铸铁、不锈钢、PE、UPVC五种管材上细菌生长情况进行了研究，得出下列初步结论：
　　（1）几种管材按单位面积最大细菌数比较，镀锌钢>铸铁>UPVC>不锈钢>PE；按达到单位面积最大细菌数所需天数比较，镀锌钢>铸铁、不锈钢>UPVC，PE管上细菌没有较大增加。另外，三种金属管材会发生锈蚀，引起水浊度、色度上升。从实验结果看，PE是最为理想的管材；不锈钢则是值得选择的金属材料。
　　（2）加氯可以控制细菌在镀锌钢、PE和UPVC管材上的生长速度，但是对不锈钢和铸铁两种金属管材上的细菌生长影响不大，另外，加氯无法影响同种管材上的最大细菌数。这进一步说明为控制管网水质的生物稳定性，推广塑料管材是有必要的，但对塑料管材的化学安全性，特别是其中添加剂是否会析出还需进一步研究。

参考文献：

[1] 张向谊，潘虹，刘文君，尤作亮，徐洪福. 某市给水管网管壁中微生物生长特性研究.给水排水，已接收
[2] 鲁巍，唐峰，张晓健，何文杰，韩宏大，胡建坤. 研究供水管壁生物膜的模拟系统. 中国给水排水. 2005，21（1）:22~24
[3] Percival S L, J S Knapp, R G J Edyvean, et al. Biofilm development on stainless steel in main water. Wat. Res., 1998, 32（1）:243~253
[4] Percival S L, J S Knapp, R G J Edyvean, et al. Biofilms, mails water and stainless steel. Wat. Res., 1998, 32（7）:2187~2201
[5] Zcheus O M, E K Livanainen. Bacterial biofilm formation on polyvinyl chloride, polyethylene and stainless steel exposed to ozonated water. Wat. Res., 2000, 34（1）:63~70