使用BAR反應器研究管材和余氯對管壁生物膜形成的影響

張向誼，劉文君，高圣華，張琳
（清華大學環境科學與工程系，北京，100084）

徐洪福 尤作亮 張勁松
（深圳自來水集團公司，深圳，廣東，518031）

　　摘要：使用BAR反應器模擬實際管網，研究在有氯、無氯兩種原水情況下，鍍鋅鋼、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC五種管材上細菌的生長規律。試驗表明：幾種管材按單位面積最大細菌數比較，鍍鋅鋼>鑄鐵>UPVC>不銹鋼>PE；按達到單位面積最大細菌數所需天數比較，鍍鋅鋼>鑄鐵、不銹鋼>UPVC，PE管上細菌沒有較大增加。另外，三種金屬管材會發生銹蝕，引起水濁度、色度上升。對于防止微生物在管壁生長而言，PE是最理想的管材；不銹鋼則是值得選擇的金屬材料。加氯可控制細菌的生長速度，但無法影響同種管材上最大細菌數；氯對金屬管材上細菌的生長影響不大?？刂乒芫W水質的生物穩定性，推廣塑料管材是有必要的，但對塑料管材的化學安全性，特別是其中添加劑是否會析出還需進一步研究。
　　關鍵詞：BAR，生物膜，金屬管材，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

　　配水系統中廣泛存在生物膜，而且構成生物膜的菌種里有很多與人類活動相關，甚至存在條件致病菌。研究表明：即使常規管網水取樣中未檢出細菌和大腸桿菌，實際上管網水仍存在一定的微生物學風險^[1]。因此，研究管網管壁生物膜的形成原因、影響生物膜形成的因素進而探討控制生物膜形成的技術手段就成為一項十分迫切的任務。
　　但是，配水系統是一個封閉的系統，從出廠到用戶的配水管網往往埋在地下，難以隨時監控其中生物膜生長的情況。所以本試驗選用國際上通用的BAR（Biofilm Annular Reactor，環狀生物膜掛片反應器）模擬實際管網進行生物膜培養，研究了不同管材和水中有無余氯對生物膜形成的影響。這一研究對實際管網中管材的選取具有一定的指導意義，但其他因素與生物膜的關系有待進一步的深入研究。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置——BAR反應器
　　本試驗用兩臺BAR反應器模擬實際管網中生物膜的形成過程，其中一臺BAR是美國原裝進口產品，型號為1120/1320 LJ，有效容積3.2L左右；另一臺BAR自制，規格、特性與進口產品相同。由于體積小，這一反應器可以放置在不同地點，并可以控制溫度、營養等外界條件進行試驗。
BAR反應器主要由反應罐、轉子、掛片、電機和進出水口組成，反應器轉子上掛有掛片以提供生物膜附著生長的表面。轉子在電機的驅動下旋轉，隨著轉子的旋轉，掛片與水體的交界面間產生剪切力，可模擬管網中的水力條件，剪切力大小可通過調節電機轉速控制。圖1（a）、（b）、（c）、（d）分別是BAR簡圖、實物照片和轉子照片。

　　該儀器的使用方法是：將所需研究的管材制成的掛片裝入中心轉子的插槽中，通入要研究的水，調整轉子轉速，得到想要模擬的管網管徑和水流流速，進行生物膜相應特性的研究。其中轉子轉速可在控制開關上顯示出來。
　　本試驗所用掛片都是根據深圳市配水管網中實際使用的管材情況自制而成的，未使用原裝掛片。目前，各國科學家已利用BAR進行了生物量測定、微生物細胞剝離方法、生物膜形態結構、AOC和BDOC與生物膜生物量的相關性等多種研究[2]。
1.2 試驗方法
1.2.1 原水及水質情況
　　本試驗在深圳市大沖水廠中試試驗基地進行。原裝BAR以水廠實際生產運行的砂濾后水為原水，水中無氯，仿制BAR以出廠水為原水，水中有氯，分別模擬生物膜在配水管網中生長的過程。表1是深圳市大沖水廠中試基地濾后水和出廠水的水質情況。

深圳市大沖水廠濾后水和出廠水水質　　　　　　　　　 表1

原水

濁度（NTU）

余氯*（mg/L）

細菌總數（個/ml）

總大腸菌數（個/333ml）

AOC（μg-乙酸碳/L）

總堿度（mg/L）

總硬度（mg/L）

BAR進水（濾后）

—

—

210

0

127

30.8

48

BAR出水（濾后）

—

—

5400

0

274

33.9

50

BAR進水（出廠）

0.55

0.45

0.57

—

—

—

—

—

*注：“余氯”一項中，前一個數值為游離氯濃度，后一個數值為總氯濃度。

1.2.2 轉子轉速
　　根據說明書中給出的BAR反應器轉子角速度-管網水流速計量關系，經過計算，本實驗選用“137”左右的轉速顯示值，模擬直徑50mm的配水管網中0.3m/s左右的水流速度。
1.2.3 實驗周期
　　每臺BAR運行兩個周期，其中一個周期研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長的規律，第二個周期研究鑄鐵、不銹鋼、PE（聚乙烯）和UPVC（硬質聚氯乙烯）四種管材上生物膜生長的規律。原裝BAR研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長規律的周期為40天，其余每個周期為30天。表2是實驗各實驗周期統計表格。

BAR實驗各周期統計表　　　　　　　　　　　 表2

儀器

運行周期

掛片材料

運行時間

運行天數

余氯

原裝BAR

1

鍍鋅鋼

2004.7.16-2004.8.25

40天

無

原裝BAR

2

鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC

2005.4.3-2005.5.6

33天

無

仿制BAR

1

鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC

2005.3.27-2005.4.16

30天

有

仿制BAR

2

鍍鋅鋼

2005.4.16-2005.5.16

30天

有

　　對于研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長規律的周期，從第十天起，以濾后水和出廠水為原水進行的實驗，分別每三天和五天取一片掛片進行HPC（異養菌平板計數）實驗。對于研究不同管材上生物膜生長規律的實驗，以濾后水（不含氯）和出廠水（含氯）為原水進行的試驗，分別從第十三天和第十天起，每五天取不同材料的掛片各一片分別進行HPC（異養菌平板計數）實驗。
1.2.4 HPC（異養菌平板計數），方法見[參考文獻]簡單介紹一下PCA和NA瓊脂比較。
1.2.5 作細菌生長曲線，觀察細菌生長規律
　　測量掛片的表面積，用細菌總數除以相應掛片的表面積，計算出掛片單位面積上的細菌數。掛片表面積的計算方法為：正反兩面面積之和減去取樣孔面積。以時間為橫坐標，不同時間對應的單位面積細菌數為縱坐標作圖，觀察細菌在同一材料的掛片上的生長規律。對比同一原水、不同管材上生物膜生長規律的差別，同時對比不同原水、同一管材上生物膜生長的規律，總結水質和管材對配水管網中生物膜形成的影響。

2 結果與分析

2.1 以濾后水（無余氯）為原水的實驗結果
　　以濾后水為原水、研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長規律的實驗中，鍍鋅鋼掛片快速銹蝕，BAR中的水變成紅色，反應器運行后期，掛片上的生物膜出現脫落現象。該實驗中流量在1.5L/h左右，反應器容積是3.179L，其中水力停留時間約為2h，模擬的水流速度約為0.3m/s。
　　濾后水、鍍鋅鋼掛片上細菌在PCA培養基和營養瓊脂上的生曲線如圖2所示。

（a）濾后水（無氯）鍍鋅鋼掛片上細菌的生長曲線（PCA培養基）

（b）濾后水（無氯）鍍鋅鋼掛片上細菌的生長曲線（NA培養基）

圖2 濾后水（無氯）鍍鋅鋼掛片上細菌的生長曲線

　　從圖2中可以看到，細菌在PCA培養基和營養瓊脂培養基上的生長曲線基本一致，所以后期實驗均只采用PCA培養基進行。
　　以濾后水為原水、研究鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上生物膜生長規律的實驗中，鑄鐵和不銹鋼掛片快速銹蝕，BAR中的水變成紅色。
　　該實驗流量約155.38L/h，反應器容積3.179L，水力停留時間約74s。
　　濾后水、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上細菌在PCA培養基的生曲線如圖3所示。

圖3 濾后水（無氯）不同管材掛片上細菌的生長曲線（PCA培養基）

2.2 以出廠水（有余氯）為原水的實驗結果
　　以出廠水為原水（有氯）研究鍍鋅鋼掛片上生物膜生長規律的實驗中，鍍鋅鋼掛片快速銹蝕，因水流流量較大，BAR中的水沒有完全變成紅色。
　　該實驗中流量在174.67L/h左右，反應器容積是3.179L，其中水力停留時間大約為66s。
　　出廠水、鍍鋅鋼掛片上細菌在PCA培養基上的生長曲線如圖4所示。

圖4 出廠水（有氯）鍍鋅鋼掛片上細菌的生長曲線（PCA培養基）

　　以出廠水為原水、研究鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上生物膜生長規律的實驗中，鑄鐵和不銹鋼掛片快速銹蝕，因水流流量較大，BAR中的水沒有完全變成紅色。
　　該實驗中流量在174.67L/h左右，反應器容積是3.179L，其中水力停留時間大約為66s。
　　出廠水、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC掛片上細菌在PCA培養基的生長曲線如圖5所示。

圖5 出廠水（有氯）不同管材掛片上細菌的生長曲線（PCA培養基）

2.3 分析與討論
　　以濾后水（無氯）和出廠水（有氯）為原水的實驗中，鍍鋅鋼、鑄鐵、不銹鋼三種金屬掛片均快速銹蝕，鍍鋅鋼、鑄鐵形成紅色氧化物，不銹鋼形成黑色氧化物，各種氧化物進入水中，使出水變為紅色；PE和UPVC兩種塑料掛片非常干凈，不會引起水的色度、濁度上升。
　　以出廠水（有氯）為原水的實驗中，細菌在鍍鋅鋼掛片上生長33天，單位面積細菌數量級僅在104，遠小于同期以濾后水為原水的實驗中得到的數據，對比圖2和圖4，可以發現以出廠水為原水的實驗運行33天細菌仍未達到最大值。從圖5可以看到，UPVC掛片上的生長比較穩定，而且30天仍未達到最大值；細菌在PE掛片上第20天的生長數據疑為不準確數據，去掉該數據我們可以發現，細菌在PE掛片上的生長也沒有達到最大值，PE掛片和UPVC掛片的生長曲線比較相似，而且相同時間的數據略低于UPVC掛片；鑄鐵、不銹鋼掛片上的細菌總數從第27天左右開始有所下降。
　　以濾后水為原水的實驗中，單位面積細菌數從大到小依次為：鍍鋅鋼、鑄鐵、UPVC、不銹鋼、PE。在以出廠水為原水的實驗中，單位面積細菌數從大到小依次為：鑄鐵、不銹鋼、鍍鋅鋼、PE（去掉情況異常的點）、UPVC，后三者沒有達到最大細菌總數。
　　鑄鐵、不銹鋼兩種金屬掛片在兩種原水中最大細菌總數和到達最大細菌總數所需天數比較一致，均為27、28天左右；在出廠水為原水的實驗中，鑄鐵掛片上細菌數下降幅度比以濾后水為原水的鑄鐵片細菌總數下降幅度大，不銹鋼掛片基本一致，鍍鋅鋼和兩種塑料掛片上細菌生長較慢，在本試驗周期內未達到最大值。這一現象與其它研究者使用管道模擬系統考察管材所得到的結論一致^[3-5]：對兩種不同型號不銹鋼、聚氯乙烯和聚丙烯等管材表面形成的生物膜特性進行研究，在4～8個月的時間里，光滑壁面的同無光壁面的管材中微生物的數量有著顯著的差別，12個月以后差別不顯著了。由于本實驗部分周期采用了無氯的水作為研究對象，大大縮短了細菌生長所需要的時間，在各種管材上都可以明顯的看出細菌數量的變化規律，細菌在不同材料的掛片上生長，都有達到最大值然后脫落的趨勢，如果運行更長的時間，當掛片上細菌數量穩定的時候，也許可以看到不同管材上的細菌數量差別不大，這有待進一步實驗的論證。
　　綜上所述，對于管網細菌生長的控制和腐蝕的控制，五種材料中最好的是有機材料PE和UPVC，但是有機材料是否有微量有機物析出、化學安全性是否可靠，還有待進一步研究。

3 結論

　　本試驗通過使用BAR反應器，對有氯、無氯兩種原水下，鍍鋅鋼、鑄鐵、不銹鋼、PE、UPVC五種管材上細菌生長情況進行了研究，得出下列初步結論：
　　（1）幾種管材按單位面積最大細菌數比較，鍍鋅鋼>鑄鐵>UPVC>不銹鋼>PE；按達到單位面積最大細菌數所需天數比較，鍍鋅鋼>鑄鐵、不銹鋼>UPVC，PE管上細菌沒有較大增加。另外，三種金屬管材會發生銹蝕，引起水濁度、色度上升。從實驗結果看，PE是最為理想的管材；不銹鋼則是值得選擇的金屬材料。
　　（2）加氯可以控制細菌在鍍鋅鋼、PE和UPVC管材上的生長速度，但是對不銹鋼和鑄鐵兩種金屬管材上的細菌生長影響不大，另外，加氯無法影響同種管材上的最大細菌數。這進一步說明為控制管網水質的生物穩定性，推廣塑料管材是有必要的，但對塑料管材的化學安全性，特別是其中添加劑是否會析出還需進一步研究。

參考文獻：

[1] 張向誼，潘虹，劉文君，尤作亮，徐洪福. 某市給水管網管壁中微生物生長特性研究.給水排水，已接收
[2] 魯巍，唐峰，張曉健，何文杰，韓宏大，胡建坤. 研究供水管壁生物膜的模擬系統. 中國給水排水. 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