人工调控强化输水管道管壁生物膜净水效能及作用机制

Because pipeline biofilm can improve water quality in raw water distribution, how to use artificial regulation to further strengthen its water purification efficiency has significant impacts on the safety of municipal drinking water supply. This project will integrate laboratory experiments and field samplings, micro-analysis and macro-detection methods, and modern microbiology and molecular biology techniques to determine the effects of artificial regulation on the efficiency and mechanisms of pipeline biofilm. It will investigate the biofilm formation processes, the variations of the structure and quantity in microbial community, and the changes of microenvironment in biofilm profile during raw water distribution. The micro-mechanism between water quality and pipeline biofilm will also be analyzed. The results will be used to reveal the internal relations among raw water quality, pipeline biofilm, and water purification efficiency. The removal mechanism of different pollutants in the pipe by biofilm during raw water transportation will also be clarified. Furthermore, the mechanisms of regulating oxygen, flow rate, and pre-oxidant to control biofilms in raw water distribution pipelines will be determined. Finally, the relationship between pipeline biofilm and water quality, and the optimal conditions for water purifying of artificial regulation on pipeline biofilm will be revealed. Findings of this project will provide scientific theoretical basis for the optimization of operation and water quality improvement of practical raw water distribution.

基于管壁生物膜在原水输水管道中的水质改善作用，如何通过人工调控进一步强化管壁生物膜水质净化效果对保障城市饮用水安全具有重要的意义。本项目拟通过室内模拟和现场监测、微观分析和宏观检测相结合的方法，借助现代微观分析技术和分子生物学表征手段，研究不同水质条件下原水输水管道管壁生物膜的形成过程、微生物群落结构和丰度的变化、剖面微环境的变化，解析原水输送过程中水质和管壁生物膜间的微观互作机制，揭示原水水质、管壁生物膜和水质净化效果等指标体系间的内在关系，阐明原水输送过程中管壁生物膜对不同污染物质的去除机理，探讨溶解氧、流速、预氧化剂等对原水输水管道管壁生物膜体系的调控机制，耦合管壁生物膜组成、结构与水质变异间的互作关系，探求人工强化管壁生物膜体系发挥水质净化功能的最优条件，为实际原水输水工程的运行优化及水质改善提供科学理论依据。

针对原水输送过程中管壁生物膜在水质改善中的作用，本项目通过实验室生物膜环状反应器模拟实验和盐城新水源地长距离引水工程实际输水管道的监测，研究了不同水质、不同输水管材条件下原水输水管道管壁生物膜的净水特性，探求了人工强化管壁生物膜体系发挥水质净化功能的最优条件。研究结果表明：.（1）实验室模拟实验表明，原水输送过程中NH4+-N、浊度、TP均有明显的去除且去除率受原水水质影响，Ⅲ类水、Ⅱ类水、Ⅰ类水NH4+-N去除率为：30.5%、25.6%、18.8%；浊度去除率分别为：67.5%、65.2%、59.6%；PO43-的去除率分别为36.5%、30.2%、19.3%，进水水质越差，其去除率越高。Ⅲ类水、Ⅱ类水、Ⅰ类水NO3--N平均堆积量分别为0.40mg/L、0.19mg/L、0.15mg/L，水质越差其堆积量越多。.（2）在典型Ⅲ类水水质条件下，不同输水管材表现出一定的净水差异性，钢片、PP、PE、PVC对CODMn的去除率为25.20％、12.09％、14.96％、14.75％。PP、PE、钢片三种管材对NH4+-N的去除率都在23％左右，PVC的去除率相对较低为18％。NO3--N的含量出现了明显的增加，钢片材质管道增长率最低。钢片、PP、PE、PVC对TP的净化效果达到了47.75％、32.58％、28.65％、28.20％。钢片材质的管材在输水管道中的综合性能是最好的，其管壁上的生物膜净水效能最佳。.（3）利用FG及MBFG功能群分类方法划分长距离输水过程中浮游植物功能群。研究期间绝对优势FG功能群有7个，分别为：B、P、MP、X1、J、Lo、W1，绝对优势MBFG功能群有4个，分别为：GroupⅠ、GroupⅣ、GroupⅤ、GroupⅥ。生境条件的变化均可由两种绝对优势功能群有效指示。影响浮游植物功能群群关键环境因子有WT、BOD5、EC、TP、NH4+-N、Chl-a。.（4）在长距离原水的输送过程中，在好氧条件下，管壁生物膜中的硝化作用能够有效降低原水中氨氮的浓度，增加硝氮的积累。在实际长距离输水过程中增压泵站前设置的曝气沉淀设施可以有效的提升水体的溶解氧含量，但是其采用的上向式穿孔管存在停水停机后堵塞风险及溶解氧传质效率较低等弊端，在后续需进一步改进。