给水管网流速对水质和生物膜种群结构的影响

摘要
给水管网生物膜不仅为致病菌和寄生虫提供了栖息地，也会引起管道腐蚀，造成主体水水质恶化，严重威胁供水水质安全。

目前，有关研究着重于关注给水管网环境条件对生物膜形成的影响，忽视水力条件的关键作用，其中水动力条件如何调控主体水水质和生物膜种群结构的机理尚不清晰。

本文尝试解析不同流速条件下管壁生物膜种群结构和主体水的水质状况，构建生物膜种群结构和主体水水质的相互关系，以期给水管网的优化运行提供科学依据和理论支撑。

首先，本文研究了不同恒定流速条件下给水管网水质和生物膜形成状况。

结果表明，流速显著影响主体水水质，在流速为0.5 m/s时，综合水质为最差，浊度（0.47 ± 0.06 NTU），TOC（5.26 ± 0.17 mg/L），主体水细菌总数（4.79 ± 0.02 log cell/ml）和生物膜细菌总数（5.48 ± 0.06 log cell/cm2）均达到最大，而余氯浓度值（0.28 ± 0.02 mg/L）达到最小；不同流速下，生物膜细菌总数与TOC（R = 0.94, P < 0.001）和主体水细菌总数（R = 0.92, P < 0.001）成正相关，与余氯（R = -0.68, P < 0.05）成负相关。

其次，研究了水流波动模式对水质和生物膜形成的影响。

结果表明，流速波动模式显著影响主体水水质，降低流速波动幅度和增大波动频率降低水质；在流速波动幅度较小时生物膜细菌量最多（4.61 ± 0.04 log cell/cm2）；不同流速波动条件下，生物膜细菌总数仅与主体水水质中的TOC（R = 0.71, P < 0.05）成正相关。

最后，研究了不同水流工况下生物膜种群结构及其与水质的相互关系。

结果表明，当模拟管道水流处于0.5 m/s恒定流速下，管壁生物膜多样性水平最低；增大波动频率，生物膜种群结构呈现较高的多样性；在不同的水流流速变化模式下，生物膜种群与主体水水质的相互关系呈现不同的变化趋势，在恒定流速条件下，生物膜种群多样性越高，其水水质越好，而在波动流速条件下，却呈现与之相反。

关键字：水流流速；水质；生物膜种群结构；给水管网
ABSTRACT
The biofilm in water supply network not only provides habitats for pathogenic bacteria and parasites, but also causes pipeline corrosion, resulting in deterioration of bulk water quality and threatening seriously the safety of water supply quality. At present, relevant research mainly focused on the effects of water network conditions on biofilm formation and ignored the key role of hydraulic conditions. The mechanism of how hydrodynamic conditions govern bulk water quality and biofilm population structure is not clear. This paper attempted to analyze the biofilm population structure and bulk water quality under different flow conditions, and to establish the relationships between biofilm population structure and bulk water quality, thus providing scientific basis and theoretical support for optimal operation of water supply network.
Firstly, the water quality of supply network and biofilm formation under different steady-state flow conditions was investigated in this paper. The results showed that the flow rate significantly affected bulk water quality. At the flow rate of 0.5 m/s, water quality was the worst, associated with the turbidity (0.47 ± 0.06 NTU), TOC (5.26 ±0.17 mg/L), total number of bacteria (4.79 ± 0.02 log cell/mL) in bulk water and the total number of biofilm bacteria (5.48 ± 0.06 log cell/cm2) reached was the maximum, while the residual chlorine concentration (0.28 ± 0.02 mg/L) reached the minimum. At different flow rates, the total number of biofilm bacteria was positively correlated with the TOC (R = 0.94, P < 0.001), total bacterial population (R = 0.92, P < 0.001), and negatively correlated with the residual chlorine ( R = -0.68, P <0.05).
Secondly, the effect of fluctuating velocities on water quality and biofilm formation was investigated in the simulated drinking water distribution system. The results showed that bulk water quality varied with fluctuating patterns. A significant decline in the fluctuation amplitude and an increase in fluctuation frequency of flow rates reduced the quality of bulk water. When the fluctuation amplitude and frequency of flow rates were small, the biofilm biomass was the highest (4.61 ± 0.04 log cell/cm2). The total bacterial count of biofilm is only positively correlated with the TOC (R = 0.71, P < 0.05) in the bulk water quality under various fluctuation patterns of flow rates.
Finally, the relationships between biofilm community structure and bulk water quality under different flow velocity conditions were investigated. The results showed that, at the constant flow rate of 0.5 m/s, the community diversity of biofilm cells was
the lowest. Increasing the frequency of flow fluctuations, the biofilm population structure showed higher diversity. Meanwhile, the relationship between community structure of biofilm cells and bulk water quality exhibted various trends under steady state and fluctuating hydraulic conditions. Under the hydraulic condition, the higher biofilm population diversity, the better water quality, while an opposite trend occurred under fluctuating hydraulic consitions.
KEYWORDS: flow velocity; bulk water quality; biofilm community structure; drinkingwater distribution system
目录
摘要 .............................................................................................................................. I I 第1章绪论 .. (1)
1.1研究背景 (1)
1.2国内外相关研究现状 (1)
1.2.1 给水管网中生物膜形成过程 (1)
1.2.2 影响给水管网中的生物膜形成和水质变化的因素 (2)
1.2.3给水管网中生物膜的种群结构和多样性 (5)
1.3研究的目的及主要内容 (6)
1.3.1 研究目的 (6)
1.3.2 研究内容 (6)
第2章给水管网恒定流速对水质和生物膜形成的影响 (7)
2.1引言 (7)
2.2材料与方法 (7)
2.2.1 实验装置 (7)
2.2.2 实验步骤 (7)
2.2.3 主体水的物理化学指标分析 (7)
2.2.4 生物膜样品的采集 (8)
2.2.5 细菌总数的分析 (8)
2.2.6数据分析 (9)
2.3结果与讨论 (9)
2.3.1 不同流速下主体水水质变化 (9)
2.3.2主体水水质的主成分分析 (13)
2.3.3主体水水质的综合评价分析 (14)
2.3.4 不同流速下生物膜细菌总数的变化 (17)
2.3.5不同流速下生物膜细菌总数和主体水水质的关系 (18)
2.4讨论 (18)
2.4.1主体水水质与生物膜细菌总数的变化 (18)
2.4.2生物膜细菌总数和主体水水质的关系 (18)
2.5本章小结 (19)
第3章给水管网流速波动对水质和生物膜形成的影响 (20)
3.1引言 (20)
3.2 材料与方法 (20)
3.2.1 实验装置 (20)
3.2.2实验步骤 (20)
3.2.3 主体水的物理化学指标分析 (21)
3.2.4 生物膜样品的采集 (21)
3.2.5 细菌总数的分析 (21)
3.2.6数据分析 (21)
3.3结果与讨论 (22)
3.3.1不同流速下主体水水质变化 (22)
3.3.2主体水水质的综合评价分析 (23)
3.3.3不同流速下生物膜细菌总数的变化 (26)
3.3.4不同流速下生物膜细菌总数和主体水水质的关系 (26)
3.4讨论 (26)
3.4.1主体水水质与生物膜细菌总数的变化 (26)
3.4.2生物膜细菌总数和主体水水质的关系 (27)
3.5本章小结 (27)
第4章给水管网流速对生物膜种群结构的影响 (28)
4.1引言 (28)
4.2实验仪器和试剂 (28)
4.3材料与方法 (29)
4.3.1 实验装置 (29)
4.3.2 实验步骤 (29)
4.3.3 生物膜取样 (29)
4.3.4 16S rDNA测序 (29)
4.3.5种群多样性分析 (31)
4.4结果与讨论 (31)
4.4.1 恒定流速下生物膜细菌种群的多样性和组成比较 (31)
4.4.2 波动流速下生物膜细菌种群的多样性和组成比较 (35)
4.4.3生物膜细菌种群的聚类分析图 (39)
4.5讨论 (40)
4.5.1 恒定流速下生物膜细菌种群的多样性和组成比较 (40)
4.5.2 波动流速下生物膜细菌种群的多样性和组成比较 (41)
4.5.3生物膜细菌种群的聚类分析图 (41)
4.5.4主体水综合水质和生物膜细菌种群多样性的关系 (42)
4.6本章小结 (42)
第5章结论与展望 (43)
5.1结论 (43)
5.2展望 (44)
参考文献 (45)
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 (52)
插图清单
图 2.1 给水管网模拟系统 (8)
图 2.2 第28日主体水水质 (10)
图 2.3 28日内主体水水质变化（A）温度；（B）pH；（C）电导率；（D）浊度；（E）余氯；（F）TOC (11)
图 2.4 28日内主体水细菌总数 (11)
图 2.5 主体水水质指标的主成分碎石图 (13)
图 2.6 主体水水质指标的主成分分析图 (13)
图 2.7 28日内生物膜中的细菌总数 (17)
图 2.8 第28日生物膜中的细菌总数 (17)
图 3.1 波动流速的设置（A）流速变化幅度较低的波动，用LF表示；
（B）流速变化幅度较高的波动，用HF表示；（C）流速变化幅度较低但频率较高的波动，用LFHF表示；（D）有一个脉冲流速，用PF表示 (21)
图 3.2 第28日主体水水质变化（A）温度；（B）pH；（C）电导率；（D）浊度；（E）余氯；（F）TOC (22)
图 3.3 第28日波动前后主体水细菌总数 (23)
图 3.4 第28日生物膜中的细菌总数 (26)
图 4.1 琼脂糖凝胶电泳图（A）恒定流速；（B）波动流速 (31)
图 4.2 恒定流速下生物膜细菌多样性指数 (32)
图 4.3 恒定流速下细菌种群的相对丰度 (33)
图 4.4 主体水综合水质与生物膜细菌多样性指数的关系 (35)
图 4.5 波动流速下生物膜细菌多样性指数 (36)
图 4.6 波动流速下细菌种群的相对丰度 (37)
图 4.7 主体水综合水质与生物膜细菌多样性指数的关系 (39)
图 4.8 生物膜细菌的聚类图（属水平） (40)
表格清单
表2.1 流速对第28日主体水和生物膜指标影响的单因素方差分析（N ＝3） (12)
表2.2 第28日不同流速下生物膜细菌总数和主体水水质之间的Pearson 相关系数 (12)
表 2.3 给水管网水质指标的标准值设置 (16)
表 3.1 波动条件对第28日主体水和生物膜指标影响的单因素方差分析 (25)
表 3.2 第28日流速波动下生物膜细菌总数和主体水水质之间的Pearson相关系数 (25)
表 4.1 实验仪器 (28)
表 4.2 实验试剂 (29)
表 4.3 生物膜样品的OTU数目与多样性指数 (32)
表 4.4 不同流速下生物膜细菌与主体水水质的Pearson相关系数 (34)
表 4.5 生物膜样品的OTU数目与多样性指数 (35)
表 4.6 在流速波动下生物膜细菌与主体水水质的Pearson相关系数.. 38
第一章绪论
第1章绪论
1.1 研究背景
近年来，饮用水安全问题引起了全球的广泛关注，已成为全球重大战略性问题。

世界卫生组织调查发现，在发展中国家，有8%的疾病是因为饮用了不卫生、不安全的水而感染的，每年大约有2000万的人因为饮用了不卫生的水而死亡，饮用水安全问题严重地威胁着人类的生命[1]。

在我国，饮用水安全问题已经成为关系我国国计民生的重要问题，卫生部门对1985年版的《生活饮用水卫生标准》进行了修订，正式颁布了新版《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），新版标准规定水质指标由原来的35项增加至106项，其中微生物指标由2项增至6项，增加了大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群、贾第鞭毛虫和隐孢子虫。

众所周知，引发水传播疾病的重要原因是微生物，只有确保水中微生物安全，才能保障饮用水水质安全。

水中的病原微生物主要是三类：细菌、病毒和原生动物。

水传性致病细菌中的肠道类致病菌能引发消化道传染病，对人类健康危害比较大，消化道致病性病毒也能给人类健康带来威胁，而致病原生动物中的贾第虫、隐孢子虫能引发大规模的水传播疾病，给饮用水微生物安全带来了潜在的威胁。

从微生物学的角度来看，给水管网主要问题有生物腐蚀[2]、生物膜的形成[3]、硝化作用的发生[4]以及病原微生物的滋生[5]。

这些问题是导致给水管网出现二次污染的生物学原因，研究微生物的生长机理对解决提高管网水质和改善给水管网二次污染问题有重要的意义。

目前，给水管网中细菌的大量繁殖，随后的生物膜形成以及生物膜脱落所引发的水质安全问题已经引起人们的广泛关注，亟需给水管网管理人员了解生物膜形成的规律，特别是水质与生物膜种群之间的关系，为此，国内外学者进行了大量的研究工作。

1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 给水管网中生物膜形成过程
虽然给水管网是一个贫营养环境，但微生物仍然能在管壁表面附着生长，形成生物膜[6]。

以前的研究结果表明，给水管网生物膜形成是一个动态变化过程，最开始附着的微生物主要是细菌[7]，当悬浮细菌第一次接触到管道内壁时，标志着生物膜的生长开始[8]。

然后生成胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS），由多糖、蛋白质、细胞外DNA等组成[9]。

EPS可以改变细菌本身的表面性质，还提供给生物膜一个抵抗剪切力的物理稳定性能[10]，促进更多的微生物粘附和聚集[11-13]。

在生物膜内部细菌生长是层状聚集，一直到形成成熟的生物膜，这一过程
合肥工业大学硕士研究生学位论文
可能需要花费几个月到几年的时间[14]。

一旦水力条件发生变化，其剪切力超过生物膜粘附力，生物膜便可以从管道表面脱落，进而恶化主体水水质，如水的口味、气味以及颜色发生变化，甚至有可能释放致病菌进入到主体水[5]。

1.2.2 影响给水管网中的生物膜形成和水质变化的因素
目前，影响给水管网中生物膜形成和水质变化的因素主要有温度、pH、管材类型、消毒剂、营养物质、松散沉积物、水力条件（流量、水流速度、剪切力和停留时间）和细菌本身的性质等影响因素。

（1）温度
尽管给水管网通常埋设于地下，但是经常受到温度波动的影响，特别是在多季节的国家和地区。

例如，北美洲地区管网系统在夏季的温度通常是22°C左右，秋季是12°C左右，等到冬季时降低到6°C左右，而在澳大利亚，管网系统温度范围则是6°C和35°C之间[15]。

这种温度波动可以通过一些固有的机制，显著影响细菌初期附着，和随后生物膜形成。

温度对系统的氯需求量和控制生物膜HPC （Heterotrophic Plate Counts）数量至检测极限（3.2 Log CFU /cm2）所需的游离氯余量都有重要影响[16]。

韩文韬研究发现，给水管网中铁细菌的生长明显受温度的影响，夏季时铁细菌的含量远远高于冬季[17]。

Lu等研究表明，温度影响军团菌和一些机会致病菌的生长[18]。

Tai等研究发现，嗜肺军团菌不能在高于44o C的温度下生长[19]。

温度也对一些基因表达产生影响，这就可能改变微生物生成EPS以及细胞表面特征。

例如，Herald 等发现，L.monocytogenes不在10°C或35°C而是在21°C时才产生EPS，然后附着到表面并形成生物膜[20]。

（2）pH
调节饮用水pH值通常可以用于最大限度地减少消毒剂的衰减或控制管道腐蚀[21]。

给水管网中pH=7~8时硝化细菌生物膜的生长最为有利[22]，不同细菌的实际最适pH值不同，如硝化杆菌属在pH=7.2~7.6，亚硝化单胞菌属在pH=7.9~8.2时获得最佳生长[23]。

Nguyen等研究表明，较低的pH会加速铜管中氯胺的衰减速率[24]。

Herald 等发现，L.monocytogenes在pH=5时几乎观测不到细胞附着到表面，而在pH=8时却可以观测到[20]。

（3）管材类型
输送饮用水管道的管材主要有塑料管和金属管，其具有不同的表面粗糙度和其它物理化学特征。

塑料管材一般包含许多添加剂（如光稳定剂、抗氧化剂、软化剂、润滑剂、颜料和增塑剂等）能改变材料的物理化学性质，还会释放氮、硫和磷等，这些物质可能被细菌用来维持它们在贫营养环境下的生长[25, 26]。

管材不仅影响营养物质的迁移，还会对氯的消耗产生影响[27]。

Zhang等观测到，管材影响余氯衰减和三卤甲烷的形成，在不锈钢管道中余氯衰减更快，其次是球墨铸铁管
第一章绪论
和聚乙烯管；相对于球墨铸铁管和聚乙烯管，聚乙烯管道中形成的三氯甲烷最多[28]。

研究发现，无论碳水平高低，PVC管材中所生长的细菌最少，而铁管最高，水泥和环氧树脂管材介于中间[29, 30]。

Lehtola等观测到铜管中生物膜形成比PE管慢，但在200天后，两种管材之间微生物数量并无差异。

铜离子在前200天内导致水中的微生物数量降低，但此后两种管材之间没有差别[3]。

但是，也有研究表明，管材对生物膜形成的早期阶段未产生显著影响[31]。

此外，Liu等研究发现，管材显著影响生物膜对冲刷的抵抗力，虽然冲洗可以去除一些生物膜，并且可能是清洁给水管网的好方法，但是去除生物膜所需的剪切应力在不同的管道类型中是不同的[32]，这就需要深入探究剪切力如何对生物膜的生长产生影响。

（4）消毒剂
给水管网中广泛使用氯进行消毒。

Ollos等在环形反应器中模拟给水管网时评估了几个因素（有机物浓度、氯胺和氯消毒、流速、管道材料和温度）对生物膜生长的影响，结果表明，余氯是生物膜形成最重要的因素，然而维持一个适当的余氯浓度对生物膜生长影响不显著[33]。

EPS、水中的可生物同化有机碳（Assimilable Organic Carbon，AOC）、腐蚀产物和沉积物以及管材都可以与氯反应，从而提高了管网系统对氯的需求，而且氯胺可引发严重的硝化作用而加速氯胺分解[4]。

当有消毒剂存在的情况下，生物膜和悬浮细菌的生长和抑制是个复杂过程[34, 35]。

由于干旱、春季融雪、藻类大量繁殖会导致供水水质的变化，同样会影响对氯需求的急剧变化，这可能会导致短时间内氯的消毒作用失效。

因而，氯消毒机制可能不足以抑制细菌附着和随后生物膜形成[36]。

Lin等研究发现，消毒剂能降低生物膜的生物量，但在高消毒剂条件下，生物量又有所增加，这是因为消毒剂会消耗一部分EPS，附着的生物膜形成很多小的团簇，并形成新的生物膜[37]。

Shen等观测到，消毒剂会改变生物膜的物理性能和结构，经消毒处理后，外层EPS被消毒剂消耗，而外层灭活的细菌不再产生EPS，导致生物膜又薄又硬，一段时间后，生物膜适应消毒和再次产生EPS补充外层，可以观察到生物膜厚度的增加和硬度的减小[38]。

另外，Sun等研究发现，由于分枝杆菌具有复杂的细胞壁，其通常具有较高的抗消毒剂能力[39]。

（5）营养物质
近年来，饮用水生物稳定性受到广泛关注。

饮用水生物稳定性是指饮用水中可生物降解有机物供给异养菌生长的潜力，即当有机物成为异养菌生长的限制因素时，水中有机营养物能够支持细菌生长的最大可能性。

有机物是给水管网中生物膜形成的必要成分，大部分微生物可以代谢可生物降解有机物（Biodegradable Organic Matter，BOM）作为能源，以及用于生产细胞的材料。

通常不饱和脂肪族化合物（如简单的碳水化合物和低分子量蛋白质）和有机酸更容易被微生物吸收[40]。

3
合肥工业大学硕士研究生学位论文
在大多数情况下，有机碳是使给水管网中生物膜形成的最小基本化合物。

在给水管网中，有机碳通常定性为AOC。

通常建议AOC水平小于100 μg/L来保持饮用水的生物稳定性。

然而，常规的水处理难以达到这种低水平。

Fang等研究认为，磷是给水管网中另一个限制性营养物质，能用于合成高能化合物如ATP，1至400 μg/L的磷能够促进给水管网微生物生长[41]。

此外，Appenzeller等报道磷酸盐可以改变铁腐蚀产物的性质，降低其生物利用度，进而使管道表面不利于微生物附着生长[42]。

（6）松散沉积物
给水管网中的细菌可以分为四个主要成分，包括主体水、管壁生物膜、悬浮颗粒物和松散沉积物。

给水管网中主体水细菌（包括悬浮颗粒物中细菌）占总细菌的比例不到2%。

松散沉积物和管壁生物膜相关的细菌占总细菌的98%以上，且松散沉积物和管壁生物膜中的细菌比例相当[43]。

给水管网中的水质还与松散沉积物有关，松散沉积物的积累是管网水质问题的一大隐患。

松散沉积物是水中的颗粒物附着在管壁上，由无机物和有机物组成。

其中，有机物量仅占3.59% 左右(以TOC计) ，其余都是无机物。

沉积物中CaCO3 (32.26%)、SiO2 (14.51%)、FeOOH (10.42%) 和Al(OH)3 (6.43%) 的比重较大。

Lehtola等研究表明，松散沉积物可以吸附微生物所需的营养物质[44]。

沉淀物上的某些原生动物，可作为军团菌的寄主。

此外，大多数传统消毒剂（氯和氯胺）可以与沉积物发生反应而消耗消毒剂量，保护相关的细菌免受消毒剂的影响[35]。

松散沉积物具有易形成、易脱落的特点，当剪切力大于0.94 Pa时，松散沉积物因平衡被破坏而完全脱落，当管壁处的剪切力小于0.33 Pa时，管壁有松散沉积物形成。

应合理配置管网中各时段的用水量，使水流速度尽量保持恒定，避免给水管网中水流速度的急剧增大；如果流速长时间处于较低水平，当需要提高流速时应该逐步、缓慢进行，避免松散沉积物脱落悬浮在主体水中[45]。

（7）水力条件（水流速度、剪切力和停留时间等）
水流流速对给水管道表面微生物生长的影响是至关重要的，其输送营养物和消毒剂到管道表面以及对生物膜产生剪切作用[46]。

给水管网中的水流流速较低或水流滞留会使颗粒物沉积和长时间停留，为微生物生长提供有利条件[47]。

管道表面的颗粒沉积不仅为细菌提供附着的地方，还减少消毒剂浓度，促进生物膜的形成[48]。

Tsai研究发现，当流速从0.2增加到0.4 m/s，生物膜生物量并没有显著改变，但是，当流速进一步增加到0.6 m/s则有显著影响[34]。

据报道，管道中较高的细菌量通常与水流停留时间长有关[49]，延长水力停留时间有助于消毒剂衰减和生物膜密度增加[50]，进而水力停留时间会影响到管网水质[51]。

然而，在没有残留消毒剂的给水管网中，较长的时间停留并不总是导致增
4
第一章绪论
加细菌数量，这可能是由于底物限制。

另一方面用水高峰期、管道冲洗、管道破裂，不可避免地导致生物膜分离和沉积物再悬浮，使水质恶化[52]。

（8）细菌本身的性质
生物膜形成除了与温度、pH、营养物质、消毒剂和水力条件等因素有关外，还与细菌本身的性质有重要关系，如细菌的EPS、纤毛、鞭毛和群体感应信号分子等[53]。

此外，还包括细胞疏水性，增加细菌表面疏水性将有利于亲水性和疏水性表面上的细菌粘附[54, 55]。

1.2.3给水管网中生物膜的种群结构和多样性
给水管网中所形成的管垢在扫描电镜下显示出许多大小不均的孔隙，这些孔隙为细菌的附着生长，随后的生物膜形成提供了便利条件，管壁的生物膜中附着了大量的细菌和菌胶团。

大量细菌的附着生长为致病菌提供了极好的生长环境，只要管道中流速或压力发生急剧性变化，管壁上生物膜就有可能脱落，从而引起细菌数量的增加[56]。

近年来，大量的研究开始关注给水管网中生物膜的种群结构和多样性。

目前，高通量测序技术的发展，如454焦磷酸测序，以及多元统计工具的应用，为获得给水管网中生物膜细菌种群更好的分类鉴定提供了可能。

细菌种群结构和多样性受温度、管材、采样位置、腐蚀产物等因素影响。

ZlatanoviĆ研究发现，α变形菌在淋浴生物膜占主导地位，而在厨房水龙头生物膜α变形菌、β变形菌和γ变形菌均匀分布[51]。

Liu等研究分析了使用达十多年之久的两种不同材料-聚氯乙烯（PVC）和铸铁管道系统中的主体水和生物膜的细菌种群组成。

结果显示细菌种群，特别是细菌组成受到不同管材（PVC和铸铁）的显著影响[57]。

Zhang等研究发现，在聚乙烯管中生物膜种群多样性比球墨铸铁管和不锈钢管中丰富，还观察到不同管材的生物膜细菌种群结构明显不同。

此外，还检测到机会性致病菌，特别是在聚乙烯管的生物膜中检测到较多，其次是球墨铸铁管和不锈钢管。

这表明球墨铸铁和不锈钢管比聚乙烯管更加适合于饮用水系统[28]。

Sun等采集来自七个不同给水管网的七个铸铁管段（约20年龄）发现，在所有样品中变形菌（占40%-97%）占主导地位的门，主要包括α变形菌、β变形菌、γ变形菌和δ变形菌，与河水或土壤样品相比[58]，给水管网中生物膜种群表现出较为丰富的种群多样性（香农指数：3.36~5.29）[39]。

此外，管道系统中的种群结构也与其位置有关。

Liu等观测到，管道上部、中部和底部不同取样点位置的细菌种群不同，管壁中部细菌种群多样性更丰富[59]。

Liu等研究发现给水管网系统中主体水、管壁生物膜和悬浮颗粒物中具有相对稳定的细菌种群，然而，松散沉积物中的种群取决于松散沉积物的数量。

此外，松散
5
合肥工业大学硕士研究生学位论文
沉积物由于其移动性，相关的细菌容易接触到水龙头[43]。

Jang等报道说，生物膜细菌浓度和物种多样性随着管道的腐蚀而增加，且腐蚀产物含有铁氧化物吸附有机碳能够促进生物膜生长[60]。

细菌种群结构和多样性还受水力条件的影响。

已有报道显示水力停留时间影响生物膜的种群结构[61]。

与波动水力条件相比，稳定水力条件下生物膜的生长不受干扰，生物量较多，生物膜细菌种群多样性较高[62]。

1.3 研究的目的及主要内容
1.3.1 研究目的
目前，有关研究着重于关注给水管网环境条件对生物膜形成的影响，忽视水力条件的关键作用，其中水动力条件如何调控主体水水质和生物膜种群结构的机理尚不清晰。

尽管目前有大量关于给水管网环境条件对生物膜形成影响的报道，但往往都忽视水力条件的关键作用。

水力条件不仅调控微生物个体行为，更为重要的是参与调控管网中营养物质以及消毒剂等的时空分布，进而控制生物膜形成和主体水水质。

因此，本文尝试以给水管网为研究对象，尝试解析不同流速条件下管壁生物膜种群结构和主体水的水质状况，构建生物膜种群结构与主体水水质之间的相互关系，以期为给水管网的优化运行提供科学依据和理论支撑，进而保障供水安全。

1.3.2 研究内容
（1）给水管网恒定水流流速对水质和生物膜形成的影响。

研究给水管网系统运行28日内，恒定水流流速条件下主体水水质与生物膜细菌总数的变化，并揭示生物膜细菌总数和主体水水质之间的关系。

（2）给水管网波动水流流速对水质和生物膜形成的影响。

研究给水管网系统运行28日内，波动水流流速条件下主体水水质与生物膜细菌总数的变化，并揭示生物膜细菌总数和主体水水质之间的关系。

（3）给水管网水流流速对生物膜种群结构的影响。

研究给水管网系统运行28日后，恒定流速和波动水流流速条件下生物膜种群多样性和结构的组成，并探究生物膜细菌的聚类图。

6。