饮用水安全问题关系到人类的生存与健康,城市供水系统水质应满足用户感官和卫生要求^[1]。管网水中消毒剂含量随着输送距离与时间的延续逐步衰减,出厂水中残存的营养物质导致未被灭活的以及外源渗透进入管网的微生物在供水系统中的过度生长繁殖,可能会引发条件致病菌的滋生、水体浊度、色度增加以及管道腐蚀等“二次污染”问题^[2~5],因此控制营养物质的含量可作为限制细菌再生长的重要手段。受微生物元素组成(C∶N∶P)的影响,有机碳普遍被认为是细菌再生长的限制因子,AOC和BDOC是饮用水生物稳定性的常用评判指标^[6~8]。当饮用水中碳含量较高,含量较低的无机营养也会成为细菌再生长的限制因子。Miettinen等^[9]提出,磷会取代有机物成为细菌再生长的限制性因子。近年来,陆续有很多学者发现管网水中磷含量极低,已成为管网细菌再生长的限制性因子^[10,11]。迄今为止,管网中细菌生长的限制营养元素研究多集中于有机碳,对包括氮、磷在内的无机营养元素的研究并不全面^[12]。细菌再生长潜力(Bacterial Regrowth Potential,BRP)是Sathasivan等^[13]提出的一种生物稳定性评价指标,该方法以水样土著细菌为接种菌种,以接种水样培养后的最终细菌数(CFU/mL)表示水体支持细菌再生长的潜力,已成为生物稳定性指标中近期研究的热点之一^[14,15]。本文采用BRP为研究方法,针对南方地区某服役给水管网,探讨碳、氮、磷3种营养元素及无机营养对管网水细菌再生长的影响,分析本地区供水管网细菌再生长的限制性营养元素,以期为保障给水管网水质生物安全提供理论参考。

　　 研究管网位于南方某城市,净水厂处理工艺为常规水处理工艺与臭氧活性炭相结合的深度处理工艺。图1所示为给水管网的不同区域设置了A、B、C 3个取样点。各取样点的管网特性如表1所示。

　　 A、B、C 3个取样点的主供水线路的管材以球墨铸铁管为主,管道衔接及阀门处多采用钢管,部分DN800以下管道采用聚乙烯管。相比较而言,C点供水线路上还包括部分普通铸铁管,且管龄达到30年,管道内部锈蚀和结垢的情况较明显。取样管道均为DN150的住宅小区入户管,管材为球墨铸铁。

　　 各水样常规水质指标均按国家标准方法测定^[16]。采样月份为自然年的1~8月。采样期间,原水、净水厂出水及管网点水质如表2所示。

　　 取管壁生物膜混合液为接种用原液,生物膜取样装置参考文献[17],具体试验方法包括:①生物膜储备液的制备:3个取样点的生物膜样品在加入500mL生理盐水后超声震荡,分别加入质量分数为1.5%的硫代硫酸钠溶液2mL中和余氯;②生物膜接种液的制备:各取3个取样点的生物膜储备液20mL等量混合,经2μm微孔滤膜过滤去除杂质后,加入具塞磨口锥形瓶中,20℃避光培养5d;③水样的接种与培养:取100 mL中和余氯后的各水样于70℃水浴中巴氏灭菌30min,冷却至室温,按1∶100的比例接种接种液,摇匀后,20℃避光培养5d;④结果表征:采用R₂A培养基,在20℃下培养7d对培养后的水样进行细菌计数,计数结果即BRP的检测值,以CFU/mL表示。

　　 为比较不同含量的营养元素对A、B、C 3个管网点水样BRP的影响,避免水样受到其他营养物质不足的干扰,在水中投加过量无机营养组分,其种类、浓度参考文献[13],见表3所示。

　　 采用3个组别试验,分别研究碳、氮、磷浓度对管网水BRP的影响,其中研究某一种营养元素浓度对管网水BRP的影响时,应保证另外两种营养元素浓度充足。各试验中碳、氮、磷元素以NaAc、KNO₃和KH₂PO₄的形式进行添加。NaAc、KNO₃和KH₂PO₄充足时的添加量分别为5 667μg/L、10 110μg/L、1 320μg/L。碳浓度试验中,Ac^-—C的浓度分别为0、10μg/L、50μg/L、100μg/L、250μg/L、500μg/L;氮浓度试验中,NO₃^-—N的浓度分别为0、1μg/L、3μg/L、7μg/L、10μg/L、20μg/L;磷浓度试验中,PO₄^3-—P的浓度0、1μg/L、2μg/L、3μg/L、5μg/L、10μg/L。

　　 为比较不同种类营养元素对水中细菌再生长的限制作用,待测水样测定BRP前,分别投加不同营养组分,分别为:BRP.I(无机全营养,包括氮、磷在内的各种无机营养元素)、BRP.C(碳营养,以NaAc的形式投加)、BRP.P(磷营养,以KH₂PO₄形式投加)、BRP.N(氮营养,以KNO₃形式投加)。不投加任何营养物质的为空白对照组,以BRP表示。不同营养物质的添加量如表4所示。

　　 图2分别为添加不同浓度的碳、氮、磷时,A、B、C 3处管网水细菌再生长潜力的变化。

　　 图2a中,A、B、C 3点均在添加100μg/L碳元素后,细菌生长达到稳定。C点水样的BRP明显低于A、B点,说明碳浓度对C点的影响作用小于A、B两点,该点管网水中细菌生长受其他因素的影响。这可能是由于C点附近主供水管道的管龄较长(30年),锈蚀、结垢的情况较多,细菌及其营养物质附着、贮存在管壁的几率较高,生物膜生物量增加,微生物群落结构发生变化。且C点供水线路部分采用的是铸铁管,铸铁在水环境中很容易发生电化学腐蚀,在有氧环境中,铁转化成氢氧化亚铁并可能进一步转化成氢氧化铁,使管壁凹凸不平,更利于细菌附着,对微生物的生长有明显的促进作用^[18]。图2b中,氮元素的添加在一定程度上提高细菌的生长数量,A、B两点的管网水氮浓度分别增加7μg/L、3μg/L后,BRP达到基本稳定,但总体上低于添加足量碳元素的水样。B处水中细菌再生长所需的额外氮营养较少的主要原因可能是研究期间取样点B处水中的氨氮、硝酸盐含量均高于其他两点。图2c中,磷元素的添加对各取样点管网水中细菌生长的促进作用均高于碳、氮元素。A、B两点在外加磷浓度达到3μg/L,C点在外加磷浓度达到5μg/L时,BRP均达到了8×10⁶CFU/mL以上,数量趋于稳定,由此可以推测,磷元素对管网水细菌生长的促进效果高于碳、氮元素。

　　 图3为8个月内A、B、C 3处管网取样点BRP、BRP.C、BRP.N和BRP.P的测定结果。

　　 由图3可知,添加不同的营养元素对各取样点水的BRP均表现出一定的促进作用。研究期间,添加充足碳元素后BRP.C与空白对照BRP相比有了一定程度的提高。A、B、C 3个取样点的BRP.C平均为4.57×10⁶CFU/mL、5.71×10⁶CFU/mL和7.80×10⁶CFU/mL,平均增长率分别为84.5%、107.7%和190.5%。添加充足氮元素后的水样BRP.N相对于BRP提高较少,A、B、C取样点的BRP.N平均增长率为53.3%、63.3%和111.2%。3个取样点在添加磷元素后的BRP.P平均为1.14×10⁷CFU/mL、1.40×10⁷CFU/mL和1.58×10⁷CFU/mL,平均增长率分别达到了358.3%、405.3%和522.5%,相比添加碳元素和氮元素的增长率要明显提高。结合管网点水样水质结果分析,A、B、C 3点管网水中磷的含量较低,阻碍了细菌细胞内核酸、磷脂等重要物质的合成,当外加磷源充足时,细菌可得以大量繁殖。

　　 图4为添加不同种类的营养元素对管网点水样BRP增长率的影响。总体而言,细菌再生长潜力在冬季略低于春季和夏季,这可能是由于冬季管网中细菌的活性普遍较低,菌种相对较为单一,限制了细菌可生长繁殖。氮元素对细菌生长的最大促进效果均出现在7月,这可能是由于夏季管网中硝化细菌等对氮需求较高的细菌体活性较强,生长繁殖较快,在氮充足的情况下生长旺盛。此外,不同取样点各营养元素促进细菌生长的变化趋势不完全一致,说明各营养元素对管网水中细菌再生长的影响受到多种因素的综合影响;一方面,管网水在输送过程中细菌对营养物质不断消耗;另一方面,余氯的存在可能引起AOC增加,氯胺在管网中分解会引起氮的存在形式发生变化。而且,管网的水力条件、管壁结垢及生物膜的脱落也会增加管网中的营养物质等。

　　 国际上普遍认为^[19,20],为保证饮用水生物稳定性,不加氯时,管网中AOC含量应低于10μg Ac^--C/L;加氯时,AOC应低于100μgAc^--C/L。然而即使经水厂工艺处理后的水能够达到这一要求,由于其他类型有机物的存在,经过氯或氯胺消毒,AOC可能会再次出现上升^[21],在管网输送过程中维持在较高水平甚至继续增加,因此,对细菌而言,管网水中的碳元素含量较高,无法限制管网水细菌的再生长。另外,细菌可利用的氮元素有多种形式,氨氮、硝态氮、有机氮等都可能促进细菌生长,而研究地区管网所属的自来水厂采用氯胺消毒,也会使得管网水中的氮浓度出现上升,所以试验添加氮元素对BRP的提高有限。韩晓刚等^[22]研究表明,地表水源水厂采用的传统工艺对有机物的去除率不高,平均去除率为38.3%,而对总磷的去除效果较好,去除率为60%~90%。有深度处理条件的水厂,磷的含量可进一步降低^[23]。本试验中,出厂水和3处管网点水样的总磷含量均低于0.01mg/L,含量极低,且管网中磷元素不易侵入管路系统中,因此磷元素往往成为控制管网中细菌再生长的关键因素。

　　 在无机营养的添加中,除涉及氮、磷元素之外,还包括了硫、钾、钠、镁、铁等多种细菌必需的无机营养元素。图5对比分析了3个采样点添加磷与全部无机营养物质的BRP.P和BRP.I。研究期间A、B、C 3点的BRP.I平均值分别为1.94×10⁷CFU/mL、1.67×10⁷CFU/mL和2.00×10⁷CFU/mL,各点的BRP.P平均占到BRP.I的58.7%、81.6%和78.2%,表明在无机营养物质中,磷在促进细菌生长上占主导作用。本地区管网水中的磷浓度较低,测试期间管网水中总磷均低于0.01mg/L,添加细菌易于利用的溶解性正磷酸盐能够有效提高细菌的生长数量。综合研究结果可知,磷是本试验管网水细菌生长的主要限制因子。

　　 本文基于南方地区某服役给水管网不同取样点的水质分析,探讨碳、氮、磷3种营养元素对细菌再生长潜力(BRP)的影响,分析该管网水中细菌再生长的限制性营养元素:

　　 (1)随着管网水中碳、氮、磷浓度的增大,BRP逐渐升高,营养物质达到一定浓度后BRP趋于稳定。

　　 (2)外源添加充足不同的营养元素对各管网取样点水样的BRP均表现出一定的促进作用,A、B、C处水样在充足磷元素条件下,BRP平均增长率分别达到了358.3%、405.3%和522.5%,明显高于充足碳、氮营养元素的水样。

　　 (3)试验管网水在添加无机全营养物质后BRP.I比BRP有较大幅度的增加,A、B、C处水样的BRP.P分别平均占到BRP.I的58.7%、81.6%和78.2%。无机营养物质中,磷在促进细菌生长上占主导作用。磷是本试验管网水细菌生长的主要限制性营养元素。