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动态液压饮用水分配

摘 要

五周内，在分布系统的五个位置，通过在线测量总和细胞内三磷酸腺苷(ATP)，利用流式细胞仪(FCM)测量总和完整的细胞浓度，浊度和颗粒计数来研究饮用水配水系统水龄和水力条件波动对水质的空间和短期变化。大量的平行流式细胞仪和ATP测量显示了水龄和最终消毒对系统中微生物空间变化的联合作用。研究结果表明，在饮用水配水系统中，流速有规律的每日动态变化是正常和不可避免的，对颗粒数和浊度有显著影响。然而，水力条件对悬浮微生物细胞的浓度没有明显的影响。流速和ATP浓度之间的微弱相关性表明颗粒结合细菌的偶然再悬浮，可能是由于流速增加时生物膜剥离或沉积物再悬浮引起的。高度动态的水力条件突出了在线监测工具对饮用水分配系统短期动态(日尺度)有意义描述的价值。

关键词： 在线监测 流速 腺苷三磷酸盐 液压波动 微粒 浊度

1 引言

在配水过程中，由于停留时间增加和水力变化，饮用水水质会发生变化。饮用水分配系统是由不同直径的管道相互连接而成的复杂网络。一般来说，饮用水从处理厂通过大型运输总管(直径400至1000mm)流向具有较小分配管(直径40至300mm)的分配区域。在某些情况下，水库和泵站位于饮用水配水系统中间位置^[1-3]。水库、输水管、配水管的流量情况取决于管网配置、管径、需水量和用户的用水情况^[1,3,4]。用水量曲线导致了不同的流速和速度，最高流速通常在早晨和晚上，此时住宅区的用水量最高^[1,5]。在给定的流速下，小直径管道比大直径管道受到的流速和剪切应力大;由于网络布局的原因，小的分布管道，通常在网络的末端，接收的流量更低，并受到低流速甚至停滞期的影响。当深入系统^[3]时，需求模式、流量和剪切条件变化更大。

由系统配置和不同用水量引起的复杂水力条件对水质有直接影响。例如，浊度直接受到颗粒沉积和再悬浮的流速变化以及管壁剪切应力的影响^[4,6,7]。然而，不同流速对饮用水中微生物参数的影响还不太清楚。饮用水配水系统中的微生物群落位于不同的阶段:在水体中，附着在悬浮颗粒上，附着在松散的沉积物上，附着在生物膜上^[8-10]。这些阶段含有不同的微生物群落和不同的细菌丰度，最高的密度报告在松散的沉积物和沉积物^[9,11]。通过细菌与颗粒的附着和分离、沉积物再悬浮或生物膜剥离等方式相互作用^[12]。事实上，一些研究表明，流速增加会导致细菌剪切和从生物膜上剥离的增加^[13,14]。因此，可以推断，分配系统中间歇性地增加流速会影响细菌和颗粒相关细菌从沉积物和生物膜中分离和再悬浮，从而导致微生物水质的变化。抓斗采样是给水系统水质评价的常规方法。然而，这种劳动密集型的采样策略不足以充分捕捉水系统中的高频动力学^[15,16]。考虑到饮用水配水系统^[5]中水力变化的短时间尺度(日变化)，高时间分辨率的监测至关重要。颗粒和浊度在线监测工具已被广泛使用，而微生物在线监测的定量工具则相对较新。在线FCM已经应用于不同的水系统(例如，处理过的泉水或地下水^[15,16])的研究，但迄今为止尚未广泛应用于调查可操作的饮用水配水系统。因此，在波动的水力条件下，微生物水质的时空变化仍然缺乏特征。此外，由于分配基础设施(管径、管道材料、配水库等)的复杂性，需要对整个饮用水配水系统不同位置的水力和微生物动力学进行比较。这项研究的目的是调查大饮用水配水系统中由于水龄和水力波动而导致的水质的空间和短期时间变化。通过在线测量微生物参数，包括总和细胞内三磷酸腺苷(ATP)、总和完整的细胞浓度(基于流式细胞术)以及非生物参数(浑浊度、颗粒计数)，研究了时间和空间变化。这项研究的新颖之处在于在时间和空间尺度的系统中同时广泛地使用了两个最近出现的在线微生物传感器

2 材料和方法

2.1 研究地点

这项研究是在一个运行中的大型饮用水处理厂(Andijk，荷兰)和相应的饮用水配水系统中进行的。地表水在这个位置经过混凝、沉淀和砂过滤处理，然后进行高级氧化和活性炭过滤。二氧化氯在饮用水储存库前投加，导致储存库后游离氯残留在0.01-0.03 mg/L范围内。经过第一运输段后，游离氯浓度降至检测限(0.01 mg/L)以下，饮用水在不保留任何残留消毒剂的情况下进一步运输分配。从处理工厂到居民区，沿着水的轨迹选择了五个采样点(图1):处理厂饮用水库的出水(A)，位于第一个输送段(B)之后的泵站和水库的出水，两个输送管道(C和D)的出水点，以及来自的分配管道(E)的一个水龙头点。测量通过管道插入的小不锈钢管，使水从管道中部收集。图1提供了水管长度、管径和水在每个研究位置的平均停留时间的信息。

图2-1 输送干线和配水系统管道布置图

图2-1所示。所研究的饮用水配水系统中采样点的特征。(Top)输送干线和配水系统管道布置图，显示采样点位置(A-E)。(下)从采样点A到E的水轨迹上的平均水龄和管径的变化。

2.2 测量方案

在总共5周的研究期间，在线记录了所有地点的浊度和颗粒计数。此外，在每个研究地点连续放置ATP在线检测仪一周。使用两个在线流式细胞仪(fcm)在连续的两个位置进行一周的平行测量，然后沿着水的轨迹进一步移动，采样方案如表2-1所示。

表2-1 测量方案

表2-1 测量方案。将一台在线ATP分析仪(EZ-ATP)、两台在线流式细胞仪(FCM)、5台颗粒计数器、浊度仪和流量计连续放置在饮用水轨迹的5个位置，如图1所示。1 .由于实际问题，其他参数不能同时采集B、C位置的粒子计数和D位置的ATP。2由于仪器故障，没有收集D位置的粒子计数数据。

2.3 在线浊度、颗粒计数和流量测量

浊度测量在所有位置(sc200控制器,sc100控制器,Ultraturb sc,)的测量时间分辨率1分钟。本研究中使用的不同浊度仪有不同的基线，因此，所有仪器在同一水体上进行一周的平行测量，并对结果进行校正。在所有位置使用粒子计数器(WaterViewer, PAMAS)，每10分钟记录8个粒径范围的粒子数(1 - 2micro;m, 2到3micro;m, 3到5micro;m, 5到10micro;m, 10到15micro;m, 15到25micro;m, 25至35micro;m gt; 35micro;m)。由于仪器在测量期间出现故障，D位置的粒子计数数据没有显示。A和B位置的流量由电磁流量计(Magneto Flow Copa-X和Copa-XM, Fisher amp; Porter)测量。C和D位置的流量是根据处理厂的流量和相应分配区域的消耗曲线建立的。用便携式超声波流量计(UFP-20)测量E位置的流速，频率为每分钟6次。

2.4 在线FCM测量

对于在线流FCM，如前所述，使用连接到Accuri C6流式细胞仪(BD Accuri, San Jose CA, USA)的自动采样、染色和孵育模块从连续流动的旁路中对水进行采样。简而言之，每10分钟抽取一次水样，并混合荧光染色剂(SYBR Green I (Life Technologies, Eugene OR, USA);最终浓度1:10,000)。该混合物在37◦C下孵育10分钟，然后转移到流式细胞仪中，以66micro;L minminus;1的流速90 s，绿色荧光(FL1-H)通道的阈值较低，为1000。每次采样和测量周期结束后，用去离子水(0.22micro;m过滤)冲洗染色模块。此外，每100个样品后，使用次氯酸盐和洗涤剂进行广大的清洗周期。数据分析时，导出文件，使用定制软件进行批量处理。采用固定门技术从背景信号中分离细菌^[19]。

2.5 在线ATP测量

在线ATP分析使用EZ-ATP ATP分析仪(AppliTek)，使用EZ-ATP水- glo试剂(Promega)。简而言之，每隔13分钟从旁路直接取水，并直接测量细胞外ATP。然后对亚样本进行超声(120秒)并测量ATP总量。计算细胞内ATP作为两者的差值。根据仪器校准已知浓度的ATP溶液(EZ-ATP标准液，0和200 pg/mL)，将相对光单位(rlu)转换为ATP浓度。由于仪器误差，在B位置采集的264个数据点中没有考虑到4个数据点。

3 结果

水质的空间变化

3.1.1 流量和流动速度变化由于管网结构

饮用水配水系统配置对管道的水力条件有明显的影响。从处理厂到下游分配点(7plusmn;4 m3/h, E)的流量显著下降，因为处理厂产生的总水量通过不同的运输总管和分配区域扩散(图2)。因此，流速向下游分布位置下降(从A处的0.82plusmn;0.03 m/s下降到E处的0.10plusmn;0.06 m/s)，但大型运输干线(位置B和C)与下游位置(位置D和E)之间的流速下降比分配系统后半部分管径减小引起的流量下降(图1)要小得多。

图3-1四个位置的流速(左)和流速(右)的变化

处理废水(A)和水路运输(B-D)和分配(E)轨迹上四个位置的流速(左)和流速(右)的变化。框线图显示第一、第二(中值)和第三四分位数，髯线表示数据范围，圆表示离群值，十字(x)表示平均值。括号中显示了测量值的数量。

3.1.2 空间微生物动力学显示消毒和生长

在一到两周内，在每个位置进行的高频FCM和ATP测量显示，饮用水配水系统沿线出现了消毒和生长。在第一运输段（A-B）期间，FCM完整细胞平均浓度显著增长。这归因于处理厂投加的二氧化氯造成的膜损坏。从位置B到C、D和E逐渐增加（在位置E高达（7.0plusmn;1.3）times;104cells/mL）表明微生物在随后的运输和分配部分生长。基于双样本t检验(补充信息表S1)，两个连续位置之间的ICCs差异在所有研究区都是显著的。从B位置((5.5plusmn;0.8)times; 105个细胞/mL (n = 732))到D位置((3.6plusmn;0.4)times; 10⁵个细胞/mL (n = 885)，补充信息图S1)， FCM总细胞浓度(tcc)在水运输过程中逐渐降低。两个连续位置之间的tcc差异是显著的。沿着运输部分的TCC逐渐减少，表明由于二氧化氯的添加(a位置平均93%的受损细胞)，处理废水中测量到的死细胞有可能分解、沉降或附着在运输管道的生物膜上，并且确实如此。

图3-2 FCM完整细胞浓度范围(左）四个地点的细胞内ATP浓度(右)

图3-2 FCM完整细胞浓度范围(左;处理出水(A)和水运输(B-D)和分布(E)轨迹上的四个地点的细胞内ATP浓度(右)。框线图显示第一、第二(中值)和第三四分位数，髯线表示数据范围，圆表示离群值，十字(x)表示平均值。括号中显示了测量值的数量。对于ATP数据，高达700 ng/L的位置C(9个异常值)、D(18个异常值)和E(26个异常值)的异常值不符合标准。

有趣的是，ATP的测量结果显示出与FCM稍有不同的趋势，特别是在水处理和运输的早期阶段(图3)。在处理出水时，细胞内ATP浓度极低(0.6plusmn;1.1 ng/L)，与正常细胞浓度相似，细胞内ATP从B位置到E位置逐渐增加(达到21.4plusmn;35.0 ng/L)，可能是由于微生物的生长。总ATP浓度沿水的运动轨迹也呈上升趋势，从A位置的7.6plusmn;1.3 ng/L上升到E位置的35.5plusmn;52.6 ng/L(补充信息图S1)。细胞内ATP因此增加的比例从6.2plusmn;10.2% (n = 754)位置67.0plusmn;13.9% (n = 698)在位置E .连续两个位置之间的差异在总ATP和细胞内ATP是重要的,除了最后一个配水部分(D E)(表S1)。

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