建筑给水管路的管龄对自来水水质的影响

图文摘要

成果简介

近日，中国科学院生态环境研究中心俞文正课题组在Water Research上发表了题为“Understanding point-of-use tap water quality: From instrument measurement to intelligent analysis using sample filtration”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2022.119205)，在我国某一线城市的8个不同区域对家庭终端自来水进行采样研究，揭示了建筑给水管路老化程度对自来水水质的影响，开发了基于图像识别的滤膜分析技术，有望为及时了解管路老化程度提供简便易行的方法。

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在大多数情况下，家庭终端自来水由于其采样点分散及昂贵的分析检测费用，水质不能得到常规检测。研究表明，合格的自来水厂出水在输配过程中均会受到不同程度的污染，特别是建筑物中老化的管道对水质的影响仍不明确，这使得自来水公司难以对其进行定期检修和维护。本研究对我国某一线城市8个区的自来水样本进行了取样分析，评估了管道老化程度对家庭自来水水质的潜在影响；分析结果表明管龄对自来水中细菌多样性影响显著，细菌群落结构特征主要取决于原水来源。总体上，建筑物中管道的老化会导致家庭终端自来水水质降低，表现为浊度等指标的升高。此外，识别了自来水的物化参数与细菌丰度关联性。本研究还开发了一种基于过滤膜图像分析的智能分析方法，该方法有助于了解管龄和基础水质参数（如有机物浓度和硬度），有望通过收集更多样本数据来进一步提高预测的准确性。我们期望更加成熟的智能识别模式能为相关部门提供一种成本可控的方法来精准定位需要更换或维护的建筑物给水管道。

引言

家庭终端的自来水水质难以进行有效、及时的监测，导致居民饮水可能受到潜在的威胁。已有大量的研究表明合格优质的自来水从自来水厂生产后，在城市管网的输配阶段其物化、生化方面的特性会发生明显变化，并影响水质特性。然而，有关建筑物内部给水管路的老化对家庭终端自来水水质的潜在影响仍有待进一步研究。在本研究中，我们采集了我国某一线城市8个不同区域的自来水，基于给水管路老化程度对家庭终端自来水水质变化特性进行解析，并尝试开发了一种基于过滤膜的智能识别技术，有望为公众提供快速获取自来水质量初步信息的方法。

图文导读

本研究从8个不同的区域中的21栋建筑物内采集了家庭终端的自来水样品，为了避免建筑物内水箱的潜在二次污染，所有自来水样品均采集于5层以下的用水点。为了研究给水管路老化程度对自来水水质的影响，以15年为划分界限按照建筑物的建造年份将样品的采集点分为两组，其中小于等15年管龄的样品记为第一组，大于15年的划分为第二组，如图1所示。

图1. 建筑内给水管路及家庭终端自来水样品采集示意图

图2a所示为家庭自来水的微生物群落结构在门水平上的分布，可以看出，变形菌门在所有采集的自来水样品中占比最高，处于63%~97%的比例区间。相比原水为地下水的自来水样品，来源于地表水的自来水中变形菌门所占比例明显较高（水源资料详见本文补充材料中表1）；在变形菌门中Gammaproteobacteria的占比最大（图2b），为变形菌门中的主要菌属。就放线菌门而言，在来源于地下水的自来水中的比例显著高于来源于地表水的自来水。图2c所示为过滤了10 L自来水样品的滤膜，相比空白对照组滤膜（图2c，左上），不同自来水过滤后滤膜的微观形貌存在显著差异，这为后续的图像识别及建模提供了可能，将在后续结果中详细阐述。

图2. 家庭终端自来水微生物多样性（a）细菌群落结构、（b）变形菌门分类；（c）滤膜电镜观测图

图3所示为管龄对终端自来水微生物群落结构的影响，基于Bray-Curtis差异分析，发现自来水中细菌的群落结构主要是由水源决定的（与管龄的关系不大），具体表现为HD1-3、CY1-2等水源水均为地表水（图3a绿色域范围），具体差异如图3d所示。在图3b中，管道年龄>15年的自来水样本中OTU的统计数量为1469，远大于管道年龄≤15年的建筑物674；将OTU与管龄进行相关性分析（图3c），发现二者存在着显著的相关性，即管龄越大的自来水样品的OTU值越高，表明老化的管道内潜在的微生物可能越大。

图3. 管龄对终端自来水微生物群落结构的影响（a）NMDS分析；（b）OTUs分析；（c）管龄与微生物多样性的关系；（d）不同原水来源的家庭自来水中的微生物群落结构差异

图4所示为不同区域的自来水物化指标，其中蓝色背景所示为来源于地下水的自来水样品。可以发现，来源于地下水的家庭自来水浊度、Zeta电位明显较低，但其电导率几乎数倍高于来源于地表水的自来水样品；通过ICP-OES分析发现地下水水源的自来水中钙、镁、钠、钾离子的浓度明显较高，长期饮用高钠含量的自来水可能不利于人体健康。从消毒副产物（SUVA值）的角度出发，使用地下水作为水源加氯消毒后消毒副产物可能更少。

图4. 不同区域家庭自来水的物化水质参数

对家庭自来水的常规金属离子（铝、铁、钙、镁、铜、锰、钾、钠）进行检测，占比较高的前4位依次为钙、钠、镁、钾。值得注意的是，地下水源的自来水（图5c，SJS1和图5d，TZ1）中生物大分子（分子量处于10 ~100 kDa范围）显著高于地表水源的自来水，例如：HD1、DX1等；此外两种来源的自来水有机物分子量分布存在显著差异。如图5e所示，三维荧光的分析结果表明地表水源自来水的溶解性有机物明显高于地下水源的自来水（图5f）。

图5. （a）地表水源自来水和（b）地下水源自来水中金属含量分布特性；溶解性有机物表征：（c）和（d）分子量分布；（e）和（f）三维荧光

将管龄与水质指标（浊度、有机物含量及Zeta）电位进行相关性分析，如图6所示。结果表明，管龄与浊度及Zeta电位的关系具有显著性，管龄的增加会导致自来水中颗粒物（以浊度指标反应）的增加，这一结果为后续基于滤膜图像的分析方法的建立提供重要的理论基础。

图6. 管龄对家庭自来水水质的影响（a）浊度；（b）有机物，以总有机碳表示；（c）Zeta电位，及（d）钙镁离子浓度共线性分析

将过滤10 L自来水的滤膜进行拍摄并随机提取滤膜的RGB值作为解释向量用于模型构建，分别以管龄、TOC值、钙离子浓度和镁离子浓度建立模型（如图7a所示），结果表明该方法可对管龄及有机物（图7b）进行较好的预测，对钙、镁离子含量（图7c）的预测准确度较低。根据拍照得到图像（补充材料，图S7）结果可以看出，铁离子的作用主要为显色剂，自来水中颗粒物和有机物含量的增加会导致铁的着色加深，示意图详见本文的补充文件中图S8。

图7. （a）基于图像识别的管龄及水质预测技术；（b）管龄和有机物及（c）钙、镁离子浓度的预测结果

小结

该工作聚焦于建筑内给水管道管龄对家庭自来水水质的影响，老旧的给水管道会降低自来水水质，自来水中微生物的多样性、浊度等指标随管龄的增加而显著增加，开发的基于滤膜的图像识别方法有望能够用于管龄及基础水质信息的快速获取，并在未来更多数据的获取后进一步提升预测的准确性。

备注：

Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright ? 2022 Elsevier Ltd.

参考文献：

Zhaoyang Su, Ting Liu, Yujie Men, Shuo Li, Nigel Graham, Wenzheng Yu*. Understanding point-of-use tap water quality: From instrument measurement to intelligent analysis using sample filtration, Water Research, 2022, 225, 119205.