给水管网不同供水区域管垢的特征分析

为缓解北方城市水资源短缺的困境，国家实施了南水北调特大型长距离跨流域调水工程，中线工程预计2014年汛后通水，届时受水区城市供水水源将会呈现出多样性、复杂性和不可预见性。管网内部管壁腐蚀产物层与所输送的水相之间的平衡容易遭到破坏从而导致腐蚀产物释放量增大，引发管网水质下降甚至出现管网“黄水”的现象，严重影响供水安全。不同水源的供水区域所形成的管垢特征不同，因此水源切换时发生“黄水”的风险也不相同。笔者拟通过考察不同供水区域的管垢特征，进一步了解“黄水”发生的影响因素。
1 试验方法
在北方某市选取3处管段采集管垢，对管段管壁腐蚀产物进行元素XRD定量分析及微生物群落分布解析。
1.1 X射线衍射分析(XRD)
利用XRD(D/max-rA型旋转阳极粉末X射线衍射仪)对管垢的微观结构和化学元素组成进行分析。
根据XRD谱图利用绝热法计算得到管垢中所含晶体物质的相对含量。
1.2 分子生态学分析
管垢表面微生物种群分布采用了分子生物学技术构建分子克隆文库，该方法可快速、准确地对管垢上的微生物群落结构进行初步解析，其方法是提取管垢表面样品的总DNA后，用特异性的16S rDNA引物进行PCR扩增，扩增产物能很容易地被克隆到合适的载体上，经转化后构建成16S rDNA分子克隆文库，随机选择克隆，进行其DNA序列测定，通过与数据库中的相关种群比较，可确定与该克隆最相近的菌株，用这种不依赖于培养的方法可以直接分析管垢表面的微生物（包括难培养微生物）的种群结构。
2 水源水质
2.1 管道样本来源
历史水源：管-H、管-Y、管-X分别取自北方某市地下水厂供水区域、地表水厂管网前端、地表水厂管网末梢。
管-H为原通地下水的区域，原水溶解氧、总含盐量相对较低。管-X和管-Y为原通地表水区域，溶解氧和总含盐量和电导率相对较高。
2.2 通水水质
管-H、管-Y、管-X原通水水质如表1所示。对表１数据进行分析可知，管-H历史水源中硫酸盐、氯化物等影响管网腐蚀的阴离子相对较少，且总碱度较高，因此，从历史水源水质指标上推测，相对于管-X和管-Y管垢，管-H管垢相对较少。


3 管垢分析
3.1 管垢形态及成分分析
铁质管道在与地表水和地下水长期接触过程中所形成的腐蚀管垢层的特性是不同的。根据前期研究结果，发生过黄水的管道无论是镀锌管还是铸铁管表面管垢层都相对较薄，有的局部有瘤状物；而没有发生黄水的镀锌管内壁的腐蚀层厚且坚硬，铸铁管内壁的腐蚀产物发达，瘤状物内部是疏松的铁氧化物，但在其表面都存在坚硬致密的管垢层。
管-Y、管-X和管-H管垢的表观形态如图1所示。


可以看出，管-Y和管-X管垢相对较为丰富，且多为瘤状垢或瘤状垢连生形成整体连续厚腐蚀层,平均厚度为10~20 mm；管-H管垢相对较少，且表面薄腐蚀垢层厚几毫米或者不足1 mm。该结果证实了根据历史水源水质对管垢形态做出的推测。
对3个典型区域的管段管垢进行成分分析，结果如表2所示。







① 管-Y管垢成分中主要是方解石、碱式碳酸铁、磁铁矿、针铁矿、菱铁矿、石英等，其中，外层垢中方解石、碱式碳酸铁、磁铁矿、针铁矿、菱铁矿相对较高，内层垢中磁铁矿、针铁矿相对较少。
② 管-X管垢成分中主要是石英、斜长石、磁铁矿、针铁矿、碱式碳酸铁，其中，外层垢和实心垢的磁铁矿占30%~40%，石英和斜长石比例相对较少；但是内层垢的石英和斜长石比例相对较多，磁铁矿、针铁矿、碱式碳酸铁比例相对较少。
③ 管-H管垢成分主要是绿锈、磁铁矿、石英，针铁矿等成分相对较少。
④ 对于3个区域的外层管垢，管-Y和管-X的Fe3+/Fe2+比值大于3，管-H的Fe3+/Fe2+比值小于2.1；对于内层垢来说，管-Y和管-X的Fe3+/Fe2+比值均小于2。
3.2 管垢分子生态学分析
对管-Y、管-X和管-H 3处管垢样品采取建立细菌克隆文库的方法对其微生物群落结构进行分析。3个样品OTUs（Operation Taxonomic Unit）数量、Shannon指数、Simpson指数、Dominance指数见表3。从Shannon和Simpson指数可以看出3个样品的微生物多样性都较高；从Dominance指数可以看出，在管-X样品和管-Y样品中，并没有占绝对优势地位的菌种，菌种在文库中的分布较为平均，而在管-H样品中，存在一定的优势菌种。



将每种基因型的序列输入RDP网站，利用Classifier程序确定其系统发育类群。结果表明，3处样品的微生物群落结构特征存在差异。3个文库覆盖了15个类群的细菌。管-X样品中Alphaproteobacteria（α-变形菌门）为最优势类群，占克隆文库的48.2%；管-H样品中放线菌门丰度最大，丰度达55.6%；管-Y样品相对前两个样品微生物各门类分布较均匀，最大类群为Betaproteobacteria（β-变形菌门），所占比例为31.5%。具体见图2。



3个文库中均出现的类群为Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Actinobacteria、Firmicutes；Bacteroidetes(拟杆菌门),在管-X和管-Y样品中都有发现。而管-H样品中没有检出；TM7仅出现在管-X样品中；管-H样品类群最多，且Acidobacteria、Planctomycetes、Gemmatimonadetes、Deinococcus-Thermus和Nitrospira都仅在管-H样品中有检出；Epsilonproteobacteria仅在管-Y样品中有发现。
管-Y和管-H样品中检测到与管网腐蚀产物释放相关微生物种类。管-Y样品中存在具有硫酸盐还原能力的菌株，如Desulfosporosinus sp.(4.3%)、Desulfovibrio sp.(7.6%)，这两种细菌分别属于厚壁菌门和δ-变形菌门。硫酸盐还原菌可引起钢铁细菌腐蚀（生物腐蚀）。硫酸盐还原菌腐蚀金属，腐蚀产物堆积，体积不断增大，在金属表面形成锈瘤，而腐蚀产物的内部，由于厌氧菌的继续作用，会使腐蚀进一步加重。此外，在管-H样品中也检测到了少量的铁氧化细菌－嘉利翁氏菌（Gallionella），嘉利翁氏菌是一种好氧化能自养菌，广泛分布在各种水环境中。它可以通过氧化溶解在水中的二价铁形成高铁氧化物沉积于菌体外鞘或周围粘液层中，在金属表面形成黄褐色的结瘤。结瘤内氧进入困难而导致氧浓差电池腐蚀。嘉利翁氏菌是引起输水管道腐蚀的常见菌种。
4 结论
① 地表水厂管网前端管-Y、地表水厂管网末梢管-X管垢相对较为丰富，且多为瘤状垢或瘤状垢连生形成整体连续厚腐蚀层；地下水厂管-H管垢相对较少，且表面薄腐蚀垢层厚几毫米或者不足1 mm。
② 3处管垢的成分有差异。管-Y管垢成分中主要是方解石、碱式碳酸铁、磁铁矿、针铁矿、菱铁矿、石英等；管-X管垢成分中主要是石英、斜长石、磁铁矿、针铁矿、碱式碳酸铁；管-H管垢成分中主要是绿锈、磁铁矿、石英，针铁矿等成分相对较少。
③ 对于3个地区的外层管垢，管-Y和管-X的Fe3+/Fe2+比值大于3，管-H的Fe3+/Fe2+比值小于2.1。
④ 3个样品的微生物多样性都较高。在管-X样品和管-Y样品中，并没有占绝对优势地位的菌种，菌种在文库中的分布较为平均，而在管-H样品中，存在一定的优势菌种。在管-Y和管-H样品中检测到与管网腐蚀产物释放相关的微生物种类。