预氯化对原水管道含氮污染物转化及微生物群落结构的影响（三）

2.3 DON分子量及亲疏水性变化

选取出水DON浓度相对稳定的预氯原水影响4.5 h水样进行分子量分布及亲疏水性测定，结果如图6所示。化对含氮化及试验原水以小分子DON为主，管道构分子量<1、污染物转微生物群1～3、落结3～5、预氯原水影响5～10、化对含氮化及>10 k Da所占比例分别为63.2%、管道构5.2%、污染物转微生物群2.3%、落结7.1%和22.2%。预氯原水影响空白试验组DON分子量变化较小，化对含氮化及加氯后，管道构DON中分子量<1 k Da的污染物转微生物群比例逐渐上升，分子量>10 k Da的落结比例逐渐下降。当加氯量为3 mg/L时，出水DON中分子量<1、1～3、3～5、5～10、>10 k Da所占比例分别为77.5%、8%、2.7%、7.2%和4.6%。这表明随着加氯量的增加，水体中的大分子有机物与氯反应转化为小分子有机物。DON亲疏水性变化如图6所示，加氯后明显增加了DON中亲水性组分的比例，与空白试验组相比，当加氯量为3 mg/L时，亲水性DON比例由69.8%增加至88.2%。疏水性有机物通常含有大量的芳香族结构，而亲水性组分通常含有更多的脂肪族结构，如氨基酸和多糖。Beggs等对加氯消毒后有机物荧光光谱的研究结果表明，氯能与水中部分有机物发生反应，将大分子芳香族有机物转化成了小分子亲水性有机物。综上所述，加氯后能够将水体中DON转化为分子量更小，亲水性更强的有机物。

2.4 微生物群落结构变化

在不同加氯量下，选取反应4.5 h后的管壁生物膜样品进行16S r RNA测序分析。采用Uclust软件将DNA系列进行聚类分析，以97%相似水平为标准划分可操作性分类单元(OTU)，结果如表2所示。空白试验组的生物膜样品中得到268个OTU，当加氯量小于1.5 mg/L时，OTU指数较空白组大;当加氯量大于2 mg/L时，OTU指数明显降低。通过对样品Shannon指数分析可知，随着加氯量的增加，Shannon指数先上升后下降，由此可见，与投加高浓度氯(>1.5 mg/L)相比，投加较低浓度氯(0.5～1.0mg/L)更有利于提高管道生物膜中微生物多样性。与未投加氯相比，较低的加氯量同样表现为较高的微生物多样性，这与Mi等[10]研究供水管网中消毒剂对生物膜中微生物种群结构影响的结果一致。

为准确反应不同加氯量条件下微生物群落结构，对微生物在门和属水平上的群落结构组成进行分析，结果如图7所示。生物膜中优势菌门主要包括变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、浮霉菌门(Planctomycete)、酸杆菌门(Acidobacteri)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、绿弯菌门(Chloroflexi)及部分未鉴定菌门。

由图7可知，随着加氯量的增加，微生物群落中变形菌门的数量明显降低，当加氯量为3 mg/L时，变形菌门占比由65.2%下降至30.1%。变形菌门通常是化能异养和自养微生物，常见于贫营养环境中，其中α-变形菌能够将大分子有机物降解为亲水性小分子氨基酸及单糖等。因此，变形菌在原水输送过程中，对于水体中有机物的降解及DON的释放起到重要作用。厚壁菌门的占比随着加氯量的增加而增大，当加氯量为3 mg/L时，厚壁菌门占比由20.1%上升至49.4%。厚壁菌门细菌均为革兰氏阳性菌，细胞壁中的肽聚糖结构使其具有较强的抗冲击能力，因此，当加氯量增加后，非耐氯菌大量失活死亡，厚壁菌门细菌逐渐成为优势菌并大量繁殖。随着加氯量的增加，硝化螺旋菌门的占比逐渐降低，由最初的5.5%左右下降至0.5%以下。硝化螺旋菌是硝化反应过程中的重要细菌，能够将NH4+-N和亚硝酸盐转化硝酸盐，研究表明，硝化螺旋菌稳定存在于原水输送管道中促进硝化反应。这也解释了当加氯量增加后，反应装置内硝化反应过程明显削弱的现象。其他各类菌门占比基本维持在5%以内，并稳定存在于生物膜中。

通过对微生物属水平群落结构分析可知(图8)，生物膜中主要含有鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、食酸菌属(Acidovorax)、硝化螺旋菌属(Nitrospira)、不动杆菌属(Acinetobacter)等。其中，鞘脂单胞菌属占比随着加氯量的增加不断降低，当加氯量为3 mg/L时，鞘脂单胞菌属比由28.6%下降至12.2%。鞘脂单胞菌属能够产生大量EPS(胞外聚合物)，是生物膜形成过程中的重要微生物[13]。由此推断，较高浓度的加氯量可能会加快生物膜的脱落，不利于生物膜生长。此外，假单胞菌属、食酸菌属、不动杆菌属等占比逐渐上升，这些菌属在耐氯菌属研究中具有相关报道。

3 结论

(1)当加氯量在1.5 mg/L以下时，模拟装置中硝化反应正常，且随着加氯量的增加NH⁴⁺-N转化率升高。随着加氯量的进一步增加，硝化反应明显停滞，NH⁴⁺-N转化率显著降低，而NO^2--N由于HOCl的氧化作用仍保持较高的转化率。这表明低浓度的预氯化过程能够促进原水管道内的硝化反应过程，而较高浓度氯(>1.5 mg/L)则会使硝化过程受抑制。

(2)预氯化后水体中DON浓度明显增加，且随着加氯量的增加而升高，主要是由于微生物被消毒剂氧化后细胞溶出物增加以及高氯浓度下管道内壁生物膜失活脱落引起。此外，预氯化后水体中亲水性小分子DON比例明显增加。

(3)投加较低浓度氯(0.5～1.0 mg/L)在一定程度上会促进微生物多样性升高，而较高浓度的氯(>1.5 mg/L)则会大大削减物种多样性。预氯化后，生物膜中变形菌门占比逐渐降低，厚壁菌门则逐渐成为优势菌，占比逐渐上升。硝化螺旋菌门在高浓度氯条件下占比明显降低，这与装置中硝化反应规律相似。在属水平上，鞘脂单胞菌是生物膜中的重要菌属，其占比随着加氯量的增加而降低，而假单胞菌属、食酸菌属、不动杆菌属等耐氯菌属占比则逐渐上升。

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