随着我国经济的发展,人们节水意识的薄弱、水资源时空分布不均及城市水资源严重污染,导致我国部分地区缺水现象较为严重,极大限制部分地区工农业的发展,长距离输水已成为解决地区水资源短缺、时空分布不均和供需矛盾的一项有效措施,并在国内外得到了广泛应用。目前,国内外对长距离输水工程的研究主要集中在工程的选址和选材、管线走向以及输水工程水力安全性分析等方面,而对输水过程水质的变化、管道生物膜微生物生态学以及管道生物膜对水质影响的研究甚少。本课题对三个大型长距离原水输水管道运行工况进行调研,监测一年的水源水在管道输送过程的水质变化规律。结果表明,西江输水管线最长、管径最粗,东江输水管线最短;东江水源水氨氮浓度较高、溶解氧浓度较低;三个管道原水输送过程中异养菌(HPC)沿程先升高后降低、大肠菌群数量降低;氨氮、有机物和溶解氧浓度均有所降低,表明原水输水管道具有净水作用。通过对实际输水管道与模拟管道系统水利参数计算及沿程水质变化规律比较分析发现,八台Biofilm annual reactors(BAR)串联构成的模拟系统能够模拟管道运行状况,特别是第八台BAR模拟器水流状态与实际输水管道最为接近;以氨氮浓度的变化为检测指标,北江模拟系统进入稳定期需要210天,西江和东江需要180天,此时硝化作用最强,氨氮去除量分别为0.31mg/L、0.25mg/L和0.84 mg/L。借助西江模拟系统沿程氨氮浓度随停留时间的变化,建立管道内生物去除氨氮动力学模型,用来预测长距离输水管道内氨氮浓度沿程变化。采用454-高通量测序技术对实际输水管道沿程生物膜微生物群落结构进行分析。结果表明,原水水质和停留时间对管道生物膜微生物群落结构影响较大,三个输水管道具有共同的微生物变形杆菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteriodetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和硝化螺菌门(Nitrospirae),其中变形杆菌门(Proteobacteria)为主要的优势菌门;不动杆菌属(Acinetobacter)、肠杆菌属(Enterobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)和硝化螺菌属(Nitrospira)以不同丰度存在于生物膜样品中,其中假单胞菌属(Pseudomonas)为主要的优势菌属;原水氨氮浓度越高,硝化螺菌属(Nitrospira)丰度越高。考察不同浓度的溶解氧和氧化剂对管壁生物膜净水效果的影响,发现提高溶解氧浓度能够提高氨氮的去除效果,当溶解氧浓度由0.8 mg/L上升到4.9 mg/L时,氨氮去除量由0.08 mg/L上升到0.53 mg/L,但溶解氧浓度由4.9 mg/L上升到7.1mg/L时,氨氮去除量由0.53 mg/L上升到0.59 mg/L;当溶解氧从0.8 mg/L升高到7.1 mg/L时,总铁溶出量由0.96 mg/L下降到0.39 mg/L。通过454-高通量测序技术对不同浓度溶解氧条件下生物膜微生物群落结构进行分析,发现溶解氧浓度越高,硝化细菌数量增加,硝化螺旋菌科(Nitrospiraceae)相对丰度由0.08%上升到7.83%,亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)的相对丰度由0.25%上升到6.62%;当管道内氧化剂(ClO2)浓度由0 mg/L升高到2 mg/L时,氨氮去除量呈现小幅度增加,由0.57 mg/L上升到0.68 mg/L,当氧化剂(ClO2)的浓度继续增加时,氨氮去除效果明显下降,当氧化剂(ClO2)的浓度超过4 mg/L后,氨氮浓度几乎不变;由此证实,低浓度的氧化剂(ClO2)并不影响生物膜净水效果。为了探讨输水管道生物膜是否是导致水质恶化、原水生物安全性降低的直接原因,本课题对实际管道硝化螺菌门(Nitrospirae)的丰度与水体氨氮浓度相关性、同一取样点生物膜微生物HPC和大肠菌群数量及水体中HPC和大肠菌群数量进行分析和比较,结果发现,生物膜中硝化螺菌门(Nitrospirae)丰度与水中的氨氮浓度呈现正相关,相关性较高,生物膜中的微生物数量并不影响对应取样点水中微生物的数量,由此证实,生物膜的存在和出现并不是导致水质恶化、生物安全性降低的主要原因。