冰浆清洗技术在实际供水管道中的应用与优化

工程（英文） ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (9) : 131 -140. DOI: 10.1016/j.eng.2023.09.016

研究论文

黄钰婧 ^a ,
陈志伟 ^b ,
何桂琳 ^c ,
邵煜 ^a ,
宋爽 ^d ,
董飞龙 ^d^,^* ,
张土乔 ^a

作者信息 +

Application of Ice Pigging in a Drinking Water Distribution System: Impacts on Pipes and Bulk Water Quality

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Received	Accepted	Published
2023-04-01	2023-09-07
Issue Date
2024-06-14

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摘要

冰浆清洗是一种新兴的饮用水输配管道清洗技术。然而，冰浆清洗对管网水质的潜在影响仍然存在大量争议。本文研究了我国某城市8组包含不同管材、管径的管网清洗过程中管网水理化参数、细菌群落和管道沉积物微观结构等的变化。结果表明针对复杂管网不同材质的管道，使用分段单独清洗方式可有效降低冰浆流失和水质恶化风险。冰浆清洗后，管道沉积物微观结构和元素组成分析表明冰浆几乎不会对长期使用的管道内壁造成破坏，且管网水中细菌丰度和多样性明显下降。更为重要的是，本研究将管道使用年限、温度、总铁和氯离子浓度与管网水中15种高丰度微生物建立相关关系，可通过相应指标推测管道清洗程度，指导实际冰浆清洗操作。

Abstract

Ice pigging is an emerging technique for pipe cleaning in drinking water distribution systems. However, substantial confusion and controversy exist on the potential impacts of ice pigging on bulk water quality. This study monitored the microstructural features and composition of sediments and microbial community structures in bulk water in eight multimaterial Chinese networks. Chloride concentration analysis demonstrated that separate cleaning of pipes with different materials in complex networks could mitigate the risk of losing ice pigs and degrading water quality. The microstructural and trace element characterization results showed that ice pigs would scarcely disturb the inner surfaces of long-used pipes. The bacterial richness and diversity of bulk water decreased significantly after ice pigging. Furthermore, correlations were established between pipe service age, temperature, and chloride and total iron concentrations, and the 15 most abundant taxa in bulk water, which could be used to guide practical ice pigging operations.

关键词

冰浆 / 管道清洗 / 饮用水分配系统 / 细菌群落 / 沉积物

Key words

Ice pigging / Pipe cleaning / Drinking water distribution system / Bacterial community / Sediments

Highlight

• Chloride and total iron concentration were introduced to reveal the discharge of ice pigs.

• No disturbance on passivated oxide surface was observed on metallic-based pipes.

• The bacterial richness and diversity of bulk water decreased after ice pigging.

• Correlations between physic-chemical parameters and abundant taxa were established.

• Long-term data of turbidity, residual chlorine and total iron ensure the role of ice pigging.

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黄钰婧,陈志伟,何桂琳,邵煜,宋爽,董飞龙,张土乔. 冰浆清洗技术在实际供水管道中的应用与优化[J]. 工程（英文）, 2024, 40(9): 131-140 DOI:10.1016/j.eng.2023.09.016

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1 引言

公众健康与饮用水安全密切相关[1]。当饮用水通过饮用水分配系统（DWDS）输送时，由于管道材料释放、生物膜脱落和松散沉积物再悬浮等原因，饮用水的质量通常会下降[2‒3]。此外，DWDS中的沉积物和微生物也是造成水变色、金属离子释放和细菌含量增加的原因[4‒6]。自来水公司通过清洁管道来去除DWDS中的沉积物和微生物，以实现持续、安全和可靠的供水[7]。

作为一种环境友好型管道清洁技术，冰浆清洗已被引入并应用于DWDS中[8]。在实际工程中，含盐冰浆作为可变的半固体清管器，从消火栓/空气阀或2 in（1 in = 2.54 cm）管件泵入供水管道，利用上游水流推动冰浆高速通过管道。随后，冰浆从下游的消火栓/管件或上游的空气阀被排出系统。图1（a）展示了材料和方法部分所述的冰浆清洗机制和程序。冰浆包含液态水、微小冰粒（直径小于1 mm）和抗冻抑制剂（冰浆清洗供水管道时通常使用氯化钠）[9]。

冰浆清洗有较高的清洗效率，因为冰浆在直管道中流动时呈现出类似“固体”活塞的形状，它能够提供比同流速的水高2~4个数量级的壁面剪切力[10]。冰浆不会在管道中堵塞，因为它能够通过典型的饮用水分配系统设备，包括弯头、三通管件、收缩管段、扩张管段、阀门和泵[11‒12]。此外，冰浆能够通过消火栓或空气阀直接排放到废水桶或者排水管道，不需要特制的收发装置[10]。冰浆清洗过程中从下游消火栓收集的出水样品的图片如图1（b）所示，出水颜色从原始的透明变成深棕色，然后又逐渐再次变回透明。在附录A中视频S1中也有类似的变化。

尽管如此，冰浆清洗的应用仍存在争议。目前的研究表明，通过冰浆可以从供水系统中清除大量沉积物[13‒15]。然而，关于冰浆是否会剥离金属管道的钝化氧化物表面的认识却很少。Ervin等[15]提供了冰浆清洗前后管道横截面的照片，报道称管道表面没有明显的视觉干扰。肉眼观察无法揭示潜在的机理。此外，冰浆对管网水中细菌群落的影响与饮用水安全密切相关，但鲜有报道。此外，由于阀门控制不当和冰浆排放不完全，流失的冰浆可能会通过管网进入用户水龙头，从而增加局部水质下降和用户投诉的风险[16]。关于冰浆清洗实际操作，包括水力条件和管网阀门的控制、防止冰浆在管道或用户水龙头中泄漏等方面的报道很少。因此，深入了解冰浆清洗在DWDS中的应用非常必要，这样才能设计出有效的清洁策略，同时解决人们关心的问题。

本研究的目标如下：①评估冰浆的排放程度，为优化冰浆清洗方案提供建议；②分析钝化氧化物表面是否会被冰浆破坏；③比较不同管网冰浆清洗前后管网水中的细菌群落结构；④确定管道使用年限、温度、氯离子和总铁浓度与管网水中15个最高丰度细菌之间的相关性，为冰浆清洗实际操作提供参考。

2 材料与方法

2.1 清洗管段

本研究中的八组管网位于中国东南方的某市，均由同一个水厂供水。这个水厂采用混凝、沉淀、过滤、臭氧、生物活性炭、消毒工艺。八组管网的特性如附录A中表S1所示，包括不同的管道材料、管道使用年限、管道直径、长度、弯曲和分支。

2.2 冰浆清洗的原理和过程

本研究采用5%氯化钠（NaCl）溶液制取冰浆。两组制冰机共同为八组管道清洗制取冰浆，其中一组制冰机使用一台额定功率为31.36 kW的发电机，可以在24 h内产生20 t冰浆。冰浆保存在一个容积为10 m³的316 L不锈钢罐中，并用2组搅拌器搅拌。另外一组制冰机使用一台额定功率为19.61 kW的发电机，可以在24 h内产生10 t冰浆。冰浆保存在一个容积为6 m³的316 L不锈钢罐中，并用1组搅拌器搅拌。在两组制冰机中都采用一氯二氟甲烷（CHClF₂）作为制冷剂。

采用咖啡压滤器（即网状压杆）分离冰浆样品的固相和液相，并通过固体（冰颗粒）的体积与固体和液体（冰浆）总体积之比计算冰体积分数。这种技术允许手动测量，并为冰管清洗的现场分析提供了便利的方法。

如图1（a）所示，在冰浆清洗的过程中首先将阀A和阀C关闭，将待清洗管道与其他管道隔离开来。同时，打开消火栓B和消火栓D，并且将消火栓D和一个废水桶进行连接。接着，高浓度冰浆（冰浓度约为60%）从消火栓B中被泵入待清洗管道，冰浆体积约占管道体积的四分之一。然后，打开阀A，利用上游水压推动冰浆向下游移动。随着冰浆到达下游消火栓D，冰浆和其携带的沉积物被排放到废水桶中，并在线监测出水水质。一旦出水浊度低于1浊度单位（NTU），关闭消火栓B和D。最终，打开阀C，恢复供水[16]。

2.3 八个管网实施冰浆清洗项目的时间安排

管径小于400 mm的管道在白天清洗，管径大于400 mm的管道在晚上清洗。管网12NCI400一共被清洗两次，第一次是2021年2月，第二次是2021年11月（两次清洗的具体差异详见附录A中第S1节）。其他七组管网都是第一次清洗，并且清洗时间都在2021年11月至2021年12月之间。

2.4 取样方法

冰浆注入待清洗管道之前，打开每组管道末端的消火栓，并将选定的消火栓与软管连接。打开消火栓15 min后，从软管获取5份“清洗前水样”，每份1 L。在冰浆清洗过程中，当出水浊度高于100 NTU时，从软管获取5份“清洗过程水样”，每份1 L。另外5份“清洗后水样”在冰浆清洗后从软管中获取，每份1 L。“清洗前水样”和“清洗后水样”的5份中，3份用于分析细菌群落结构，2份用于测试氯离子浓度、硫酸根离子浓度和微量元素。所有“清洗过程水样”在过滤、烘干并研磨到100目后得到沉积物样品。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线谱（EDS）和X射线衍射（XRD）分析沉积物样品。“清洗前水样”和“清洗后水样”的物理化学参数和微生物参数进行三次平行测量。样品在收集后立即送往实验室并保存在4 ℃直到使用。样品提取和“清洗前水样”“清洗后水样”的物理化学参数分析在样品收集的24 h内完成。

2.5 水质监测

每次冰浆清洗管道都在待清洗管道的末端连接软管，并用软管连接水质监测设备，全程可视化监测流量、流速、浊度、温度和悬浮固体浓度。清洗过程中的流速如附录A中表S2所示，清洗前和清洗后的出水浊度都小于1 NTU。在八组冰浆清洗项目中，当管道水温度范围为9.22~16.15 ℃时，从下游消火栓排放的冰浆温度为-6.87~-3.22 ℃。使用便携式多参数仪（HQ 40d, HACH，美国）测量pH值，在冰浆清洗前后收集的八组管网的管网水pH值范围为7.35~7.45。冰浆清洗前和冰浆清洗后从消火栓中获取的离散水样用于物理、化学、微生物分析。氯离子和硫酸根离子浓度采用离子色谱系统分析（ICS2000; Dionex，美国）。根据中国饮用水分析的标准方法（GB/T 5750.6-2006）分析收集水样中的微量元素，包括Fe、Cd、Ti、Ag、Be、Cu、Se、Pb、Ni、Sb、Mn、Mo、Zn、As、B和Ba。在“清洗前水样”和“清洗后水样”中加入1%（V/V）硝酸进行消化，然后采用电感耦合等离子体-质谱法（ICP-MS; NexIon 300Q, Perkin Elmer，美国）测试水样中微量元素浓度。冰浆携带的沉积物通过联用扫描电子显微镜和能谱仪进行了微观结构和元素组成分析。沉积物的晶相是通过X射线衍射（Ultima IV, JEOL，日本）确定的。X射线衍射采用Cu Kα辐射，在40 kV和100 mA下进行，2θ范围从5°到80°。在长期监测过程中，使用浊度计（2100Q, HACH）和游离氯检测试剂盒（DR300, HACH）分别测量浊度和余氯浓度。

2.6 细菌群落结构分析

水样（1 L）通过0.22 µm的硝酸纤维素滤膜（Kovmiye，中国）过滤。在DNA提取前，滤膜储存在黑暗和-80 ℃的条件下。后续分析由中国上海派森诺生物技术有限公司进行，使用通用引物338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）对16S核糖核酸（rRNA）的V3V4区进行聚合酶链反应（PCR）扩增。生物信息通过在线平台Personalbio Genescloud（http://www.genecloud.cn/home）基于Illumina测序平台进行分析[17]。PCR程序如下：95 ℃加热5 min，40个循环，每个循环95 ℃加热15 s，60 ℃加热30 s。结果以均值±标准误差的形式呈现。利用Origin Pro 2021软件（版本9.8.0.200，Origin Lab Inc.，美国）中的相关性图应用程序计算了细菌（属水平）与物理化学参数之间的相关性。

3 结果与讨论

3.1 冰浆清洗前后管网水中氯离子浓度和总铁离子浓度

如果在冰浆清洗时未谨慎控制管网的水力条件和阀门，可能导致携带各种物质的冰浆排放不完全，进而导致局部水质恶化。因为冰浆包含3%~5% NaCl，因此本研究利用冰浆清洗前、清洗后管网水中氯离子浓度的变化来指示冰浆是否从管道中完全排放。此外，管网水中氯离子浓度升高可能会产生不利影响，导致铁释放和水质污染[18‒19]。在图2（a）中，只有两组管网中出现氯离子浓度在冰浆清洗后急剧升高的情况，在11NCI200-150/PE110和11NCI50/PE110中分别升高了(9.15 ± 0.13) mg∙L^-1和(25.84 ± 0.04) mg∙L^-1。在这两个冰浆清洗项目中，冰浆先后通过小管径的铸铁和聚乙烯（PE）管道，可能导致管道中残留冰浆的风险增加，这可以归因于冰浆在通过不同管道材料时会表现出不同的流变行为、流动模式和融化速度[10,20‒21]。在这种情况下，冰浆在短时间、短距离内顺利排出存在困难。实际工程清洗小管径管道时，条件允许的情况下，建议将不同管材的管道分别单独清洗；当实际情况有限时，建议谨慎地控制管网阀门、增加上游清洗水量，防止冰浆残留。

图2（b）展示了冰浆清洗前、清洗后管网水中的总铁浓度。只有一组管网（11NCI200-150/PE110）的总铁浓度在冰浆清洗后明显升高（131.98 μg∙L^-1），这可能是因为这组管网中冰浆通过了管径小于200 mm的铸铁管道的7个转弯和2个分支，并且同时从3个消火栓中排放。八组管道中有四组小管径管道存在大量的转弯和分支（11NCI200-150/PE110、6PE110、11NCI150/PE110和12NCI150），但是只有11NCI200-150/PE110中的总铁浓度在冰浆清洗后出现了较大程度的升高。这是因为只有11NCI200-150/PE110中的冰浆同时从超过1个出口排放。通常情况下，很多物质黏附在小管径管道的转弯和分支中的内壁上。当冰浆通过转弯和分支时，冰浆提供的壁面剪切力可能导致铁释放[22]。此外，在实际项目中，由于冰浆在管道内流动时呈现出未知且复杂的现象，操作人员通常难以准确定位冰浆并同时从多个出口接收它们[23]。当冰浆经过多个分支时，将冰浆完全排放是非常重要的。如果冰浆同时从多个出口排放，如附录A中图S1（a）所示，携带着沉积物的“脏冰浆”可能会进入用户的水龙头、从而导致用户投诉。优化清洗路径是冰浆清洗成功的关键，当冰浆清洗分支时，建议每次只清洗一个分支、只从一个出口排放，如附录A中图S1（b）所示。在冰浆清洗管网后的两年监测期内，处理水和自来水中的总铁浓度保持稳定，如附录A中表S4所示。在长期使用过程中，总铁含量的暂时性增加不太可能使饮用水质量恶化。

3.2 冰浆清洗前后管网水中微量元素的分布和聚类分析

冰浆清洗前用来聚类分析的水样是在冰浆清洗前、消火栓打开15 min后，从选定的消火栓中获取的。在清洗前的采样过程中，微量元素被流动的管网水扰动，同时被释放到水中。冰浆清洗后，用于聚类的水样是出水浊度降至1 NTU以下后、从选定的消火栓获取的。在清洗后的采样过程中，一些微量元素被冰浆扰动并释放到水中。聚类分析被应用于确定在冰浆清洗期间哪些微量元素会集体释放回水中。

图2（c）和（d）分别展示了冰浆清洗前、冰浆清洗后八组管网水中微量元素的聚类分析结果。在清洗前，Fe被分成单独的一支，B和Ba被分到和Fe平行的一支，其他微量元素被分到与B和Ba平行的一支。在清洗后，B和Ba被聚类到一个分支中，该分支与As平行。包含B、Ba和As的类别位于与Fe平行的一个分支下方。其他微量元素被聚类到一个分支中，该分支与B、Ba和As平行。这种简单的聚类关系说明在八组管网中的沉积物吸附的重金属较少[24]。

在两年时间内（从八个冰浆清洗项目开始前一年半开始），对处理水和自来水中的B、Ba和As浓度进行了监测，结果见附录A中表S5至表S7。这些浓度分别保持在200.0 μg∙L^-1、10.0 μg∙L^-1和0.4 μg∙L^-1以下，远低于中国规定的限值（分别为500 μg∙L^-1、700 μg∙L^-1和10 μg∙L^-1）。然而，在冰浆清洗过程中，水垢、松散沉积物和生物膜中的B、Ba和As可能会在大量水和冰浆的干扰下释放出来[25]。因此，在八个管网中，冰浆清洗前后大量水中的B、Ba和As浓度[分别为(138.36 ± 75.97) μg∙L^-1、(66.23 ± 23.82) μg∙L^-1和(40.40 ± 35.92) μg∙L^-1]超过了长期监测中观察到的浓度。除了Fe、B、Ba和As外，大量水中的微量元素浓度均保持在10 μg∙L^-1以下。由于B、Ba和As的浓度较为接近，这些元素之间的相关性比其他元素更高。这些发现进一步证实，冰浆清洗可以有效去除长期积累在水垢、沉积物和生物膜中的微量元素。此外，冰浆清洗后的长期监测显示，这些元素在大量水中的浓度保持在痕量水平，表明冰浆清洗对水质没有长期的负面影响。

3.3 不同清洗管段中沉积物的微观结构和元素组成

附录A中图S2展示了冰浆从八组管网中去除的沉积物的微观结构。典型的沉积物微观结构可以分为两种，如附录A中图S3至图S11所示。第一种包括与薄片或球形晶体交织在一起的光滑矿物块，推测为水泥材料和含有金属元素（如Mg、Al和Ca）的砂砾[图S11（a-i）~（a-iv）]。第二种呈现无定形态，样品来自6PE110 [图S11（b-i）~（b-iv）]，这种无定形的微观结构和聚碳酸酯薄膜表面与去离子水接触250天后的微观形态很相似[26]，可以推测这些无定形物质可能是冰浆从塑料管道中剥离的微塑料。但是从11NCI200-150/PE110、11NCI150/PE110和15NCI400/PVC425三组管网中收集的沉积物中没有微塑料，这是因为塑料管道中的沉积层需要时间来变得稳定。在实际工程中，防止冰浆破坏新塑料管道内壁是很重要的。

附录A中的图S12至图S19和表S8展示了从八个管网收集的沉积物的EDS分析结果。从这些管网收集的沉积物中含有较高含量的Si、O、C和Mg，这些元素被认为是土壤和水泥中的主要成分[24]。某些样品中Al含量较高可能是由于水处理厂使用的化学混凝剂所致。通过冰浆从管道中排出的沉积物中还发现了多种微量金属，如Pt、Mn和Ba [27]。沉积过程中形成的沉积物和重金属可能会由于管道中水力条件的变化（如用水高峰、爆管或消防事件）重新释放到大量水中[28]。释放发生后，大量水可能会变成黄色或黑色[29]。管道内动态且复杂的沉积物为大量水中的污染物提供了庇护所[30]。因此，系统性地利用冰浆清洗技术控制沉积物可以保障饮用水安全。

图3和附录A中的表S9展示了冰浆从八组管网中去除的沉积物的晶体结构和含有的物质。石英（11NCI200-150/PE110中的硅）和白云母在八组管网中的样品中都有检出。石英可能来源于水厂的过滤用砂，或者是随着原水进入供水管网并在管壁沉积的颗粒物[31]。白云母是一种常用的建筑材料，可能来源于管壁的水泥砂浆涂层或者松散沉积物。据报道，管垢的典型组成成分包括羟基氧化铁（α-FeOOH）和磁赭石（γ-FeOOH）、磁铁矿（Fe₃O₄）、赤铁矿（Fe₂O₃）、氢氧化亚铁[Fe(OH)₂]、氢氧化铁[Fe(OH)₃]和菱铁矿（FeCO₃）[32]。冰浆从管道中去除的沉积物中没有包含上述物质，说明冰浆从金属管道中剥离钝化氧化层、暴露新金属并导致腐蚀的风险较低[32]。

3.4 冰浆清洗前后管网水中的细菌群落结构

图4（a）中列出了样品中相对丰度最高的前10个门，剩下的被归为“其他”。八组管网冰浆清洗前后的水样中，变形菌门占核心优势（45.22%~98.35%），其次是厚壁菌门（1.16%~23.94%），这和先前的报道是一致的[33‒34]。除了15NCI600的管道，其他的7组管网冰浆清洗前后，变形菌门和厚壁菌门的相对丰度总和都达到89.28%以上。而15NCI600冰浆清洗前和清洗后的变形菌门和厚壁菌门的相对丰度总和仅占64.22%和75.52%。这可能是因为管径对微生物群落的影响，在大管径的管道中，微生物的多样性会更高[35]。相对较高的多样性可能意味着一个新陈代谢多样化的群落，能够适应饮用水分配过程中的环境变化[36‒37]。15NCI600清洗前的Chao1值（1931.87）、Shannon值（7.26）和清洗后的Chao1值（2145.67）、Shannon值（6.74）大于其他所有样品，也验证了这一点（附录A中表S10）。

从纲水平来看[图4（b）]，所有样品中相对丰度最高的门是变形菌门，变形菌门按照以下的丰度顺序检测到：γ变形菌（5.42%~71.03%）、α变形菌（11.98%~76.73%）和δ变形菌（0~32.2.%）。厚壁菌门是所有样品中相对丰度第二高的，在纲水平上，厚壁菌门主要是Bacilli，其在12NCI400清洗前水样中相对丰度（47.08%）较高。Bacilli中包括很多可以产生内生孢子的细菌，内生孢子可以在苛刻的环境条件中长期存活，有助于细菌在贫营养环境中的再生和繁殖[38]。12NCI400在九个月前进行过一次冰浆清洗，可能是清洗改变了微生物的生存环境，Bacilli的特性使它能够在冰浆清洗后的环境中生存，冰浆清洗对管道微生物的长期影响仍需要进一步的研究。附录A中表S11至表S14显示了在门级和纲级，冰浆清洗前后从八组管网收集的水中十个最丰富的类群的绝对浓度。

从属水平上看[图5（a）]，假单胞菌（Pseudomonas）、井杆属（Phreatobacter）、火山岩菌属（Vulcaniibacterium）、贪铜菌属（Cupriaidus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、生丝微菌属（Hyphomicrobium）、叶绿体（Chloroplast）、类芽孢杆菌（Paenibacillus）等15个细菌属在八组管网冰浆清洗前后的水样中含量丰富。

从图5（b）中来看，Chao1指数的中位数从冰浆清洗前的914.57下降到冰浆清洗后的784.22，Shannon指数的中位数从冰浆清洗前的4.84下降到冰浆清洗后的3.81。这说明冰浆清洗可能是降低管道水中的微生物丰富度和多样性的有效技术。每组管道材料冰浆清洗前和清洗后的水样中各自特有的前50个属的韦恩图[图5（c）]显示，除了6PE110，其他管道冰浆清洗前后的共同属数量都大于总数量的50%。八组管网在清洗前或清洗后相对丰度大于1%的所有属中，95%的属在清洗前后都出现，冰浆清洗仅改变其相对丰度（附录A中表S15）。因此可以推断，大部分冰浆清洗前后种类发生变化的属的相对丰度都低于1%。八组管网在清洗前后的高相对丰度属的相似性表明，冰浆清洗从管道内壁刮除保护性生物膜导致管壁材料暴露的可能性很小，引起局部水质恶化的风险较小。根据清洁前后的细菌群落结构，源自生物膜的散装水中的主要物种（至少一个管网中的相对丰度大于5%）是Vulcanibacterium、Cupriavidus、Hyphomicrobium、Anoxybacillus和Paenibacillus（附录A中图S20）。

3.5 冰浆清洗前后管道水中细菌群落与物理化学参数的相关性

图6展示了6个参数（使用年限、温度、电导率、Cl^-浓度、SO

4 2 -

浓度、总铁浓度）与冰浆清洗前后管道水中相对丰度前15个属的相关性。从图6可见，相对丰度高的细菌群落与不同的参数有不同的相关性。电导率、SO

4 2 -

浓度与冰浆清洗前后管道水中相对丰度前15个属的相关性基本较弱（相关系数的绝对值小于0.30和0.37）。另外四个参数（使用年限、温度、Cl^-浓度、总铁浓度）与冰浆清洗前后管道水中相对丰度前15个属的相关性较强。

Cl^-浓度与火山岩菌属（相关系数= 0.64）、贪铜菌属（相关系数= 0.58）、水小杆菌属（相关系数= 0.80）有较强的相关性。管网水中这三种属的相对丰度在4.53%~46.67%范围。此外，使用年限、温度和总铁浓度这三个参数与类芽孢杆菌（相关系数= 0.45、-0.42、-0.48）、叶绿体（相关系数= 0.41、-0.49、-0.48）、乳酸杆菌（相关系数= 0.32、-0.48、-0.55）、红球菌（相关系数= 0.41、-0.50、-0.59）、Obscuribacterales（相关系数= 0.44、-0.65、-0.67）、代夫特菌（相关系数= 0.43、-0.41、-0.50）这六个属的相关性较强。这六个属在8组管道冰浆清洗前后的最大相对丰度在2.70%~16.65%范围内。这六个属的相对丰度均与使用年限呈正相关，与温度、总铁浓度呈负相关，并且相关性的大小基本上遵循总铁浓度＞温度＞使用年限的规律。在操作中，测量总铁浓度需要ICP-MS，成本较高，需要从实际工程中取样；测量温度成本较低，需要从实际工程中取样；获取使用年限数据只需要查询资料。从获取数据的难度和成本的方面来看，总铁浓度＞温度＞使用年限。在实际工程中，可以根据实际情况获取总铁浓度、温度、使用年限中的其中一个参数，来预测管道水中某个细菌属的相对丰度，并指导冰浆清洗的操作[39]。

3.6 冰浆清洗后对浊度、余氯和总铁浓度的长期监测

图7（a）和（b）分别展示了冰浆清洗前后对浊度、余氯持续4个月的长期监测数据（2021年10月至2022年1月）。附录A的图S21提供了从八个管网供应的水龙头收集的散装水中冰浆清洗前一年的余氯的第四个月监测数据（2020年10月至2021年1月）。浊度先降低后保持平稳的趋势表明浊度和相关的水变色风险，在冰浆清洗后的很长一段时间内降低。升高的余氯浓度表明，八组管网水中的细菌总数清洗后降低了[40]。2020年10月至2021年1月，未进行冰浆清洗的八组管网的余氯浓度保持相对稳定，这排除了氯在较低温度下衰减较慢的情况[41]。附录A中表S4显示的长达两年的总铁浓度监测（2020年1月至2022年12月）贯穿冰浆清洗前和冰浆清洗后的时期，总铁浓度只有在清洗后短暂地升高，接着长时间保持平稳的低浓度，不会导致水质恶化。

4 影响和结论

本文基于实际管道全面研究了冰浆清洗对供水管道内壁氧化层和管道水中细菌群落的影响。首先，在有多个转弯和分支的小管径管网中，应该避免同时从几个出口排放冰浆，以减少冰浆丢失和铁释放的风险。其次，在所有管网中，没有观察到冰浆对管道内壁钝化氧化层表面的扰动。再次，冰浆很大程度地降低了管道水中的细菌丰富度和多样性。最后，本文建立了使用年限、温度、总铁浓度、氯离子浓度与管道水中15种丰度最高的微生物的相关关系，为实际管道清洗操作提供建议。

本研究能够帮助冰浆操作者调整清洗的独立参数，降低水质恶化和后续客户投诉的风险。此外，冰浆清洗对DWDS中水质的长期影响仍需进一步研究。相关数据将帮助自来水公司根据水体质量变化选择合适的维护间隔，并在资本投资（如水质处理改进和管道更新）与运营支出（如管网维护频率决策）之间保持平衡。总之，系统化地将冰浆清洗应用于管网管理，能够保障饮用水安全和保护公众健康。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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