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长期运行的原水输水管道内附着微生物的生物作用会对原水水质产生显著影响，长距离输水过程中水质安全保障问题是一个全新的研究领域。本研究选取国内具有代表性的长距离原水输水管道，采用现场试验和实际管道监控的研究方法，系统地研究了原水输水管道内生物膜的形成过程、微生物种群特性和除污染效能，考察了氯、流速和溶解氧等工程可控因素对管道生物净水效能的影响，分析和建立了输水管道硝化作用控制方法，对多条实际长距离管道的生物净水效能和微生物种群特性进行了评价，为今后的长距离输水过程的水质安全保障技术提供了有价值的参考。 采用模拟管道系统对不同流速和进水NH4+-N浓度条件下的管道生物膜形成过程及净水效能变化规律的研究结果表明，模拟管道系统运行35 d后生物膜即可达到稳定状态。在运行初期，提高NH4+-N浓度和降低流速有利于生物膜中异养菌和氨氮氧化菌的生长，可提高NH4+-N、NO2--N、CODMn和TP去除效果。生物膜生长稳定后，较高流速更有利于生物膜中异养菌和氨氧化菌的生长，可进一步改善污染物去除效果，NH4+-N、NO2--N、CODMn和TP去除率分别达到87.2％、87.6％、11.3％和36.4％，污染物的去除主要靠管道生物膜中微生物的氧化降解及硝化作用。 对生物膜净水效果影响因素的试验研究结果表明，投氯、原水DO浓度和流速改变均可对生物膜净水效果造成显著影响。投氯可显著降低生物膜的活性，增加投氯量和延长投加时间可有效提高生物膜中异养菌和氨氧化菌的灭活率;停止投氯后异养菌和氨氧化菌数量分别需要72 h和144 h才能恢复，NH4+-N、NO2--N、CODMn和TP去除率需要192～240 h才能全部恢复。增大原水流速可造成生物膜的脱落，短时间内会显著影响管道生物膜净水效果，但可促进生物膜更新和生长，使生物膜除污染效果得到改善;增大原水流速2h后，出水浊度、NH4+-N、NO2--N和TP浓度都大幅增加，增大流速24 h后生物膜净水效果才恢复至初始状态。当管道中原水DO浓度低于0.2 mg·L-1时，会出现铁、锰释放及NH4+-N浓度上升的现象，锰、铁和NH4+-N浓度分别由原水的0.996、0.041和4.61 mg·L-1升高到2.844、1.53和6.40mg·L-1;提高进水DO浓度可强化生物膜净水效能，当原水DO浓度提高至8 mg·L-1时，模拟管道系统中NH4+-N、NO2--N和铁的去除率分别达到91.1％、97.2％和89.7％。 氧化剂对模拟管道系统硝化作用控制的研究结果显示，0.6 mg L-1的氯与氯胺联合不能有效控制硝化作用，而等浓度亚氯酸盐或二氧化氯与氯胺能有效控制硝化作用。基于硝化过程动力学理论建立了以NH4+-N或DO为限制性因素的硝化作用模型，可有效预测实际管道的出水NH4+-N浓度。对3条实际输水管道中硝化作用受限因素的评价结果表明，A江和C江输水管道水质是NH4+-N受限型硝化作用，B江输水管道水质是DO受限型硝化作用。硝化作用模型为长距离输水管道的硝化作用提供了有效的预测和控制方法。 对广东某市3条实际原水输水管道的水质研究结果表明，长距离输水管道具有较明显的净水效能，但净水效果受原水DO、水力停留时间、淡水贝类和水温等因素影响。对于原水水质为贫营养-好氧状态的A江和C江输水管道，水力停留时间至少达到2.79 h后NH4+-N和NO2--N才有去除效果，且水力停留时间越长，其去除效果越好，但TOC和TP几乎没有去除效果。对于原水水质为富营养-缺氧或厌氧状态的B江输水管道，NH4+-N几乎没有去除效果，而TOC和TP去除效果则较好。在实际原水输水管道中投加氯可提高DO浓度，pH值降幅减小，NH4+-N去除效果明显改善，但会造成管壁生物膜脱落，导致TOC和TP浓度上升。在实际原水输水管道中原水DO浓度和投氯量是最可行的调控参数。 采用454高通量测序技术，结合传统显微镜及扫描电镜对模拟管道系统和实际原水输水管道的生物膜种群及微型生物组成的检测结果表明，其中的生物膜中细菌群落至少包含了细菌域的8个细菌类群;实际原水输水管道优势种群为具有降解有机物功能的Proteobacteria;模拟管道系统的优势种群则随时间发生了变化，由Proteobacteria转变为Firmicutes;模拟管道系统和实际原水输水管道中均存在对NH4+-N降解起重要作用的Nitrospria和Cyanobacteria。不同水质条件下模拟管道系统沿程的生物膜厚度呈现中间厚、两端薄的规律，生物膜结构呈现致密-疏松-致密的规律，生物量沿程中间高、两端低的规律，这与原水中营养物质含量有密切相关性。