氯胺／亞氯酸鹽對(duì)模擬給水管網(wǎng)硝化作用的控制＊

周玲玲，張永吉，葉河秀，宋正國(guó)，張一清

（1.同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州 215000；3.同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

隨著氯胺作為初級(jí)消毒劑和二級(jí)消毒劑的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)在使用氯胺消毒的管網(wǎng)中會(huì)發(fā)生硝化作用，出現(xiàn)管網(wǎng)中消毒劑減少，出水異養(yǎng)菌、亞硝酸鹽和硝酸鹽超標(biāo)等水質(zhì)問(wèn)題.據(jù)調(diào)查，美國(guó)應(yīng)用氯胺消毒63%的水廠發(fā)生硝化作用；我國(guó)由于水源水質(zhì)污染嚴(yán)重，水中氨氮含量較高，目前我國(guó)部分使用氯胺消毒的城市給水管網(wǎng)中也發(fā)現(xiàn)存在硝化作用［1－3］.

硝化作用主要是由管網(wǎng)中的氨氧化菌（AOB）氧化水中的氨氮引起的，如何有效地滅活水中和管壁中的AOB成為控制管網(wǎng)硝化作用的關(guān)鍵［4］.氨氧化菌可在4～6.5mg／L的氯胺濃度下存活，美國(guó)95%以上管網(wǎng)系統(tǒng)中存在一定濃度的消毒劑，但多數(shù)管網(wǎng)內(nèi)仍發(fā)生了硝化反應(yīng).因此當(dāng)硝化作用發(fā)生時(shí)，單純提高氯胺投量或改投氯并不能有效控制硝化作用［5］.

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，亞氯酸鹽對(duì)AOB具有良好的滅活效果.本研究采用生物膜培養(yǎng)反應(yīng)器（RAB）模擬實(shí)際管網(wǎng)，分別比較了氯胺、亞氯酸鹽及氯胺與亞氯酸鹽聯(lián)用的方法對(duì)氨氧化細(xì)菌和異養(yǎng)菌的滅活效果，為更好地控制給水管網(wǎng)硝化作用提供科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 氯胺的配制

在pH為8.0的磷酸鹽緩沖溶液中先加入25g／L的NH4Cl溶液，再緩慢加入400mg／L的NaClO溶液，同時(shí)不斷地?fù)u勻混合溶液，然后將混合物置于20℃左右的避光處反應(yīng)30min后檢測(cè)生成的一氯胺溶液濃度.氯胺濃度的測(cè)定方法見(jiàn)1.2.1.

1.1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)裝置采用生物膜培養(yǎng)反應(yīng)器（RAB），如圖1所示，其有效容積為800mL，水力停留時(shí)間為53～160min，每個(gè)RAB掛有20個(gè)掛片，掛片的掛膜面積為18.2cm2，安裝于反應(yīng)器的轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50～150r／min.轉(zhuǎn)子在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng).

由于AOB的世代時(shí)間約為數(shù)小時(shí)至數(shù)天，一定濃度的AOB附著在管壁生長(zhǎng)也需較長(zhǎng)的時(shí)間.因此，為加速反應(yīng)器內(nèi)生物膜（硝化細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌構(gòu)成）的形成，使用MPN培養(yǎng)基與自來(lái)水（水溫25℃）按照1∶5的配比作為生物膜培養(yǎng)反應(yīng)器的進(jìn)水，在反應(yīng)器運(yùn)行的20d內(nèi)連續(xù)檢測(cè)反應(yīng)器出水中亞硝酸氮濃度、pH和生物膜中AOB密度的變化.20d后R1，R2和R3反應(yīng)器掛片上的AOB分別增至3 800MPN／cm2，2 400MPN／cm2和2 300 MPN／cm2，說(shuō)明一定密度的AOB已經(jīng)附著在生物膜中.接著以自來(lái)水作為反應(yīng)器R1，R2和R3進(jìn)水，3臺(tái)反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)出水，R1反應(yīng)器連續(xù)5d投加0.6mg／L亞氯酸鹽（亞氯酸鈉0.80mg／L），R2反應(yīng)器中投加0.6mg／L亞氯酸鹽1d，接著投加（1.5±0.15）mg／L氯胺4d，R3反應(yīng)器連續(xù)投加（1.5±0.25）mg／L氯胺.

圖1 RAB裝置示意圖Fig.1 RAB experimental apparatus

1.2 檢測(cè)方法

1.2.1 余氯

采用DPD法測(cè)定［6］.

1.2.2 異養(yǎng)菌（HPC）計(jì)數(shù)

水中懸浮菌的測(cè)定采用R2A培養(yǎng)基.R2A培養(yǎng)基組成如下：酵母浸膏0.5g，蛋白胨0.5g，酸水解干酪素0.5g，葡萄糖0.5g，可溶性淀粉0.5g，丙酮酸鈉0.3g，磷酸氫二鉀0.3g，七水合硫酸鎂0.05 g，瓊脂15g，pH＝7.0～7.2，1L蒸餾水.取懸浮菌液1mL，使用10%的生理鹽水依次10倍稀釋菌液，得到一系列稀釋度的菌液，取100μL菌液平板涂布，23℃黑暗培養(yǎng)7d計(jì)數(shù)，以單位體積的細(xì)菌數(shù)表示（CFU／mL）.

1.2.3 生物膜上異養(yǎng)菌的測(cè)定

用2～3根滅菌的棉簽從上到下擦拭掛片掛膜面5～6次，將擦拭完的棉簽放入盛有10mL滅菌緩沖液的試管中，將試管置于超聲波清洗器（功率250W）作用25min，再按照水中懸浮菌的測(cè)定方法測(cè)定生物膜中HPC數(shù)量，以單位面積的細(xì)菌數(shù)表示（CFU／cm2）.

1.2.4 氨氧化菌MPN計(jì)數(shù)法

氨氧化菌（AOB）的培養(yǎng)采用Soriano and Walker培養(yǎng)基，培養(yǎng)基的組成成分見(jiàn)表1.采用4管MPN稀釋培養(yǎng)計(jì)數(shù)方法測(cè)定［7］.在12個(gè)試管中分別加入5mL培養(yǎng)基，分為3列，每列4個(gè)平行樣.在每列中分別接種1，0.1和0.01mL樣品，接種后將試管置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)21d.若需要稀釋?zhuān)瑒t使用緩沖溶液稀釋?zhuān)⊿M9050C）［8］.將300 μL等體積的0.6%二甲基α萘胺和0.8%磺胺酸混合溶液加入到試管中，若在5min內(nèi)呈深紅色，則表明有亞硝酸氮生成，說(shuō)明該樣品中存在AOB［1］.

表1 MPN計(jì)數(shù)培養(yǎng)基組成成分Tab.1 Composition of the MPN enumeration

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氯胺對(duì)附著態(tài)和懸浮態(tài)AOB的滅活效果

圖2是氯胺在5d內(nèi)對(duì)生物膜和水中AOB的滅活情況.氯胺在前3d對(duì)AOB的滅活效率較高，特別是前24h的滅活效果明顯，3d后滅活速率較為平緩.在前24h，氯胺對(duì)生物膜和水中的AOB的滅活速率分別是4.8×10－2log／h，5.7×10－2log／h.附著態(tài)的AOB在生物膜中的胞外聚合物（EPS）的保護(hù)下，對(duì)消毒劑具有一定的抗性，因此滅活速率較低［9］.本試驗(yàn)中，1.5mg／L氯胺滅活水中99%的AOB需要48h，CT99值是4 320mgCl2·min／L，而Cunliffe應(yīng)用氯胺滅活水中99%的AOB所需CT99值是760mgCl2·min／L［5］.本研究結(jié)果較Cunliffe試驗(yàn)需要更長(zhǎng)的時(shí)間，可能是由于AOB在管網(wǎng)系統(tǒng)中比在培養(yǎng)基生長(zhǎng)的AOB對(duì)消毒劑具有更強(qiáng)的抗性，或者由于硝化細(xì)菌種類(lèi)不同導(dǎo)致的差異.另外，實(shí)驗(yàn)中的水質(zhì)條件存在一定差別，如水溫和pH值等，可能也是導(dǎo)致不同CT99值的原因.

圖2 氯胺對(duì)生物膜和水中AOB的滅活Fig.2 Biofilm AOB inactivation for chloramine

2.2 亞氯酸鹽與氯胺聯(lián)用對(duì)AOB的滅活效果

圖3是單獨(dú)亞氯酸鹽及亞氯酸鹽與氯胺聯(lián)用對(duì)AOB的滅活情況.反應(yīng)器R1投加0.6mg／L的亞氯酸鹽5d，反應(yīng)器R2中投加0.6mg／L亞氯酸鹽1d，接著投加1.5mg／L的氯胺4d.24h之內(nèi)2個(gè)反應(yīng)器生物膜中AOB滅活速率在6.4×10－2～6.6×10－2log／h之間.而24h之后的滅活速率下降為0.6×10－2～0.7×10－2log／h，可以看出AOB的滅活主要發(fā)生在前24h.未投加消毒劑前，生物膜中AOB濃度約為3.6log MPN／cm2，而5d后降低至1.3log MPN／cm2，單獨(dú)亞氯酸鹽對(duì)懸浮態(tài)AOB的滅活速率與亞氯酸鹽和氯胺聯(lián)用時(shí)效果相當(dāng).比較R1和R2反應(yīng)器中消毒劑對(duì)生物膜中的AOB的滅活效果，發(fā)現(xiàn)3d與5d的滅活效果相當(dāng)，約滅活2.2log的AOB，說(shuō)明3d的接觸時(shí)間足以阻止AOB的生長(zhǎng).對(duì)于水中懸浮態(tài)的AOB也發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律，3d約滅活2.0log的AOB［10］.

圖3 亞氯酸鹽和亞氯酸鹽、氯胺聯(lián)用對(duì)生物膜和水中AOB的滅活Fig.3 Biofilm and bulk AOB inactivation for chlorite and chlorite switched to chloramine

表2比較了亞氯酸鹽和氯胺對(duì)生物膜和水中AOB的2h內(nèi)的滅活速率，可以看出，亞氯酸鹽對(duì)生物膜和水中AOB的滅活速率要高于氯胺消毒.如當(dāng)亞氯酸鹽質(zhì)量濃度為0.6mg／L時(shí)，對(duì)生物膜和水中AOB的滅活速率分別為6.4×10－2log／h和7.2×10－2log／h，而1.5mg／L二氧化氯對(duì)生物膜和水中AOB的滅活速率分別為4.8×10－2log／h和5.7×10－2log／h.Mcguire等對(duì)亞氯酸鹽滅活A(yù)OB的機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)AOB氧化氨氮時(shí)會(huì)釋放出氫離子，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)部膜結(jié)構(gòu)中會(huì)呈現(xiàn)暫時(shí)的酸性pH條件，亞氯酸鹽離子進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部形成二氧化氯（ClO2）［如式（1）所示］，較低濃度的二氧化氯就可以通過(guò)改變細(xì)胞膜的滲透性、損害合成細(xì)胞酶和蛋白質(zhì)的功能，最終破壞核酸而實(shí)現(xiàn)對(duì)AOB的滅活［11］.

表2 氯胺和亞氯酸鹽滅活A(yù)OB效果比較（24h）Tab.2 Inactivation rates for chloramine and chlorite based on 24hdosage

2.3 氯胺、亞氯酸鹽對(duì)HPC的滅活效果比較

圖4考察了氯胺對(duì)生物膜及水中懸浮異養(yǎng)菌的滅活效果.由圖4可知，氯胺對(duì)水中異養(yǎng)菌的滅活速率要高于對(duì)生物膜中的異養(yǎng)菌的滅活速率，分別為8.3×10－2log／h和5.5×10－2log／h.

圖4 氯胺對(duì)生物膜和水中HPC的滅活Fig.4 Biofilm and bulk HPC inactivation

圖5是亞氯酸鹽對(duì)異養(yǎng)菌的滅活效果.從圖中可以看出，亞氯酸鹽對(duì)生物膜和水中懸浮態(tài)HPC均沒(méi)有滅活作用，HPC密度反而增加.連續(xù)投加0.6 mg／L亞氯酸鹽，生物膜中的HPC由3.2×105CFU／cm2增加至1.9×106CFU／cm2，水中的HPC由最初的103CFU／mL增至105CFU／mL.Mcguire采用不同濃度的亞氯酸鹽和接觸時(shí)間對(duì)水中懸浮態(tài)HPC的滅活試驗(yàn)，證實(shí)亞氯酸鹽對(duì)生物膜中的HPC沒(méi)有滅活作用，與本文的研究結(jié)果是一致的，同時(shí)也說(shuō)明亞氯酸鹽對(duì)異養(yǎng)菌和AOB的作用機(jī)理不同［12］.在反應(yīng)器中投加0.6mg／L的亞氯酸鹽1d后轉(zhuǎn)而投加1.5mg／L的氯胺，4d后生物膜中HPC減少了1.6logCFU／cm2，對(duì)比圖2可知，亞氯酸鹽與氯胺聯(lián)用時(shí)，亞氯酸鹽主要對(duì)AOB起到滅活作用，而氯胺除了對(duì)AOB有一定滅活效果外，對(duì)異養(yǎng)菌具有較好的滅活作用.亞氯酸根本身對(duì)氨氧化細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌均沒(méi)有滅活作用，在2.2節(jié)中提到亞氯酸鹽對(duì)AOB有滅活作用，而對(duì)異養(yǎng)細(xì)菌沒(méi)有滅活作用的原因是異養(yǎng)細(xì)菌在利用底物的過(guò)程中內(nèi)部不能形成酸性pH條件，因此不能形成二氧化氯.

圖5 亞氯酸鹽和氯胺對(duì)生物膜和水中異養(yǎng)菌的滅活Fig.5 Biofilm and bulk HPC inactivation for chlorite and chlorite switched to chloloramine

2.4 討 論

研究顯示，一旦給水管網(wǎng)中發(fā)生了硝化作用，通過(guò)提高氯胺濃度并不能對(duì)硝化作用起到理想的控制效果；另一方面，由于硝化作用管網(wǎng)中會(huì)生成大量的亞硝酸氮，亞硝酸氮與氯胺發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致氯胺迅速衰減，因此難以保持足夠的余氯濃度控制管網(wǎng)中的微生物生長(zhǎng).亞氯酸鹽對(duì)AOB具有良好的滅活效果，通過(guò)投加亞氯酸鹽，可以達(dá)到對(duì)硝化作用的有效控制.Michael進(jìn)行的連續(xù)6個(gè)月中試試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，0.1mg／L的亞氯酸鹽能夠阻止已經(jīng)發(fā)生的硝化作用，0.2mg／L亞氯酸鹽可以抑制硝化作用數(shù)個(gè)星期，并且越高濃度的亞氯酸鹽抑制硝化再次發(fā)生的時(shí)間越長(zhǎng)［13］.McGuire的中試試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)連續(xù)投加0.2mg／L的亞氯酸鹽可以有效控制硝化作用［13］.將氯胺與亞氯酸鹽結(jié)合，充分利用氯胺對(duì)異養(yǎng)菌滅活效率高而亞氯酸鹽對(duì)AOB滅活效率高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)中AOB和異養(yǎng)菌的滅活、硝化作用的控制.

然而，亞氯酸鹽是一種對(duì)人體有害的物質(zhì)，如何有效地控制其濃度在不影響人體健康的范圍，還需進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)確定.

3 結(jié) 論

1）氯胺對(duì)水中和生物膜中的AOB均有一定的滅活效果，亞氯酸鹽對(duì)水中和生物膜中AOB的滅活效果高于氯胺.

2）亞氯酸鹽對(duì)異養(yǎng)菌沒(méi)有滅活效果.

3）采用氯胺和亞氯酸鹽聯(lián)用可有效滅活A(yù)OB和異養(yǎng)菌，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)硝化作用的控制.

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