預(yù)氯化對(duì)管道生物膜凈水效能影響及性能恢復(fù)

朱永娟,楊艷玲,李 星,趙樂(lè)樂(lè)

(北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

近年來(lái),為解決淡水資源短缺、時(shí)空分布不均及城市水源污染所致的供水緊缺問(wèn)題[1-2],我國(guó)實(shí)施了多項(xiàng)跨流域、跨地區(qū)的長(zhǎng)距離輸水工程項(xiàng)目[3-4],長(zhǎng)期運(yùn)行的長(zhǎng)距離輸水管壁上會(huì)附著生長(zhǎng)多種微生物,并形成生物膜.研究表明,原水在輸送過(guò)程中氨氮、亞硝酸鹽氮由于水中硝化細(xì)菌的作用沿程降低,有機(jī)物呈降低趨勢(shì)[5],水質(zhì)得到一定程度的凈化.如果將原水輸水管道作為凈水構(gòu)筑物的一部分加以考慮,充分利用長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中“管道生物反應(yīng)器”的生物凈水作用去除常規(guī)處理中難以去除的氨氮及有機(jī)物,就可以節(jié)省基建費(fèi)用、降低水處理成本、提高供水水質(zhì),無(wú)論經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益都是顯著的.迄今為止關(guān)于長(zhǎng)距離輸水管道管壁生物膜內(nèi)微生物的研究還未見報(bào)道,關(guān)于其凈水效能的研究還是空白,所以本試驗(yàn)是具有探索性和有創(chuàng)新意義的,研究成果將為現(xiàn)有長(zhǎng)距離輸送項(xiàng)目的水質(zhì)安全保障提供技術(shù)支持.一般情況下取水泵站會(huì)定期在取水口處投加液氯等氧化劑來(lái)控制藻類在管道內(nèi)的繁殖,而預(yù)加氯會(huì)殺傷管壁生物膜,降低其活性,進(jìn)而影響其凈水效能的發(fā)揮.故本試驗(yàn)采用環(huán)狀生物膜管道反應(yīng)器(BAR)模擬原水輸水管道,采用不同濃度的氯對(duì)模擬管道進(jìn)行沖擊試驗(yàn),考察投加氯對(duì)管道生物膜凈水效能的影響及其性能恢復(fù)過(guò)程,增強(qiáng)生物膜的生物凈水作用,使其處于改善原水水質(zhì)的良性作用狀態(tài),以期為泵站加氯提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原水

以廣東南部長(zhǎng)距離輸水水源北江為試驗(yàn)原水,試驗(yàn)期間原水水質(zhì)為 NH4+-N:0.466～0.654mg/L,NO2--N:0.010～0.038mg/L,錳酸鹽指數(shù): 2.19～2.42mg/L,DO:3.90～5.10mg/L,TP: 0.025～0.031mg/L,濁度:2.15～6.5NTU.

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment device

試驗(yàn)裝置如圖1所示,4臺(tái)BAR并聯(lián)運(yùn)行,BAR是一種用于模擬飲用水管網(wǎng)中各種水質(zhì)參數(shù)和水力條件對(duì)管壁生物膜影響的實(shí)驗(yàn)室物理模型[6],反應(yīng)器內(nèi)安裝掛片,通過(guò)檢測(cè)掛片上生物量考察管道內(nèi)壁生物膜生長(zhǎng)情況.反應(yīng)器容積 900mL,轉(zhuǎn)子半徑 7cm,水力停留時(shí)間為2h,轉(zhuǎn)速 80r/min,相當(dāng)于水流流速為 0.59m/s.連續(xù)檢測(cè)反應(yīng)器進(jìn)出水氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷,運(yùn)行 50d后反應(yīng)器對(duì)其去除效果穩(wěn)定,進(jìn)行氯沖擊實(shí)驗(yàn).取 1臺(tái)反應(yīng)器做對(duì)照,其余 3臺(tái)投加氯使出水余氯濃度分別維持在0.5,1.5,3.0mg/L,沖擊2h后,停止加氯,將此時(shí)掛片取樣時(shí)間作為生物膜恢復(fù)開始時(shí)間 0h,之后將加氯水全部放出,通入原水運(yùn)行并不斷檢測(cè)進(jìn)出各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo).

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 常規(guī)指標(biāo) 氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷均采用文獻(xiàn)[7]方法測(cè)定.

1.3.2 生物膜取樣及生物量測(cè)定 無(wú)菌條件下從反應(yīng)器中取出掛片,使用 2～3根滅菌棉簽從上至下反復(fù)擦拭后,放入10mL無(wú)菌水中,于超聲波清洗器中振蕩 20min.取懸浮液進(jìn)行生物量測(cè)定,氨氧化細(xì)菌(AOB)培養(yǎng)利用Soriano和Walker培養(yǎng)基,采用 3管 MPN稀釋培養(yǎng)計(jì)數(shù)方法測(cè)定,28℃黑暗培養(yǎng)21d后計(jì)數(shù); 異養(yǎng)菌(HPC)采用R2A培養(yǎng)基,22℃黑暗培養(yǎng)7d計(jì)數(shù).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 氯沖擊對(duì)管壁生物膜的破壞及其恢復(fù)過(guò)程

表1 預(yù)氯化后異養(yǎng)菌(HPC)恢復(fù)情況 (CPU/mL)Table 1 Recovery of HPC after chlorination (CPU/mL)

表1和表2為預(yù)氯化對(duì)原水管壁生物膜中異養(yǎng)菌和氨氧化細(xì)菌的沖擊及其恢復(fù)情況,氯沖擊結(jié)束后,隨即取掛片檢測(cè)細(xì)菌數(shù)量,此時(shí)掛片取樣時(shí)間記為恢復(fù)時(shí)間 0h.對(duì)照組中異養(yǎng)菌數(shù)量為2.80×105CPU/mL,氯沖擊導(dǎo)致生物膜大量脫落,掛片生物量顯著下降[8],0.5,1.5,3.0mg/L余氯BAR中異養(yǎng)菌數(shù)量分別下降了2、3和4個(gè)數(shù)量級(jí),可見,余氯濃度越大,對(duì)生物膜的損害越大.氨氧化細(xì)菌對(duì)環(huán)境因素非常敏感[9],當(dāng)投加0.5mg/L余氯后,0h掛片上就幾乎檢測(cè)不到氨氧化細(xì)菌.

表2 預(yù)氯化后氨氧化細(xì)菌(AOB)恢復(fù)情況 (MPN/mL)Table 2 Recovery of AOB after chlorination (MPN/mL)

從試驗(yàn)結(jié)果看,雖然氯沖擊對(duì)生物膜造成了嚴(yán)重?fù)p傷,但是生物膜的修復(fù)生長(zhǎng)能力很強(qiáng),掛片上剩余的生物量越多,生物膜恢復(fù)生長(zhǎng)越快[10].通入原水運(yùn)行 72h后,0.5,1.5mg/L余氯的反應(yīng)器生物膜異養(yǎng)菌數(shù)量均達(dá)到 105級(jí),氨氧化細(xì)菌數(shù)量達(dá)到102數(shù)量級(jí),與對(duì)照組持平.分析認(rèn)為,BAR反應(yīng)器在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生泥沙堆積及惰性物質(zhì)積累,造成生物膜活性降低,甚至某些物質(zhì)的積累會(huì)對(duì)硝化菌造成抑制[11],而短時(shí)的氯沖擊有利于生物膜更新,增強(qiáng)生物膜活性,掛片經(jīng)氯氧化之后更易于生物膜附著,同時(shí),細(xì)菌會(huì)再次分泌一些黏性物質(zhì),而且水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足,刺激微生物的生長(zhǎng),表現(xiàn)為恢復(fù)運(yùn)行240h及 144h之后預(yù)氯化生物膜中異養(yǎng)菌和氨氧化細(xì)菌數(shù)量均高于對(duì)照組.

2.2 氯沖擊后生物膜對(duì)氨氮去除效果

由圖 2可見,投加氯明顯降低了生物膜對(duì)氨氮的去除效果,恢復(fù)運(yùn)行 2h,余氯為 0.5,1.5,3.0mg/L時(shí),氨氮去除率由 79.01%分別降到32.1%、14.46%和 9.88%.0.5mg/L 余氯和1.5mg/L余氯的 BAR恢復(fù)較快,運(yùn)行至第 72h時(shí),氨氮出水濃度分別為 0.161mg/L 和0.174mg/L,去除率分別達(dá)到 74.40%和 72.34%,對(duì)照組出水濃度為0.152mg/L,而第72h時(shí)管道生物膜上氨氧化細(xì)菌數(shù)量已與對(duì)照組持平(表2).運(yùn)行至第120h時(shí),4臺(tái)BAR對(duì)氨氮的去除效果相當(dāng),繼續(xù)運(yùn)行反應(yīng)器,氨氮去除效果穩(wěn)定,因此,恢復(fù)運(yùn)行120h后,管道生物膜即可恢復(fù)對(duì)氨氮的去除效果.

圖2 恢復(fù)運(yùn)行時(shí)進(jìn)出水氨氮濃度的變化Fig.2 Variation of NH4+-N concentration during recovery process

2.3 氯沖擊后生物膜對(duì)NO2--N去除效果

從圖3a可見,沖擊性加氯之后,出現(xiàn)了顯著的亞硝酸鹽氮積累,且投氯量越大,積累現(xiàn)象越明顯,直到運(yùn)行至第72h,0.5mg/L余氯的反應(yīng)器才開始出現(xiàn)去除現(xiàn)象,但去除率較低,僅19.23%.運(yùn)行至第216h時(shí),NO2--N出水濃度均為0.001mg/L,各反應(yīng)器表現(xiàn)出完全硝化作用,之后幾天反應(yīng)器出水亞硝酸鹽氮穩(wěn)定.亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)小于氨氧化細(xì)菌[12],所以,生物膜經(jīng)過(guò)216h的修復(fù)生長(zhǎng)才恢復(fù)對(duì)亞硝酸鹽氮的降解作用.

圖3 恢復(fù)運(yùn)行時(shí)進(jìn)出水亞硝酸鹽氮及總磷濃度的變化Fig.3 Variation of NO2--N and TP concentration during recovery process

圖4 恢復(fù)運(yùn)行時(shí)高錳酸鹽指數(shù)的變化Fig.4 Variation of permanganate index during recovery process

2.4 氯沖擊后生物膜對(duì)TP去除效果

氯沖擊后生物膜對(duì)TP去除效果如圖3b所示, 磷是微生物生長(zhǎng)所需要的最重要的營(yíng)養(yǎng)元素[13],水中磷元素可被微生物吸收利用[14],完成自身新陳代謝的同時(shí)也使得水中磷含量降低,起到凈化水質(zhì)的作用.對(duì)照組總磷出水濃度0.043mg/L,去除率達(dá) 21.82%,當(dāng)投氯量達(dá)到1.5mg/L時(shí),總磷出水濃度較進(jìn)水升高,其原因可能是氯的氧化作用改變了生物膜中某些含磷有機(jī)物性質(zhì)或者是氯的氧化作用使磷從生物膜中釋放出來(lái)所致[15].通入原水運(yùn)行 24h之后,出水濃度才低于進(jìn)水,對(duì)照組總磷的去除率維持在 18%～28%,預(yù)氯化反應(yīng)器內(nèi)總磷去除效果逐漸增強(qiáng),運(yùn)行至第264h時(shí),4臺(tái)反應(yīng)器總磷去除率均達(dá)到20%以上.

2.5 氯沖擊后生物膜對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的影響

由圖4可見,氯沖擊導(dǎo)致出水高錳酸鹽指數(shù)升高,且余氯濃度越高,出水高錳酸鹽指數(shù)越高.張永吉[15]認(rèn)為氯會(huì)與生物膜反應(yīng),使部分有機(jī)物從生物膜中溶解到水中,導(dǎo)致出水有機(jī)物濃度升高.恢復(fù)運(yùn)行 192h后,3臺(tái)反應(yīng)器出水濃度均低于對(duì)照組,生物膜對(duì)有機(jī)物的降解能力完全恢復(fù)過(guò)來(lái).

3 結(jié)論

3.1 沖擊性加氯后掛片上異養(yǎng)菌數(shù)量迅速下降,幾乎檢測(cè)不出氨氧化細(xì)菌,對(duì)管道生物膜造成很大損傷,但短時(shí)的沖擊利于生物膜更新和微生物在掛片表面附著,恢復(fù)運(yùn)行240h及144h后預(yù)氯化生物膜中異養(yǎng)菌和氨氧化細(xì)菌數(shù)量均高于對(duì)照.

3.2 加氯會(huì)明顯降低生物膜對(duì)氨氮的去除效果,投氯量越大,對(duì)去除效果影響越大,恢復(fù)運(yùn)行120h,管道生物膜即可恢復(fù)對(duì)氨氮的去除效果.3.3 投加氯后出現(xiàn)了顯著的亞硝酸鹽氮積累,直到第72h,0.5mg/L余氯BAR才開始出現(xiàn)去除效果,去除率僅為19.23%.恢復(fù)運(yùn)行216h即可恢復(fù)管道生物膜對(duì)亞硝酸鹽氮去除效果.

3.4 投氯量為1.5mg/L以上時(shí),會(huì)造成出水總磷濃度升高,運(yùn)行264h時(shí),4臺(tái)反應(yīng)器生物膜對(duì)總磷的去除效果相當(dāng),均達(dá)到 20%以上,同時(shí),預(yù)氯化導(dǎo)致出水高錳酸鹽指數(shù)升高,運(yùn)行192h后生物膜降解有機(jī)物能力恢復(fù).

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