原水輸送管道生物凈水效能

楊艷玲，張 達，李 星，相 坤，劉揚陽

(北京工業(yè)大學北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，100124北京)

研究發(fā)現(xiàn)，輸水管道［1］在長期運行過程中會附著生長微生物形成生物膜，生物膜的生物作用能夠在一定程度上凈化輸送水質(zhì)［2］，其中重要的兩種生物作用是好氧硝化細菌的硝化作用和微生物對有機物的降解作用.目前有關硝化作用的研究大都集中在供水管道，研究結(jié)果表明，在供水管道發(fā)生硝化作用會引起氯胺的衰減、pH和堿度的降低、異養(yǎng)菌(HPC)數(shù)量的增加和亞硝酸氮(NO2

--N)的積累等一系列水質(zhì)問題［3-6］.但發(fā)生在輸水管道則不同，硝化細菌將氨氮(NH4+-N)氧化為NO2

--N和硝酸氮(NO3--N)后能有效降低原水NH4

+-N質(zhì)量濃度［7］.活性微生物能降解水中一些有機物，從而使原水中有機物含量降低.朱永娟等［2］以廣州南部供水工程的長距離輸水管道為研究對象，結(jié)果表明，輸水管道中和 TOC含量均下降;曲志軍等［8］研究了原水在管道輸送中的變化規(guī)律，結(jié)果表明原水在輸送過程中，濁度和有機物均明顯降低.

目前有關輸水管道生物凈水作用的研究主要集中在管道中水質(zhì)的變化，有關生物凈水作用形成過程的研究鮮有報道.目前，我國地表水源富營養(yǎng)化問題較嚴重，研究并充分利用長距離輸水管道內(nèi)生物膜的生物凈水效能提高輸送水質(zhì)，有利于降低水廠處理成本以及提高供水水質(zhì).本文采用實驗室配水的方式模擬水源水，采用管道模擬系統(tǒng)模擬原水輸送管道，通過連續(xù)檢測進水、出水水質(zhì)和生物膜中微生物數(shù)量，系統(tǒng)地研究了輸水管道生物凈水效能的形成過程，以期為調(diào)控和優(yōu)化其生物凈水效能提供理論和技術(shù)支持.

1 實驗

1.1 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖1所示，管道模擬反應器有效容積為1.0 L，進水流量為8 mL/min，水力停留時間為2 h，安裝20個聚乙烯(PE)材質(zhì)掛片繞中心軸以轉(zhuǎn)速80 r/min旋轉(zhuǎn)，以模擬實際原水輸送管道中水流的剪切作用.此外安裝有在線溶解氧(DO)探頭，保證各參數(shù)的實時在線監(jiān)測.在管道模擬反應器運行后，定期檢測進、出水水質(zhì)以及掛片生物膜上微生物數(shù)量.

圖1 管道模擬反應器裝置

1.2 實驗水樣

采用市政自來水，結(jié)合需要配制的原水水質(zhì)，酌情添加適量生活污水、氯化銨及腐殖酸配制實驗水樣.實驗期間原水水溫為18℃，水質(zhì)情況見表1.

表1 實驗水質(zhì)

1.3 分析項目與方法

生物膜水樣的制備:采用滅菌棉簽沿相同方向擦拭掛片掛膜面5～6次后放入盛有10 mL解析液的試管中，然后將試管置于超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)的KQ-500B型，超聲電功率為500 W，工作頻率為40 kHz)作用20 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 硝化作用形成過程

2.1.1 NH4+-N及NO2--N隨時間的變化

實驗期間管道模擬反應器中NH4+-N和NO2--N隨時間的變化分別見圖2、3.

圖2 NH4+-N隨時間的變化

由圖2可見，隨著管道模擬反應器運行時間的延長，NH4+-N去除率呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢，在運行19 d后達到最大值93%，并在運行43 d附近趨于穩(wěn)定(75%左右).由于硝化細菌呈對數(shù)生長，存在適應期、對數(shù)生長期和穩(wěn)定期3個階段，整個實驗期間管道模擬反應器對NH4+-N的去除率呈跳躍式增長.

由圖3可見，隨著管道模擬反應器運行時間的延長，出水NO2--N質(zhì)量濃度先逐漸升高后降低，最終趨于穩(wěn)定，在運行17 d后積累量達到最大值0.596 mg/L，之后隨著生物膜的不斷成熟，NO2--N積累量逐漸降低，并在運行35 d后趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在0.02 mg/L左右.

圖3 NO2--N隨時間的變化

2.1.2 生物膜中AOB和NOB的變化

AOB將NH4+-N氧化為NO2--N，NOB 將NO2--N氧化為NO3--N，可通過AOB和NOB數(shù)量的變化直接反映硝化作用過程［9］.實驗期間管道模擬反應器生物膜中AOB和NOB數(shù)量檢測結(jié)果見表2.

表2 生物膜中AOB和NOB數(shù)量

由表2可見，生物膜中AOB和NOB的數(shù)量均是先增加后降低，最后趨于穩(wěn)定，管道模擬反應器運行初期，生物膜中AOB和NOB數(shù)量相近，反應器內(nèi)沒有出現(xiàn)NO2--N的積累;隨著運行時間的延長，AOB的增長速率大于NOB，從第9天開始管道模擬反應器內(nèi)出現(xiàn)了NO2--N的積累，生物膜中AOB數(shù)量明顯高于NOB數(shù)量，說明AOB和NOB不同的生長速率造成了NO2--N的積累，之后隨著生物膜的成熟，生物膜中AOB數(shù)量均高于NOB數(shù)量，說明在原水輸送管道中，AOB在與NOB的競爭中占優(yōu)勢，且AOB相比NOB是優(yōu)勢菌種，這與已有研究結(jié)果一致［10-12］.

2.2 有機物降解作用形成過程

2.2.1 UV254隨時間的變化

UV254與TOC、DOC和COD等之間均有一定的相關性［13-14］，在水質(zhì)監(jiān)測中可以將UV254作為反映有機物含量的指標，間接反映水體中有機物污染程度.實驗期間管道模擬反應器中UV254隨時間的變化見圖4.可以看出，活性微生物降解了水體中部分有機物，管道模擬反應器出水UV254含量整體呈下降趨勢，先逐漸降低后趨于穩(wěn)定，且在運行45 d后對UV254的去除率達到穩(wěn)定(30%左右).

圖4 UV254隨時間的變化

2.2.2 生物膜中HPC數(shù)量的變化

HPC相比細菌總數(shù)能更好地反映活性微生物的數(shù)量［15］，本實驗采用HPC數(shù)量的變化反映生物膜中微生物的生長狀況.實驗期間管道模擬反應器生物膜中HPC數(shù)量檢測結(jié)果見表3.可以看出，管道模擬反應器在運行初期，生物膜中HPC數(shù)量較少，因為處于此階段的微生物雖然活性較高、繁殖速度較快，但附著生長性能較弱.隨著管道模擬反應器運行時間的延長，附著態(tài)微生物數(shù)量增加，使得其生物膜中HPC數(shù)量逐漸升高，且在運行25 d后達到最大值1.6×105CFU/cm2.但由于微生物種群的更替，生長周期更長且更適應附著生長的微生物成為生物膜中活性微生物的主要組成部分，而微生物總量不再增加，導致管道模擬反應器生物膜中HPC數(shù)量降低.隨著微生物種群的進一步更替，管道模擬反應器生物膜內(nèi)的活性微生物數(shù)量達到最適宜附著性微生物生長的穩(wěn)定狀態(tài)，且在運行45 d后其生物膜中HPC數(shù)量達到穩(wěn)定，在1.1×105CFU/cm2左右.

表3 生物膜中HPC數(shù)量

2.3 濁度去除變化

已有研究表明，濁度可間接反映水中微生物的數(shù)量，可通過控制水中濁度有效控制微生物的數(shù)量［15］.圖5為管道模擬反應器出水濁度隨時間的變化.可以看出，管道模擬反應器出水濁度整體呈下降趨勢，對濁度的去除率呈現(xiàn)先增加后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢，且呈跳躍增長.管道模擬反應器在運行45 d后生物膜達到穩(wěn)定，對濁度的去除率穩(wěn)定在30%左右.

圖5 濁度隨時間的變化

原因是掛膜初期，微生物高活性、快速的繁殖速度以及較弱的附著生長性能使得水中懸浮微生物較多，出水濁度較高;隨著運行時間的延長，附著態(tài)微生物增加，濁度的去除率增加，但此階段生物膜還未完全成熟穩(wěn)定，故懸浮菌的增加以及生物膜的脫落導致了濁度去除率的跳躍式增長;生物膜達到成熟穩(wěn)定后，生物膜內(nèi)微生物數(shù)量達到最適于附著態(tài)微生物的穩(wěn)定狀態(tài)，故對濁度的去除率基本保持穩(wěn)定.

2.4 PO43-去除變化

PO43-是容易被細菌直接吸收利用的磷源［16］，本實驗采用出水 PO43-的變化反映對磷的去除效果.管道模擬反應器出水PO43-隨時間的變化見圖6.可以看出，管道模擬反應器出水PO質(zhì)量濃度有一定程度的降低，在運行19 d后，對PO43-的去除率達最大值42.45%，之后隨著運行時間的延長，對PO43-的去除率維持在13.64%～38.78%.原因是磷是微生物生長所必須的元素，且生物除磷主要靠聚磷菌完成，聚磷菌在厭氧狀態(tài)下釋放磷，在好氧狀態(tài)下吸收磷［17］，因此，必須為聚磷菌提供厭氧/好氧或厭氧/缺氧的交替環(huán)境才能實現(xiàn)生物除磷［18］.而本實驗中，管道模擬反應器在較高DO條件下掛膜運行，一直未發(fā)生厭氧狀況，故對PO43-的去除率不高.

圖6 PO43-隨時間的變化

3 結(jié) 論

1)原水輸送管道生物凈水效能的形成過程中，NH4+-N和有機物等的去除均是先逐漸增大后趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值相比最大值稍有下降.

2)管道模擬反應器運行45 d后生物膜達到穩(wěn)定，對NH4+-N的去除率穩(wěn)定在75%左右，出水NO2--N質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.02 mg/L左右;在輸水管道中，AOB相比NOB是優(yōu)勢菌種.

3)至生物膜穩(wěn)定，管道模擬反應器對UV254、濁度、PO的去除率分別穩(wěn)定在約30%、30%和13.64%～38.78%.

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