臭氧對管道生物膜凈水效能的影響

摘要：在經(jīng)過臭氧處理后，生物膜中存在的異養(yǎng)菌的數(shù)量有了顯著下降，而當(dāng)臭氧在水中分解后，產(chǎn)生的氧氣可以幫助生物膜的更新和恢復(fù)，確保其具備良好的凈水效果。本文結(jié)合相應(yīng)的試驗(yàn)，研究了臭氧對管道生物膜凈水效能的影響，希望能夠?yàn)樗畯S的技術(shù)更新提供一些參考。

關(guān)鍵詞：臭氧；管道生物膜；凈水效能；影響

中圖分類號(hào)：P642.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2017）04-0148-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.071

Abstract： After the ozone treatment， the number of heterotrophic bacteria present in the biofilm has decreased significantly. When the ozone is decomposed in water， the oxygen produced can help the biofilm to be renewed and restored to ensure that it has good water purification effect. In this paper， the effect of ozone on the water purification efficiency of pipeline biofilm was studied in the light of the corresponding experiment， hoping to provide some reference for the technical update of water plant.

Key words：Ozone；Pipeline biofilm；Water purification efficiency

在輸水管道，尤其是長距離輸水管道的運(yùn)行中，為了保證輸水管道的正常運(yùn)行，抑制微生物的過度繁殖，一般會(huì)在水中加入液氯，改善缺氧引發(fā)的水質(zhì)問題，但是這種措施會(huì)導(dǎo)致微生物的大量死亡，影響凈水效果。對此，本文以臭氧代替液氯，就其對于管道生物膜凈水效能的影響進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

結(jié)合環(huán)狀生物膜反應(yīng)器（BAR）對輸水管道水質(zhì)凈化的過程進(jìn)行模擬，試驗(yàn)裝置如圖所示。

在BAR內(nèi)設(shè)置20個(gè)聚乙烯掛片，確保其能夠圍繞轉(zhuǎn)子中心軸勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為80r/min，模擬水流對于生物膜的剪切作用。將4臺(tái)BAR并聯(lián)，以R0-R3進(jìn)行編號(hào)，以方便調(diào)控。在相同條件下，模擬運(yùn)行65d，生物膜成熟，然后保持R0不變，向其他三個(gè)反應(yīng)器中加入臭氧溶液，濃度依次為0.7mg/L，1.5mg/L，3.2mg/L。隔天對掛片生物膜上的微生物含量進(jìn)行檢測。

1.2 試驗(yàn)方法

以滅菌處理的棉簽掛片掛膜面自上而下擦拭5-6次，然后將棉簽放入到盛有10mL滅菌緩沖液的試管內(nèi)，在超聲波清洗器中震蕩20min，取懸浮液進(jìn)行檢測。

1.3 分析方法

用濁度儀進(jìn)行濁度測定，以在線溶解氧儀對DO進(jìn)行測定，以TOC分析儀對TOC進(jìn)行測定，對于異養(yǎng)菌（HPC），可以選擇R2A培養(yǎng)基，在22℃的遮光環(huán)境下培養(yǎng)7d，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)[1]。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氧對生物膜的破壞和恢復(fù)

對照相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，臭氧沖擊會(huì)導(dǎo)致生物膜的脫落，微生物數(shù)量明顯下降，而當(dāng)臭氧濃度為0.7mg/L、1.5mg/L和3.2mg/L時(shí)，HPC的數(shù)量依次下降了84%、93%和99%，由此可知，臭氧濃度越大，對于生物膜的破壞作用越強(qiáng)。氨氧化菌AOB對于環(huán)境因素極其敏感，因此即使臭氧溶度僅為0.7mg/L，也無法檢測到AOB的存在。

結(jié)合臭氧的分子結(jié)構(gòu)，其對于微生物的殺滅機(jī)制可以歸結(jié)為三點(diǎn)：一是直接作用，破壞細(xì)菌和病毒的核酸及細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等，影響其代謝功能和繁殖過程；二是滲透到細(xì)胞膜組織中，與內(nèi)部的脂多糖和外部的脂蛋白作用，增大細(xì)胞膜的通透性，造成細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)流失，失去活力；三是與基因的鳥嘌呤以及不飽和脂肪酸雙鍵發(fā)生快速氧化反應(yīng)，破壞細(xì)胞壁，對細(xì)胞內(nèi)部的酶進(jìn)行分解，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

不過對照試驗(yàn)結(jié)果來看，生物膜有著良好的恢復(fù)能力。在臭氧沖擊結(jié)束后，通入原水繼續(xù)運(yùn)行24h，發(fā)現(xiàn)對照組生物膜中HPC的數(shù)量恢復(fù)到了105級，約為原本水平的55%-62%。72h后，AOB的數(shù)量恢復(fù)到了102級，與對照組基本持平。相關(guān)研究認(rèn)為，在長期運(yùn)行過程中，反應(yīng)器中的泥沙以及部分惰性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致生物膜活性的降低，嚴(yán)重的可能會(huì)抑制硝化菌的生長。以氧化劑對生物膜進(jìn)行短時(shí)沖擊，能夠提升其活性，這一點(diǎn)從恢復(fù)運(yùn)行120h后，HPC和AOB的數(shù)量均高于對照組就可以證實(shí)。分析原因，可能上臭氧在水中分解成了氧氣，增加了水中的溶解氧，為細(xì)菌的恢復(fù)提供了良好的環(huán)境，而受到臭氧沖擊死去的細(xì)菌也能夠?yàn)槲⑸锏纳L提供所需營養(yǎng)，加快細(xì)菌的繁殖速度。

2.2 臭氧沖擊后生物膜的凈水效能

（1）NH4+-N的去除效果：在加入臭氧后，生物膜對于NH4+-N的去除效果有效明顯的下降。在進(jìn)水中，NH4+-N的含量為0.94-1.12mg/L，對照組R0出水的NH4+-N含量為0.2mg/L，平均去除率在81.9%左右。當(dāng)臭氧濃度為0.7mg/L以及1.5mg/L時(shí)，NH4+-N的去除率分別為38.49%和17.6%，當(dāng)臭氧濃度進(jìn)一步提高了3.2mg/L時(shí)，NH4+-N的含量甚至高于原水。分析原因，可能是臭氧本身所具有的強(qiáng)氧化性將水中的有機(jī)氮氧化成了NH4+-N，在AOB沒有恢復(fù)的情況下，就出現(xiàn)了出水NH4+-N含量增加的情況。而伴隨著原水接入時(shí)間的延長，臭氧對于微生物的抑制作用有了很大的下降，AOB逐漸恢復(fù)，會(huì)將NH4+-N氧化成NO2--N的，繼而提高對于NH4+-N的去除效果。結(jié)合NH4+-N去除效率的回歸分析，NH4+-N的去除率與恢復(fù)階段生物膜中的AOB數(shù)量存在著指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到92%。在R3反應(yīng)器中，由于臭氧質(zhì)量濃度較高，對于生物膜的沖擊和破壞更加強(qiáng)烈，因此在120h時(shí)，AOB的數(shù)量剛剛恢復(fù)到對照組的水平，所有反應(yīng)器在NH4+-N的去除方面效果相差不大而且較為穩(wěn)定[2]。

（2）NO2--N的去除效果：在加入臭氧后，NO2--N的氧化能力大大減弱，而且反應(yīng)器對于NO2--N的降解作用出現(xiàn)了積累現(xiàn)象，并沒有迅速恢復(fù)，臭氧濃度越大，積累現(xiàn)象越明顯，在24h時(shí)，四臺(tái)反應(yīng)器出水NO2--N積累量均達(dá)到最大值。而在硝化過程中，NOB會(huì)將AOB生成的NO2--N氧化成NO3--N，相關(guān)研究認(rèn)為，在對于氧的競爭中，NOB處于相對劣勢的位置，因此在恢復(fù)運(yùn)行初期，AOB得到迅速恢復(fù)，NOB則沒有恢復(fù)，導(dǎo)致NO2--N無法得到及時(shí)降解，出現(xiàn)了積累現(xiàn)象。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fenix，進(jìn)水NO2--N質(zhì)量濃度的波動(dòng)使得R1和R3范引起在48h內(nèi)，對于NO2--N的去除率處于最低水平，在72h時(shí)，R1反應(yīng)器的去除效果有所恢復(fù)，但是也僅有24.9%；運(yùn)行到192h時(shí)，反應(yīng)器對于NO2--N的去除效果恢復(fù)到了85%左右，與對照組相當(dāng)[3]。由此可知，在臭氧沖擊后的第8天，管道生物膜能夠恢復(fù)對于NO2--N的講解作用。

（3）TOC去除效果：TOC是對水體有機(jī)污染進(jìn)行評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，在遠(yuǎn)距離輸水管道中，生物膜中的HPC能夠?qū)λw中的有機(jī)物進(jìn)行去除，臭氧沖擊結(jié)束后，生物膜受損，HPC的數(shù)量明顯下降，對于TOC的去除效果也隨之降低。在進(jìn)水中，ρ（TOC）在2.22-2.56mg/L左右，對照組R0出水的ρ（TOC）在1.46-1.70mg/L，平均去除率35.48%。加入臭氧后，出水TOC會(huì)有所升高，而且與臭氧的濃度呈正比關(guān)系。分析原因，主要是臭氧造成的生物膜損壞使得部分生物膜脫落，水體中的ρ（TOC）有所上升。模擬反應(yīng)器是對管道中某一固定段的模擬，伴隨著水流的持續(xù)流通，恢復(fù)原水運(yùn)行后臭氧濃度也會(huì)隨之減少，HPC得到迅速恢復(fù)，也使得反應(yīng)器對于TOC的去除效果不斷增強(qiáng)，第6天時(shí)，所有反應(yīng)器的出水ρ（TOC）基本與對照組相當(dāng)，表明生物膜對于TOC的降解能力得到了完全恢復(fù)[4]。

3 結(jié)論

結(jié)合上述試驗(yàn)分析，臭氧對于管道生物膜凈水效能的影響非常顯著，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）加入臭氧后，對于管道中的生物膜會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損害，生物膜中的HPC數(shù)量下降到不足原本的20%，對于AOB則達(dá)到了100%滅活。不過，當(dāng)原水恢復(fù)運(yùn)行后，臭氧會(huì)在水中分解成氧氣，為生物膜的恢復(fù)提供良好的條件。（2）加入臭氧后，生物膜對于NH4+-N的去除效果明顯降低，臭氧的投入量越大，影響越明顯，而且其本身的氧化作用會(huì)導(dǎo)致NH4+-N的增加，不過相對而言影響較小，在恢復(fù)運(yùn)行5d后，NH4+-N的去除效果會(huì)恢復(fù)到原來的水平。（3）臭氧會(huì)影響反應(yīng)器對于NO2--N的氧化能力，引發(fā)積累現(xiàn)象，在第8d左右恢復(fù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉揚(yáng)陽.長距離輸水管道生物膜凈水效能影響因素研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]李星，楊陽玲，李雨婷.臭氧對管道生物膜凈水效能的影響[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（6）：912-918.

[3]安鵬，徐曉晨，楊鳳林，張捍民，王明明.臭氧/紫外協(xié)同作用處理腈綸廢水[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，（01）：135-139.

[4]何世傳，朱昌平，單鳴雷，馮若. 超聲聯(lián)合臭氧用于廢水處理的研究進(jìn)展[J].聲學(xué)技術(shù)，2005，（03）：173-177.

作者簡介：胡晶瑩（1983-），女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)閮羲?