自來水廠砂濾池附著物對氨氮污染物的降解分析

于婷婷 陳仁杰 劉明輝 吳俊康

摘 要：自來水廠出水中氨氮污染物濃度超標(biāo)會對供水系統(tǒng)產(chǎn)生潛在負(fù)面影響，從而降低城市供水安全，影響人體健康。本文對自來水廠砂濾池表面附著物進(jìn)行氨氮污染物降解試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：處理72天過程中，提取液1與2均具有良好的氨氮降解性能，氨氮濃度均逐漸降低至完全降解，表明砂濾池中含有一定活性的微生物，能夠?qū)Π钡廴疚镞M(jìn)行降解。

關(guān)鍵詞：飲用水; 砂濾池; 氨氮; 水污染

中圖分類號：X131.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-221-002

1.引言

飲用水水質(zhì)安全及其對人體健康的影響已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)之一。氨氮已成為影響飲用水水質(zhì)的一類主要微污染物質(zhì)，并且是我國自來水廠進(jìn)出水監(jiān)控的一項(xiàng)重要指標(biāo)。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006中規(guī)定氨氮（以N計）/（mg/L）濃度最高限值為0.5。飲用水中氨氮濃度過高將帶來諸多危害，如：（1）助長藻類的生長，影響飲用水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行;（2）氨氮被管網(wǎng)中硝化細(xì)菌降解成亞硝酸鹽，并消耗大量氧氣。而亞硝酸鹽是世界衛(wèi)生組織公認(rèn)的人體致毒物和致癌前驅(qū)物^[1]，從而影響供水安全。此外，古其會等^[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)出廠水氨氮含量大于0.3mg/L時，會引發(fā)輸配水管網(wǎng)中產(chǎn)生臭味，隨之滋生大量的病毒、細(xì)菌、浮游生物等微生物，造成水質(zhì)惡化^[3，4];（3）出廠水中殘留的氨氮會引起輸配水過程中的管道腐蝕^[5]。砂濾過程一般是自來水廠消毒殺菌前的最后一道工序，濾料表面通常會附著生長一些活性微生物，其具有一定的氨氮深度降解潛能。故本文對自來水廠中砂濾池不同部位提取的微生物菌液進(jìn)行氨氮污染物降解分析，以期為飲用水氨氮深度去除和保障供水安全提供一定的指導(dǎo)。

2.材料與方法

2.1附著物提取

從自來水廠砂濾池頂部不同部位取一定體積的石英砂，用水溶液將取到的砂粒進(jìn)行混合振蕩，以將附著在砂粒表面的微生物提取到水溶液中。

2.2培養(yǎng)液配制

參考Kits等人^[6]的硝化細(xì)菌培養(yǎng)基，用超純水配置1L培養(yǎng)液（不含氨氮），將配置好的培養(yǎng)液經(jīng)高溫高壓（120℃，0.2MPa）滅菌后，保存至4℃冰箱備用。培養(yǎng)液具體組分見表1。

2.3氨氮降解試驗(yàn)

將上述提取獲得的附著物溶液離心（9300rpm/min，每次10min）富集后，分別重懸于3個含有100mL上述培養(yǎng)液的試劑瓶中，分別標(biāo)記為提取液1和提取液2。然后在試劑中分別加入1mL和2.5mL氨氮污染物，使得100mL體系中氨氮污染物濃度為1mg/L和2.5mg/L。最后將試劑瓶放置在15℃避光條件下震蕩培養(yǎng)72d，培養(yǎng)期間每隔1-2周進(jìn)行取樣測試，分析溶液中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度。

2.4分析方法

氨氮濃度利用96孔板采用水楊酸-次氯酸鈉分光光度法測量^[7]。亞硝酸鹽氮濃度利用96孔板采用Griess試劑法測量^[8]。硝酸鹽氮濃度利用強(qiáng)還原劑三氯化釩將硝酸根還原成亞硝酸根，通過測量總亞硝酸鹽氮濃度計算定量硝酸鹽氮濃度^[8]。

3.結(jié)果與討論

經(jīng)過72d對自來水廠砂濾池附著物氨氮降解性能的測試，獲得了提取液1與提取液2中氨氮、亞硝氮以及硝氮濃度隨時間變化的趨勢圖，對其降解效果進(jìn)行分析與討論。

3.1提取液1氨氮污染物降解分析

如圖1所示，氨氮含量在72d處理過程中隨著時間增加而逐漸降低，在21d時降解率達(dá)到60%，并補(bǔ)充添加氮源至1.0mg/L;此后，經(jīng)過24d到達(dá)45d時，氨氮降解率達(dá)到100%，再次補(bǔ)充添加氮源至1.0mg/L，60d后氨氮濃度降解至0，這表明提取液1對氨氮具有較高的降解活性，且降解速率逐步增加。

整個處理過程中亞硝酸鹽氮含量基本為0，只在第45d時有短暫的亞硝酸鹽積累，但隨后又逐步降為0;而硝態(tài)氮含量整體呈上升趨勢，平均增長速率為0.0273mg/（L·d），這進(jìn)一步表明提取液1具有較高的氨氮降解潛力，且氨氮全部被降解為硝酸鹽，硝化性能良好。

氨氮氧化降解作用一般由兩步完成：第一步，在氨氧化細(xì)菌催化作用下將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮^[9];第二步，在亞硝酸氧化細(xì)菌催化作用下將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮^[10]。同時，研究發(fā)現(xiàn)氨氮氧化過程也可由“一站式”完全氨氧化細(xì)菌將氨氮直接氧化為硝酸鹽氮^{[11，12]}。故推測砂濾池提取液中含有較高豐度的硝化細(xì)菌，如氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和完全氨氧化細(xì)菌，此類菌群能夠?qū)钡耆到鉃橄跛猁}氮。

3.2提取液2氨氮污染物降解分析

如圖2所示，當(dāng)氨氮初始投加濃度增加到2.5mg/L時，整個處理過程中氨氮濃度隨時間逐漸降低，在21d時降解率為10%，30d時降解率為16%，45d時氨氮降解率達(dá)到100%，其平均降解速率為0.0556mg/（L·d），在30-45d內(nèi)氨氮降解速率最高，高達(dá)0.14mg/（L·d）。而亞硝酸鹽氮在整個處理過程基本為零，僅在45d時出現(xiàn)峰值積累，濃度達(dá)到1.8mg/L，但隨后又逐步降為0，這表明提取液具有良好的亞硝酸鹽降解活性。此外，硝酸鹽氮含量整體呈上升趨勢，在14、45d略有降低，平均增長速率為0.0364mg/（L·d），這表明提取液2在處理氨氮微污染水源水（氨氮濃度大于1mg/L）時，具有良好的氨氮污染物降解潛力。

4.結(jié)論與展望

提取液1與提取液2的氨氮降解性能均較好，且氨氮處理過程中基本沒有生成亞硝酸鹽氮，氨氮被完全轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。故自來水廠砂濾池中存在一定活性的氨氮降解微生物，能對飲用水中氨氮進(jìn)行深度降解。目前水廠中氨氮去除主要通過折點(diǎn)加氯法去除，但該方法投加氯量不易控制，同時會導(dǎo)致含氯消毒副產(chǎn)物的生成，從而容易產(chǎn)生“三致”問題。此外，折點(diǎn)加氯法對氨氮的去除效果有限，特別是冬季水廠出廠水中氨氮會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，且生產(chǎn)費(fèi)用支出過大^[13]。而生物處理方法成本低，無二次化學(xué)污染，其在飲用水氨氮預(yù)處理或強(qiáng)化處理中已受到廣泛關(guān)注，但其受環(huán)境影響較大，如溫度、溶解氧濃度等。故進(jìn)一步解析砂濾池附著物中微生物功能及其受環(huán)境變化的影響，能夠?yàn)榇_保飲用水氨氮穩(wěn)定高效去除提供獨(dú)特的理論與技術(shù)支持，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)保障飲水質(zhì)量安全、改善飲水水質(zhì)、保護(hù)人民群眾生命健康安全、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)與水資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20200778）

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作者簡介：于婷婷，女，研究方向：水處理技術(shù)與水污染控制。通訊作者簡介：吳俊康，男，博士，副教授，研究方向：水處理技術(shù)與水污染控制。E-mail：wjkang@njfu.edu.cn