預氯化對管道生物膜凈水效能影響及性能恢復

朱永娟,楊艷玲,李 星,趙樂樂

(北京工業大學,北京市水質科學與水恢復工程重點實驗室,北京 100124)

近年來,為解決淡水資源短缺、時空分布不均及城市水源污染所致的供水緊缺問題[1-2],我國實施了多項跨流域、跨地區的長距離輸水工程項目[3-4],長期運行的長距離輸水管壁上會附著生長多種微生物,并形成生物膜.研究表明,原水在輸送過程中氨氮、亞硝酸鹽氮由于水中硝化細菌的作用沿程降低,有機物呈降低趨勢[5],水質得到一定程度的凈化.如果將原水輸水管道作為凈水構筑物的一部分加以考慮,充分利用長距離輸送過程中“管道生物反應器”的生物凈水作用去除常規處理中難以去除的氨氮及有機物,就可以節省基建費用、降低水處理成本、提高供水水質,無論經濟效益還是社會效益都是顯著的.迄今為止關于長距離輸水管道管壁生物膜內微生物的研究還未見報道,關于其凈水效能的研究還是空白,所以本試驗是具有探索性和有創新意義的,研究成果將為現有長距離輸送項目的水質安全保障提供技術支持.一般情況下取水泵站會定期在取水口處投加液氯等氧化劑來控制藻類在管道內的繁殖,而預加氯會殺傷管壁生物膜,降低其活性,進而影響其凈水效能的發揮.故本試驗采用環狀生物膜管道反應器(BAR)模擬原水輸水管道,采用不同濃度的氯對模擬管道進行沖擊試驗,考察投加氯對管道生物膜凈水效能的影響及其性能恢復過程,增強生物膜的生物凈水作用,使其處于改善原水水質的良性作用狀態,以期為泵站加氯提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗原水

以廣東南部長距離輸水水源北江為試驗原水,試驗期間原水水質為 NH4+-N:0.466～0.654mg/L,NO2--N:0.010～0.038mg/L,錳酸鹽指數: 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 試驗裝置與方法

圖1 試驗裝置Fig.1 Experiment device

試驗裝置如圖1所示,4臺BAR并聯運行,BAR是一種用于模擬飲用水管網中各種水質參數和水力條件對管壁生物膜影響的實驗室物理模型[6],反應器內安裝掛片,通過檢測掛片上生物量考察管道內壁生物膜生長情況.反應器容積 900mL,轉子半徑 7cm,水力停留時間為2h,轉速 80r/min,相當于水流流速為 0.59m/s.連續檢測反應器進出水氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數和總磷,運行 50d后反應器對其去除效果穩定,進行氯沖擊實驗.取 1臺反應器做對照,其余 3臺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,將此時掛片取樣時間作為生物膜恢復開始時間 0h,之后將加氯水全部放出,通入原水運行并不斷檢測進出各項水質指標.

1.3 指標測定

1.3.1 常規指標 氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數、總磷均采用文獻[7]方法測定.

1.3.2 生物膜取樣及生物量測定 無菌條件下從反應器中取出掛片,使用 2～3根滅菌棉簽從上至下反復擦拭后,放入10mL無菌水中,于超聲波清洗器中振蕩 20min.取懸浮液進行生物量測定,氨氧化細菌(AOB)培養利用Soriano和Walker培養基,采用 3管 MPN稀釋培養計數方法測定,28℃黑暗培養21d后計數; 異養菌(HPC)采用R2A培養基,22℃黑暗培養7d計數.

2 實驗結果

2.1 氯沖擊對管壁生物膜的破壞及其恢復過程

表1 預氯化后異養菌(HPC)恢復情況 (CPU/mL)Table 1 Recovery of HPC after chlorination (CPU/mL)

表1和表2為預氯化對原水管壁生物膜中異養菌和氨氧化細菌的沖擊及其恢復情況,氯沖擊結束后,隨即取掛片檢測細菌數量,此時掛片取樣時間記為恢復時間 0h.對照組中異養菌數量為2.80×105CPU/mL,氯沖擊導致生物膜大量脫落,掛片生物量顯著下降[8],0.5,1.5,3.0mg/L余氯BAR中異養菌數量分別下降了2、3和4個數量級,可見,余氯濃度越大,對生物膜的損害越大.氨氧化細菌對環境因素非常敏感[9],當投加0.5mg/L余氯后,0h掛片上就幾乎檢測不到氨氧化細菌.

表2 預氯化后氨氧化細菌(AOB)恢復情況 (MPN/mL)Table 2 Recovery of AOB after chlorination (MPN/mL)

從試驗結果看,雖然氯沖擊對生物膜造成了嚴重損傷,但是生物膜的修復生長能力很強,掛片上剩余的生物量越多,生物膜恢復生長越快[10].通入原水運行 72h后,0.5,1.5mg/L余氯的反應器生物膜異養菌數量均達到 105級,氨氧化細菌數量達到102數量級,與對照組持平.分析認為,BAR反應器在長期運行中會產生泥沙堆積及惰性物質積累,造成生物膜活性降低,甚至某些物質的積累會對硝化菌造成抑制[11],而短時的氯沖擊有利于生物膜更新,增強生物膜活性,掛片經氯氧化之后更易于生物膜附著,同時,細菌會再次分泌一些黏性物質,而且水中營養物質充足,刺激微生物的生長,表現為恢復運行240h及 144h之后預氯化生物膜中異養菌和氨氧化細菌數量均高于對照組.

2.2 氯沖擊后生物膜對氨氮去除效果

由圖 2可見,投加氯明顯降低了生物膜對氨氮的去除效果,恢復運行 2h,余氯為 0.5,1.5,3.0mg/L時,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恢復較快,運行至第 72h時,氨氮出水濃度分別為 0.161mg/L 和0.174mg/L,去除率分別達到 74.40%和 72.34%,對照組出水濃度為0.152mg/L,而第72h時管道生物膜上氨氧化細菌數量已與對照組持平(表2).運行至第120h時,4臺BAR對氨氮的去除效果相當,繼續運行反應器,氨氮去除效果穩定,因此,恢復運行120h后,管道生物膜即可恢復對氨氮的去除效果.

圖2 恢復運行時進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NO2--N去除效果

從圖3a可見,沖擊性加氯之后,出現了顯著的亞硝酸鹽氮積累,且投氯量越大,積累現象越明顯,直到運行至第72h,0.5mg/L余氯的反應器才開始出現去除現象,但去除率較低,僅19.23%.運行至第216h時,NO2--N出水濃度均為0.001mg/L,各反應器表現出完全硝化作用,之后幾天反應器出水亞硝酸鹽氮穩定.亞硝酸鹽氧化細菌的生長速率遠小于氨氧化細菌[12],所以,生物膜經過216h的修復生長才恢復對亞硝酸鹽氮的降解作用.

圖3 恢復運行時進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 恢復運行時高錳酸鹽指數的變化Fig.4 Variation of permanganate index during recovery process

2.4 氯沖擊后生物膜對TP去除效果

氯沖擊后生物膜對TP去除效果如圖3b所示, 磷是微生物生長所需要的最重要的營養元素[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也使得水中磷含量降低,起到凈化水質的作用.對照組總磷出水濃度0.043mg/L,去除率達 21.82%,當投氯量達到1.5mg/L時,總磷出水濃度較進水升高,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物性質或者是氯的氧化作用使磷從生物膜中釋放出來所致[15].通入原水運行 24h之后,出水濃度才低于進水,對照組總磷的去除率維持在 18%～28%,預氯化反應器內總磷去除效果逐漸增強,運行至第264h時,4臺反應器總磷去除率均達到20%以上.

2.5 氯沖擊后生物膜對高錳酸鹽指數的影響

由圖4可見,氯沖擊導致出水高錳酸鹽指數升高,且余氯濃度越高,出水高錳酸鹽指數越高.張永吉[15]認為氯會與生物膜反應,使部分有機物從生物膜中溶解到水中,導致出水有機物濃度升高.恢復運行 192h后,3臺反應器出水濃度均低于對照組,生物膜對有機物的降解能力完全恢復過來.

3 結論

3.1 沖擊性加氯后掛片上異養菌數量迅速下降,幾乎檢測不出氨氧化細菌,對管道生物膜造成很大損傷,但短時的沖擊利于生物膜更新和微生物在掛片表面附著,恢復運行240h及144h后預氯化生物膜中異養菌和氨氧化細菌數量均高于對照.

3.2 加氯會明顯降低生物膜對氨氮的去除效果,投氯量越大,對去除效果影響越大,恢復運行120h,管道生物膜即可恢復對氨氮的去除效果.3.3 投加氯后出現了顯著的亞硝酸鹽氮積累,直到第72h,0.5mg/L余氯BAR才開始出現去除效果,去除率僅為19.23%.恢復運行216h即可恢復管道生物膜對亞硝酸鹽氮去除效果.

3.4 投氯量為1.5mg/L以上時,會造成出水總磷濃度升高,運行264h時,4臺反應器生物膜對總磷的去除效果相當,均達到 20%以上,同時,預氯化導致出水高錳酸鹽指數升高,運行192h后生物膜降解有機物能力恢復.

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