臭氧對管道生物膜凈水效能的影響

摘要：在經過臭氧處理后，生物膜中存在的異養菌的數量有了顯著下降，而當臭氧在水中分解后，產生的氧氣可以幫助生物膜的更新和恢復，確保其具備良好的凈水效果。本文結合相應的試驗，研究了臭氧對管道生物膜凈水效能的影響，希望能夠為水廠的技術更新提供一些參考。

關鍵詞：臭氧；管道生物膜；凈水效能；影響

中圖分類號：P642.5 文獻標識碼：A 文章編號：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行中，為了保證輸水管道的正常運行，抑制微生物的過度繁殖，一般會在水中加入液氯，改善缺氧引發的水質問題，但是這種措施會導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行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

結合環狀生物膜反應器（BAR）對輸水管道水質凈化的過程進行模擬，試驗裝置如圖所示。

在BAR內設置20個聚乙烯掛片，確保其能夠圍繞轉子中心軸勻速旋轉，轉速為80r/min，模擬水流對于生物膜的剪切作用。將4臺BAR并聯，以R0-R3進行編號，以方便調控。在相同條件下，模擬運行65d，生物膜成熟，然后保持R0不變，向其他三個反應器中加入臭氧溶液，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行檢測。

1.2 試驗方法

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，在超聲波清洗器中震蕩20min，取懸浮液進行檢測。

1.3 分析方法

用濁度儀進行濁度測定，以在線溶解氧儀對DO進行測定，以TOC分析儀對TOC進行測定，對于異養菌（HPC），可以選擇R2A培養基，在22℃的遮光環境下培養7d，然后進行計數[1]。

2 結果與討論

2.1 臭氧對生物膜的破壞和恢復

對照相應的數據分析，臭氧沖擊會導致生物膜的脫落，微生物數量明顯下降，而當臭氧濃度為0.7mg/L、1.5mg/L和3.2mg/L時，HPC的數量依次下降了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。氨氧化菌AOB對于環境因素極其敏感，因此即使臭氧溶度僅為0.7mg/L，也無法檢測到AOB的存在。

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

不過對照試驗結果來看，生物膜有著良好的恢復能力。在臭氧沖擊結束后，通入原水繼續運行24h，發現對照組生物膜中HPC的數量恢復到了105級，約為原本水平的55%-62%。72h后，AOB的數量恢復到了102級，與對照組基本持平。相關研究認為，在長期運行過程中，反應器中的泥沙以及部分惰性物質會導致生物膜活性的降低，嚴重的可能會抑制硝化菌的生長。以氧化劑對生物膜進行短時沖擊，能夠提升其活性，這一點從恢復運行120h后，HPC和AOB的數量均高于對照組就可以證實。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，為細菌的恢復提供了良好的環境，而受到臭氧沖擊死去的細菌也能夠為微生物的生長提供所需營養，加快細菌的繁殖速度。

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。當臭氧濃度為0.7mg/L以及1.5mg/L時，NH4+-N的去除率分別為38.49%和17.6%，當臭氧濃度進一步提高了3.2mg/L時，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氧化性將水中的有機氮氧化成了NH4+-N，在AOB沒有恢復的情況下，就出現了出水NH4+-N含量增加的情況。而伴隨著原水接入時間的延長，臭氧對于微生物的抑制作用有了很大的下降，AOB逐漸恢復，會將NH4+-N氧化成NO2--N的，繼而提高對于NH4+-N的去除效果。結合NH4+-N去除效率的回歸分析，NH4+-N的去除率與恢復階段生物膜中的AOB數量存在著指數關系，相關系數達到92%。在R3反應器中，由于臭氧質量濃度較高，對于生物膜的沖擊和破壞更加強烈，因此在120h時，AOB的數量剛剛恢復到對照組的水平，所有反應器在NH4+-N的去除方面效果相差不大而且較為穩定[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，而且反應器對于NO2--N的降解作用出現了積累現象，并沒有迅速恢復，臭氧濃度越大，積累現象越明顯，在24h時，四臺反應器出水NO2--N積累量均達到最大值。而在硝化過程中，NOB會將AOB生成的NO2--N氧化成NO3--N，相關研究認為，在對于氧的競爭中，NOB處于相對劣勢的位置，因此在恢復運行初期，AOB得到迅速恢復，NOB則沒有恢復，導致NO2--N無法得到及時降解，出現了積累現象。結合試驗數據Fenix，進水NO2--N質量濃度的波動使得R1和R3范引起在48h內，對于NO2--N的去除率處于最低水平，在72h時，R1反應器的去除效果有所恢復，但是也僅有24.9%；運行到192h時，反應器對于NO2--N的去除效果恢復到了85%左右，與對照組相當[3]。由此可知，在臭氧沖擊后的第8天，管道生物膜能夠恢復對于NO2--N的講解作用。

（3）TOC去除效果：TOC是對水體有機污染進行評價的一個重要指標，在遠距離輸水管道中，生物膜中的HPC能夠對水體中的有機物進行去除，臭氧沖擊結束后，生物膜受損，HPC的數量明顯下降，對于TOC的去除效果也隨之降低。在進水中，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會有所升高，而且與臭氧的濃度呈正比關系。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。模擬反應器是對管道中某一固定段的模擬，伴隨著水流的持續流通，恢復原水運行后臭氧濃度也會隨之減少，HPC得到迅速恢復，也使得反應器對于TOC的去除效果不斷增強，第6天時，所有反應器的出水ρ（TOC）基本與對照組相當，表明生物膜對于TOC的降解能力得到了完全恢復[4]。

3 結論

結合上述試驗分析，臭氧對于管道生物膜凈水效能的影響非常顯著，主要體現在三個方面：

（1）加入臭氧后，對于管道中的生物膜會產生較為嚴重的損害，生物膜中的HPC數量下降到不足原本的20%，對于AOB則達到了100%滅活。不過，當原水恢復運行后，臭氧會在水中分解成氧氣，為生物膜的恢復提供良好的條件。（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導致NH4+-N的增加，不過相對而言影響較小，在恢復運行5d后，NH4+-N的去除效果會恢復到原來的水平。（3）臭氧會影響反應器對于NO2--N的氧化能力，引發積累現象，在第8d左右恢復。

參考文獻

[1]劉揚陽.長距離輸水管道生物膜凈水效能影響因素研究[D].北京：北京工業大學，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].北京工業大學學報，2015，（6）：912-918.

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

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

作者簡介：胡晶瑩（1983-），女，碩士研究生，工程師，研究方向為凈水。