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會對供水系統產生潛在負面影響，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行氨氮污染物降解試驗分析，結果表明：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，能夠對氨氮污染物進行降解。

關鍵詞：飲用水; 砂濾池; 氨氮; 水污染

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

1.引言

飲用水水質安全及其對人體健康的影響已經成為全球關注的焦點之一。氨氮已成為影響飲用水水質的一類主要微污染物質，并且是我國自來水廠進出水監控的一項重要指標。我國《生活飲用水衛生標準》GB5749-2006中規定氨氮（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正常運行;（2）氨氮被管網中硝化細菌降解成亞硝酸鹽，并消耗大量氧氣。而亞硝酸鹽是世界衛生組織公認的人體致毒物和致癌前驅物^[1]，從而影響供水安全。此外，古其會等^[2]發現當出廠水氨氮含量大于0.3mg/L時，會引發輸配水管網中產生臭味，隨之滋生大量的病毒、細菌、浮游生物等微生物，造成水質惡化^[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。

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培養液配制

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

2.3氨氮降解試驗

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上述培養液的試劑瓶中，分別標記為提取液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72d，培養期間每隔1-2周進行取樣測試，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.結果與討論

經過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時降解率達到60%，并補充添加氮源至1.0mg/L;此后，經過24d到達45d時，氨氮降解率達到100%，再次補充添加氮源至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;而硝態氮含量整體呈上升趨勢，平均增長速率為0.0273mg/（L·d），這進一步表明提取液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，研究發現氨氮氧化過程也可由“一站式”完全氨氧化細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菌，如氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌和完全氨氧化細菌，此類菌群能夠將氨氮完全降解為硝酸鹽氮。

3.2提取液2氨氮污染物降解分析

如圖2所示，當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時氨氮降解率達到100%，其平均降解速率為0.0556mg/（L·d），在30-45d內氨氮降解速率最高，高達0.14mg/（L·d）。而亞硝酸鹽氮在整個處理過程基本為零，僅在45d時出現峰值積累，濃度達到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，氨氮被完全轉化為硝態氮。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行深度降解。目前水廠中氨氮去除主要通過折點加氯法去除，但該方法投加氯量不易控制，同時會導致含氯消毒副產物的生成，從而容易產生“三致”問題。此外，折點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超標現象，且生產費用支出過大^[13]。而生物處理方法成本低，無二次化學污染，其在飲用水氨氮預處理或強化處理中已受到廣泛關注，但其受環境影響較大，如溫度、溶解氧濃度等。故進一步解析砂濾池附著物中微生物功能及其受環境變化的影響，能夠為確保飲用水氨氮穩定高效去除提供獨特的理論與技術支持，從而進一步實現保障飲水質量安全、改善飲水水質、保護人民群眾生命健康安全、促進社會經濟與水資源環境協調發展的目的。

基金項目：江蘇省自然科學基金項目（BK20200778）

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