楊艷玲，張 達(dá)，李 星，相 坤，劉揚(yáng)陽(yáng)

(北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100124北京)

研究發(fā)現(xiàn)，輸水管道［1］在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)附著生長(zhǎng)微生物形成生物膜，生物膜的生物作用能夠在一定程度上凈化輸送水質(zhì)［2］，其中重要的兩種生物作用是好氧硝化細(xì)菌的硝化作用和微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用.目前有關(guān)硝化作用的研究大都集中在供水管道，研究結(jié)果表明，在供水管道發(fā)生硝化作用會(huì)引起氯胺的衰減、pH和堿度的降低、異養(yǎng)菌(HPC)數(shù)量的增加和亞硝酸氮(NO2

--N)的積累等一系列水質(zhì)問題［3-6］.但發(fā)生在輸水管道則不同，硝化細(xì)菌將氨氮(NH4+-N)氧化為NO2

--N和硝酸氮(NO3--N)后能有效降低原水NH4

+-N質(zhì)量濃度［7］.活性微生物能降解水中一些有機(jī)物，從而使原水中有機(jī)物含量降低.朱永娟等［2］以廣州南部供水工程的長(zhǎng)距離輸水管道為研究對(duì)象，結(jié)果表明，輸水管道中和 TOC含量均下降;曲志軍等［8］研究了原水在管道輸送中的變化規(guī)律，結(jié)果表明原水在輸送過程中，濁度和有機(jī)物均明顯降低.

目前有關(guān)輸水管道生物凈水作用的研究主要集中在管道中水質(zhì)的變化，有關(guān)生物凈水作用形成過程的研究鮮有報(bào)道.目前，我國(guó)地表水源富營(yíng)養(yǎng)化問題較嚴(yán)重，研究并充分利用長(zhǎng)距離輸水管道內(nèi)生物膜的生物凈水效能提高輸送水質(zhì)，有利于降低水廠處理成本以及提高供水水質(zhì).本文采用實(shí)驗(yàn)室配水的方式模擬水源水，采用管道模擬系統(tǒng)模擬原水輸送管道，通過連續(xù)檢測(cè)進(jìn)水、出水水質(zhì)和生物膜中微生物數(shù)量，系統(tǒng)地研究了輸水管道生物凈水效能的形成過程，以期為調(diào)控和優(yōu)化其生物凈水效能提供理論和技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，管道模擬反應(yīng)器有效容積為1.0 L，進(jìn)水流量為8 mL/min，水力停留時(shí)間為2 h，安裝20個(gè)聚乙烯(PE)材質(zhì)掛片繞中心軸以轉(zhuǎn)速80 r/min旋轉(zhuǎn)，以模擬實(shí)際原水輸送管道中水流的剪切作用.此外安裝有在線溶解氧(DO)探頭，保證各參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).在管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行后，定期檢測(cè)進(jìn)、出水水質(zhì)以及掛片生物膜上微生物數(shù)量.

圖1 管道模擬反應(yīng)器裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)水樣

采用市政自來水，結(jié)合需要配制的原水水質(zhì)，酌情添加適量生活污水、氯化銨及腐殖酸配制實(shí)驗(yàn)水樣.實(shí)驗(yàn)期間原水水溫為18℃，水質(zhì)情況見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

1.3 分析項(xiàng)目與方法

生物膜水樣的制備:采用滅菌棉簽沿相同方向擦拭掛片掛膜面5～6次后放入盛有10 mL解析液的試管中，然后將試管置于超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)的KQ-500B型，超聲電功率為500 W，工作頻率為40 kHz)作用20 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 硝化作用形成過程

2.1.1 NH4+-N及NO2--N隨時(shí)間的變化

實(shí)驗(yàn)期間管道模擬反應(yīng)器中NH4+-N和NO2--N隨時(shí)間的變化分別見圖2、3.

圖2 NH4+-N隨時(shí)間的變化

由圖2可見，隨著管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，NH4+-N去除率呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，在運(yùn)行19 d后達(dá)到最大值93%，并在運(yùn)行43 d附近趨于穩(wěn)定(75%左右).由于硝化細(xì)菌呈對(duì)數(shù)生長(zhǎng)，存在適應(yīng)期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期3個(gè)階段，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間管道模擬反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除率呈跳躍式增長(zhǎng).

由圖3可見，隨著管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，出水NO2--N質(zhì)量濃度先逐漸升高后降低，最終趨于穩(wěn)定，在運(yùn)行17 d后積累量達(dá)到最大值0.596 mg/L，之后隨著生物膜的不斷成熟，NO2--N積累量逐漸降低，并在運(yùn)行35 d后趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在0.02 mg/L左右.

圖3 NO2--N隨時(shí)間的變化

2.1.2 生物膜中AOB和NOB的變化

AOB將NH4+-N氧化為NO2--N，NOB 將NO2--N氧化為NO3--N，可通過AOB和NOB數(shù)量的變化直接反映硝化作用過程［9］.實(shí)驗(yàn)期間管道模擬反應(yīng)器生物膜中AOB和NOB數(shù)量檢測(cè)結(jié)果見表2.

表2 生物膜中AOB和NOB數(shù)量

由表2可見，生物膜中AOB和NOB的數(shù)量均是先增加后降低，最后趨于穩(wěn)定，管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行初期，生物膜中AOB和NOB數(shù)量相近，反應(yīng)器內(nèi)沒有出現(xiàn)NO2--N的積累;隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，AOB的增長(zhǎng)速率大于NOB，從第9天開始管道模擬反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)了NO2--N的積累，生物膜中AOB數(shù)量明顯高于NOB數(shù)量，說明AOB和NOB不同的生長(zhǎng)速率造成了NO2--N的積累，之后隨著生物膜的成熟，生物膜中AOB數(shù)量均高于NOB數(shù)量，說明在原水輸送管道中，AOB在與NOB的競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)，且AOB相比NOB是優(yōu)勢(shì)菌種，這與已有研究結(jié)果一致［10-12］.

2.2 有機(jī)物降解作用形成過程

2.2.1 UV254隨時(shí)間的變化

UV254與TOC、DOC和COD等之間均有一定的相關(guān)性［13-14］，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中可以將UV254作為反映有機(jī)物含量的指標(biāo)，間接反映水體中有機(jī)物污染程度.實(shí)驗(yàn)期間管道模擬反應(yīng)器中UV254隨時(shí)間的變化見圖4.可以看出，活性微生物降解了水體中部分有機(jī)物，管道模擬反應(yīng)器出水UV254含量整體呈下降趨勢(shì)，先逐漸降低后趨于穩(wěn)定，且在運(yùn)行45 d后對(duì)UV254的去除率達(dá)到穩(wěn)定(30%左右).

圖4 UV254隨時(shí)間的變化

2.2.2 生物膜中HPC數(shù)量的變化

HPC相比細(xì)菌總數(shù)能更好地反映活性微生物的數(shù)量［15］，本實(shí)驗(yàn)采用HPC數(shù)量的變化反映生物膜中微生物的生長(zhǎng)狀況.實(shí)驗(yàn)期間管道模擬反應(yīng)器生物膜中HPC數(shù)量檢測(cè)結(jié)果見表3.可以看出，管道模擬反應(yīng)器在運(yùn)行初期，生物膜中HPC數(shù)量較少，因?yàn)樘幱诖穗A段的微生物雖然活性較高、繁殖速度較快，但附著生長(zhǎng)性能較弱.隨著管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，附著態(tài)微生物數(shù)量增加，使得其生物膜中HPC數(shù)量逐漸升高，且在運(yùn)行25 d后達(dá)到最大值1.6×105CFU/cm2.但由于微生物種群的更替，生長(zhǎng)周期更長(zhǎng)且更適應(yīng)附著生長(zhǎng)的微生物成為生物膜中活性微生物的主要組成部分，而微生物總量不再增加，導(dǎo)致管道模擬反應(yīng)器生物膜中HPC數(shù)量降低.隨著微生物種群的進(jìn)一步更替，管道模擬反應(yīng)器生物膜內(nèi)的活性微生物數(shù)量達(dá)到最適宜附著性微生物生長(zhǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)，且在運(yùn)行45 d后其生物膜中HPC數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定，在1.1×105CFU/cm2左右.

表3 生物膜中HPC數(shù)量

2.3 濁度去除變化

已有研究表明，濁度可間接反映水中微生物的數(shù)量，可通過控制水中濁度有效控制微生物的數(shù)量［15］.圖5為管道模擬反應(yīng)器出水濁度隨時(shí)間的變化.可以看出，管道模擬反應(yīng)器出水濁度整體呈下降趨勢(shì)，對(duì)濁度的去除率呈現(xiàn)先增加后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且呈跳躍增長(zhǎng).管道模擬反應(yīng)器在運(yùn)行45 d后生物膜達(dá)到穩(wěn)定，對(duì)濁度的去除率穩(wěn)定在30%左右.

圖5 濁度隨時(shí)間的變化

原因是掛膜初期，微生物高活性、快速的繁殖速度以及較弱的附著生長(zhǎng)性能使得水中懸浮微生物較多，出水濁度較高;隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，附著態(tài)微生物增加，濁度的去除率增加，但此階段生物膜還未完全成熟穩(wěn)定，故懸浮菌的增加以及生物膜的脫落導(dǎo)致了濁度去除率的跳躍式增長(zhǎng);生物膜達(dá)到成熟穩(wěn)定后，生物膜內(nèi)微生物數(shù)量達(dá)到最適于附著態(tài)微生物的穩(wěn)定狀態(tài)，故對(duì)濁度的去除率基本保持穩(wěn)定.

2.4 PO43-去除變化

PO43-是容易被細(xì)菌直接吸收利用的磷源［16］，本實(shí)驗(yàn)采用出水 PO43-的變化反映對(duì)磷的去除效果.管道模擬反應(yīng)器出水PO43-隨時(shí)間的變化見圖6.可以看出，管道模擬反應(yīng)器出水PO質(zhì)量濃度有一定程度的降低，在運(yùn)行19 d后，對(duì)PO43-的去除率達(dá)最大值42.45%，之后隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)PO43-的去除率維持在13.64%～38.78%.原因是磷是微生物生長(zhǎng)所必須的元素，且生物除磷主要靠聚磷菌完成，聚磷菌在厭氧狀態(tài)下釋放磷，在好氧狀態(tài)下吸收磷［17］，因此，必須為聚磷菌提供厭氧/好氧或厭氧/缺氧的交替環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)生物除磷［18］.而本實(shí)驗(yàn)中，管道模擬反應(yīng)器在較高DO條件下掛膜運(yùn)行，一直未發(fā)生厭氧狀況，故對(duì)PO43-的去除率不高.

圖6 PO43-隨時(shí)間的變化

3 結(jié) 論

1)原水輸送管道生物凈水效能的形成過程中，NH4+-N和有機(jī)物等的去除均是先逐漸增大后趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值相比最大值稍有下降.

2)管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行45 d后生物膜達(dá)到穩(wěn)定，對(duì)NH4+-N的去除率穩(wěn)定在75%左右，出水NO2--N質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.02 mg/L左右;在輸水管道中，AOB相比NOB是優(yōu)勢(shì)菌種.

3)至生物膜穩(wěn)定，管道模擬反應(yīng)器對(duì)UV254、濁度、PO的去除率分別穩(wěn)定在約30%、30%和13.64%～38.78%.

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