艾海男，王銀亮，黃 維，樊磊磊，何 強(qiáng) （重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

不同水力條件下排水管道生物膜中氮元素分布特性

艾海男*，王銀亮，黃 維，樊磊磊，何 強(qiáng) （重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

在壁面剪切力為1.0，1.5，2.0Pa條件下培養(yǎng)排水管道生物膜，利用微電極測試技術(shù)對生物膜進(jìn)行生長過程及成熟生物膜內(nèi)部DO、、、分布規(guī)律進(jìn)行研究.結(jié)果表明：1.0，1.5，2.0Pa條件下培養(yǎng)的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm；1.0，1.5Pa條件下的生物膜內(nèi)存在好氧、缺氧環(huán)境，在其中發(fā)生了硝化和反硝化反應(yīng)，而2.0Pa條件下的生物膜內(nèi)只存在好氧環(huán)境，只發(fā)生了硝化反應(yīng).生物膜厚度影響著溶解氧在膜內(nèi)的分布，繼而影響著N在膜內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程.

水力條件；管道生物膜；微電極；脫氮

排水管道作為排水系統(tǒng)的重要組成部分，通常認(rèn)為其作用只是收集和輸送污水.實(shí)際上，由于排水管道內(nèi)特殊的構(gòu)造，使得其內(nèi)部形成了好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，從而讓污染物的生物化學(xué)降解成為了可能.近年來，國內(nèi)外研究者針對排水管道內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)及其產(chǎn)物等方面做了相關(guān)研究，主要集中在以下幾個方面：排水管道內(nèi)甲烷、H2S等氣體產(chǎn)生［1-3］，管道腐蝕等現(xiàn)象［4］，將排水管道作為反應(yīng)器［5］.

有研究表明，附著在排水管道壁面的生物膜是生物降解的主要場所［6］.生物膜不同于活性污泥系統(tǒng)，膜內(nèi)部的環(huán)境要素分布特性極大地影響著物質(zhì)在其中的遷移轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而決定了污染物的降解效能.另外，生物膜表面的水力特性對于物質(zhì)從水相遷移至膜中也有著重要的影響［7］.在不同的流態(tài)下，水流對生物膜的沖刷剪切作用不同，從而影響排水管道內(nèi)管壁生物膜的附著與剝離，進(jìn)而使管道生物膜組成、數(shù)量和活性等發(fā)生改變.此外水流流態(tài)還直接影響物質(zhì)從水相到生物膜的傳質(zhì)過程，進(jìn)而影響生物膜對于有機(jī)物的降解過程.

近年來，微電極技術(shù)的發(fā)展使人們能實(shí)現(xiàn)對生物膜微觀層面的原位研究.微電極即微型化的傳感器，電極尖端直徑可以達(dá)到微米級別.國內(nèi)外學(xué)者對此展開了很多研究，包括微觀濃度場的分布特性［8-9］、微觀特征參數(shù)的解析［10-11］等.

本文利用微電極技術(shù)對排水管道內(nèi)不同流態(tài)下培養(yǎng)的生物膜進(jìn)行測試，獲得生物膜內(nèi)部氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及溶解氧的分布規(guī)律，進(jìn)而分析生物膜內(nèi)部氮元素的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，旨在探索水流流態(tài)對管道生物膜脫氮過程的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與條件

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 An illustration of the experimental system

表1 人工配水成分Table 1 Composition of synthetic wastewater

本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃制作的反應(yīng)器模擬下水道.裝置示意如圖1所示，4個密封的反應(yīng)器串聯(lián)排列，反應(yīng)器高150mm，內(nèi)徑80mm，內(nèi)壁貼有PVC薄片作為生物膜生長的載體，下部放置磁力攪拌器攪拌模擬水流沖刷剪切力，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速與剪切力的關(guān)系［12］為：

式中：τ表示剪切力（Pa），r表示轉(zhuǎn)速（r/min）.

反應(yīng)器總水力停留時間為4h.設(shè)置3組此反應(yīng)器，分別在轉(zhuǎn)速為402，507，600r/min條件下運(yùn)行，其對應(yīng)的剪切力為1.0，1.5，2.0Pa.根據(jù)前期研究，排水管道管壁剪切力主要受流速影響［13］，1.0，1.5，2.0Pa剪切力對應(yīng)的壁面流速分別為0.403，0.847，1.293m/s.在這3種水力條件下培養(yǎng)生物膜，定期取出測試其厚度，待其厚度不再發(fā)生變化即認(rèn)為已達(dá)到成熟，取出用微電極測定生物膜內(nèi)部物質(zhì)濃度分布情況，主要包括DO、、、，測試時生物膜置于原環(huán)境條件下.

實(shí)驗(yàn)采用人工配水，配方見表1.為了更好的模擬真實(shí)廢水中的情況，配水中還加入了生物膜生長所需的微量元素.

1.2 微電極測試系統(tǒng)

圖2 微電極測試系統(tǒng)示意Fig.2 An illustration of the microelectrode measurement system

微電極測試系統(tǒng)示意如圖2所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物膜厚度變化情況

生物膜生長實(shí)驗(yàn)持續(xù)45d，在生物膜生長過程中，對于每套系統(tǒng)，期間定期取出生物膜樣品，通過微電極測定每個PVC膜片上生物膜的厚度［14］，得到不同時期生物膜的厚度.測定結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同剪切力下生物膜厚度隨時間的變化Fig.3 Variation in biofilm thicknesses over time under different shear stresses

在不同的水力條件下，生物膜厚度的變化都有著相似的規(guī)律.首先，生物膜厚度的增長在15～25d內(nèi)達(dá)到最大值，表明在這一階段生物膜的生長速率大于脫落速率.在厚度達(dá)到最大之后的5～10d左右，由于生物膜厚度的生長，使得脫落速率不斷增大而大于生長速率，因而生物膜厚度出現(xiàn)了一定程度的減小.最終，當(dāng)生物膜的生長速率與脫落速率逐漸達(dá)到平衡，生物膜的厚度也趨于穩(wěn)定.在本實(shí)驗(yàn)條件下，1.0，1.5，2.0Pa 3種水力條件下對應(yīng)的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9± 0.1），（1.6±0.1）mm.

2.2 不同剪切力條件下生物膜內(nèi)N元素分布特性

2.2．1 1.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布 當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為402r/min，即模擬1.0Pa沖刷剪切力時，生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，其厚度不再變化，總厚度為（2.3±0.1）mm.分別用DO、、微電極測定生物膜內(nèi)各種物質(zhì)濃度的分布情況.測定結(jié)果如圖4所示.

圖4 1.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布Fig.4 Dsitributions of DO，inside the biofilm under 1.0Pa

從圖4中可見，隨著生物膜深度的增加，DO濃度逐漸減小，從表面處的2.85mg/L降低到底部的0.08mg/L，上部為好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐步趨近于厭氧環(huán)境，這為同步硝化反硝化的反生提供了有利的條件.由于傳質(zhì)阻力的存在濃度沿生物膜厚度方向逐漸降低，從4.79mg/L降低到2.70mg/L.濃度從3.01mg/L降低到1.14mg/L，一方面是因?yàn)樯喜枯^多的發(fā)生硝化反應(yīng)生成了，另一方面是因?yàn)榈撞康娜毖醐h(huán)境導(dǎo)致了反硝化反應(yīng)的發(fā)生，不利于的積累.總體含量較少，其濃度從0.42mg/L增大到0.65mg/L，這是因?yàn)檎麄€生物膜內(nèi)均存在溶解氧，抑制了積累，而膜底部溶解氧略低且反硝化反應(yīng)會生成，故底部濃度與表面處相比有所增大.

2.2．2 1.5Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布 當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為507r/min，即模擬1.5Pa沖刷剪切力時，生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，其厚度為（1.9±0.1）mm.這時從反應(yīng)器中取出生物膜，分別用DO、、、微電極測定生物膜內(nèi)各種物質(zhì)濃度的分布情況.測定結(jié)果如圖5所示.

圖5 1.5Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布Fig.5 Dsitributions of DO，，，inside the biofilm under 1.5Pa

圖5中物質(zhì)濃度的總體變化趨勢與圖4相同，DO濃度由2.96mg/L降低到0.15mg/L，上部仍然為處于好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐漸趨近于厭氧環(huán)境，比圖4中的DO略高，這是因?yàn)?.5Pa剪切力條件下，水流紊動性更強(qiáng)，更有利于DO從水相到生物膜的傳質(zhì).濃度則比圖4中的略小，由4.66mg/L降低到2.47mg/L，這是因?yàn)檩^多溶解氧的存在使得更容易發(fā)生硝化反應(yīng)生成，因而濃度也比圖4中略高.與圖4中相比，圖5中濃度同樣也較低，由0.41mg/L增大到0.58mg/L，比圖4中還略低.

2.2．3 2.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為600r/min，即模擬2.0Pa沖刷剪切力時，生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，其厚度為（1.6±0.1）mm.這時從反應(yīng)器中取出生物膜，分別用DO、、、微電極測定生物膜內(nèi)各種物質(zhì)濃度的分布情況.測定結(jié)果如圖6所示.

圖6中DO濃度由3.04mg/L降低到0.49mg/L，含量較高，整個生物膜內(nèi)均為好氧條件.濃度與另外兩種情況相比較低，這是因?yàn)檩^高的溶解氧更有利于的氧化.濃度較高，且其變化趨勢與另外兩種情況相反，由3.66mg/L增大到4.94mg/L，這是因?yàn)檎麄€生物膜均處于好氧狀態(tài)，內(nèi)部沒有反硝化反應(yīng)的發(fā)生，硝化反應(yīng)生成的于生物膜內(nèi)得到積累，而上部生成的從生物膜內(nèi)進(jìn)入到水體，故上部濃度較低.由于沒有反硝化反應(yīng)發(fā)生，所以濃度很低，少量的是由部分氧化而生成.

圖6 2.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布Fig.6 Dsitributions of DO，inside the biofilm under 2.0Pa

雷諾比擬假說的數(shù)學(xué)表達(dá)式如（2）所示：

式中：Dr為徑向紊動擴(kuò)散系數(shù)；τ為距管軸為r處的紊動切應(yīng)力；u為距管軸為r處的流體流速.

從式（2）中可以看出，切應(yīng)力τ越大，物質(zhì)的徑向紊動擴(kuò)散系數(shù)越大，即意味著越有利于物質(zhì)的擴(kuò)散.實(shí)驗(yàn)中隨著剪切力的逐漸增大，越有利于DO向膜內(nèi)的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致生物膜內(nèi)溶解氧逐漸增大，進(jìn)而決定了生物膜內(nèi)微環(huán)境的差別及物質(zhì)濃度分布的差異.

3 結(jié)論

3.1 生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，1.0，1.5，2.0Pa 3種水力條件下對應(yīng)的生物膜厚度分別為（2.3± 0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm，生物膜厚度隨著剪切力的增大而逐漸減小.

3.2 1.0，1.5Pa水力條件下生物膜內(nèi)存在好氧、缺氧環(huán)境，有利于硝化和反硝化反應(yīng)的發(fā)生，即有利于脫氮過程的發(fā)生.而2.0Pa剪切力條件下整個生物膜內(nèi)均為好氧條件，并沒有反生反硝化反應(yīng)，不利于脫氮過程的進(jìn)行.

3.3 管壁剪切力是生物膜內(nèi)微環(huán)境特征最主要的影響因素，直接決定了生物膜內(nèi)DO分布，進(jìn)而影響N元素的分布.而管壁剪切力主要由流速決定，在實(shí)際管道設(shè)計(jì)過程中，可以考慮通過控制流速達(dá)到最優(yōu)剪切力條件，創(chuàng)造有利于脫氮的環(huán)境.

［1］Foley J， Yuan Z G， Lant P. Dissolved methane in rising main sewer systems： field measurements and simple model development for estimating greenhouse gas emissions ［J］. Water Science and Technology， 2009，60（11）：2963-2971.

［2］Guisasola A， de Haas D， Keller J， et al. Methane formation in sewer systems ［J］. Water Research， 2008，42（6/7）：1421-1430.

［3］Liu Y， Ni B， Ganigue R， et al. Sulfide and methane production in sewer sediments ［J］. Water Research， 2015，70：350-359.

［4］Vollertsen J， Nielsen A H， Jensen H S， et al. Corrosion of concrete sewers - The kinetics of hydrogen sulfide oxidation ［J］. Science of the Total Environment， 2008，394（1）：162-170.

［5］Ellis J B， Yu W. Bacteriology of urban runoff： The combined sewer as a bacterial reactor and generator ［J］. Water Science and Technology， 1995，31（7）：303-310.

［6］Chen G H， Leung D， Huang J C. Removal of dissolved organic carbon in sanitary gravity sewer ［J］. Journal of Environmental Engineering-Asce， 2001，127（4）：295-301.

［7］周小紅，施漢昌，何 苗.采用微電極測定溶解氧有效擴(kuò)散系數(shù)的研究 ［J］. 環(huán)境科學(xué)， 2007，28（3）：598-602.

［8］Satoh H， Ono H， Rulin B， et al. Macroscale and microscale analyses of nitrification and denitrification in biofilms attached on membrane aerated biofilm reactors ［J］. Water Research， 2004，38（6）：1633-1641.

［9］宋慧敏，周小紅，張永明，等.基于微電極技術(shù)的反硝化濾池生物膜特性分析 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2012，32（5）：850-854.

［10］Horn H， Hempel D C. Mass transfer coefficients for an autotrophic and a heterotrophic biofilm system ［J］. Water Science and Technology， 1995，32（8）：199-204.

［11］邱玉琴，周小紅，施漢昌.廢水生物膜動力學(xué)參數(shù)的研究方法 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2008，28（8）：679-682.

［12］Sudarjanto G， Gutierrez O， Ren G， et al. Laboratory assessment of bioproducts for sulphide and methane control in sewer systems ［J］. Science of the Total Environment， 2013，443：429-437.

［13］李茂林.基于PIV與FLUENT的排水管道流態(tài)研究 ［D］. 重慶：重慶大學(xué)， 2013.

［14］Lee W H， Pressman J G， Wahman D G， et al. Characterization and application of a chlorine microelectrode for measuring monochloramine within a biofilm ［J］. Sensors and Actuators B-Chemical， 2010，145（2）：734-742.

The distribution characteristics of nitrogen element in sewer biofilm under different hydraulic conditions.

AI Hai-nan*， WANG Yin-liang， HUANG Wei， FAN Lei-lei， HE Qiang （Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400045， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：2991～2995

The processes of sewer biofilm growth and the distribution of DO，inside the mature biofilms cultured under wall shear stersses of 1.0， 1.5， 2.0Pa were measured by microelectrode testing technique. The results show as follows： the thicknesses of biofilms cultured under wall shear stresses of 1.0， 1.5， 2.0Pa are （2.3±0.1）， （1.9±0.1），（1.6±0.1）mm， respectively；aerobic area and anoxic area were found in biofilms cultured under wall shear stresses of 1.0Pa and 1.5Pa， which indicates nitrification and denitrification existed inside the above biofilms； only aerobic area was found in biofilm cultured under 2.0Pa， indicating only nitrification existed in that biofilm. Thickness of biofilm affects the distribution of DO in biofilm， subsequently affecting the process of transport and transformation of nitrogen in biofilm.

hydraulic condition；sewer biofilm；microelectrode；denitrification

X703.3

A

1000-6923（2015）10-2991-05

艾海男（1982-），男，湖南新邵人，副教授，博士，主要從事廢水處理理論與技術(shù)研究.發(fā)表論文30余篇.

2015-03-20

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51108480）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（106112012CDJZR210025）

* 責(zé)任作者， 副教授， aihainan@126.com