原水水質對輸水管道硝化作用形成的影響

張 達,楊艷玲,李 星,相 坤,劉揚陽,許美玲,黃 柳,陳 楠 (北京工業大學,北京市水質科學與水環境

原水水質對輸水管道硝化作用形成的影響

張 達,楊艷玲*,李 星,相 坤,劉揚陽,許美玲,黃 柳,陳 楠 (北京工業大學,北京市水質科學與水環境

恢復工程重點實驗室,北京 100124)

采用配制水樣模擬Ⅱ類、Ⅲ類和劣Ⅴ類地表水,利用管道模擬反應器研究不同原水水質條件下輸水管道中硝化作用的形成及對輸水水質的影響.結果表明:原水中氨氮(NH4+-N)及溶解氧(DO)含量對 NH4+-N去除均有一定影響,DO充足時,去除率隨原水中NH4+-N含量的增加而增加,DO濃度低時,DO成為影響NH4+-N去除的主要因素;原水NH4+-N含量對運行初期NO2--N積累有重要影響,NH4+-N含量越高,NO2--N積累量越大,隨著生物膜的成熟,影響作用逐漸減弱;反應器中AOB數量主要受原水NH4+-N濃度的影響,隨NH4+-N濃度升高而增加;NOB數量受NH4+-N和DO濃度的雙重影響,DO含量低會抑制NOB活性,使NOB數量減少,導致NO2

生物膜；原水水質；硝化作用；輸水管道

長距離輸水工程作為緩解城市供水緊缺問題的有效措施在我國發展很快,迄今為止,我國已經設計實施了多項長距離輸水工程[1].長距離輸水管道在長期運行中不可避免附著生長生物膜,研究發現生物膜的生物作用能夠使輸送水的水質得到一定程度的凈化[2],特別是好氧硝化細菌的硝化作用能有效降低原水中的氨氮(NH4+-N)[3].曲志軍等[4]以深圳某低濁、高藻、且微污染較嚴重的輸水管道為研究對象,結果表明原水在輸送過程中,、亞硝酸鹽氮均明顯降低.鑒于目前我國地表水源富營養化問題普遍存在,而凈水廠常規處理工藝對去除有限,研究長距離輸水管道內硝化作用的形成過程及影響因素,充分利用長距離輸水管道的生物凈水作用提高輸送水水質,對降低水廠處理成本、提高供水水質具有重要意義.

目前,國內外對管道硝化作用的研究主要集中在供水管道中.研究結果表明在供水管道中發生硝化反應會引起氯胺衰減、pH值和堿度降低、異養菌(HPC)數量和濃度增加[5-8],造成積累,會與水中的氨繼續反應生成具有致癌作用的亞硝酸胺[9].但硝化作用發生在輸水管道則不同,在硝化過程中氨氧化菌(AOB)將氧化為通過亞硝化細菌(NOB)轉化為硝酸鹽氮,從而可降低原水中含量.原水水質直接影響硝化細菌對營養物質的獲取及對管道內溶解氧(DO)的消耗,進而影響管壁生物膜的形成及輸送水水質, 但目前有關原水輸水管道內硝化作用的研究鮮有報道.本文在實驗室配制水樣模擬Ⅱ類、Ⅲ類以及劣Ⅴ類地表水,通過連續監測管道模擬反應器內硝化細菌的生長及進出水水質,研究原水水質對硝化作用形成過程的影響,以期為長距離輸水管道生物凈水作用的調控及優化提供理論及技術支持.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及方法

采用 3臺管道模擬反應器并聯運行,每個反應器內安裝20個PE材質掛片,掛片繞反應器中心軸以 80r/min轉速旋轉,以模擬實際管道中水流對管壁生物膜的剪切作用.反應器有效容積為1L,進水流量為 0.48L/h,水力停留時間為 2.08h.反應器運行后定期檢測進、出水水質及掛片生物膜上微生物量.

1.2 分析方法

1.3 原水水質

實驗室配制水樣,分別模擬地表水環境質量標準[10](GB 3838-2002)中Ⅱ類、Ⅲ類和劣Ⅴ類地表水,水樣編號分別為Ⅱ、Ⅲ及Ⅴ,試驗期間原水水溫為18℃,主要水質指標見表1.

表1 試驗期間原水水質Table 1 Raw water quality during the test

2 結果與討論

2.1 管道模擬反應器中DO隨時間的變化

氧是硝化反應過程中的電子受體,硝化細菌是高度的好氧菌,需要在DO充足條件下進行硝化作用.

由圖1可見,由于硝化過程對DO的消耗,各模擬反應器出水DO濃度均有一定程度的降低.研究表明DO濃度在3mg/L以上,硝化作用才能順利進行[11],由于水樣Ⅱ、Ⅲ水質較好,整個試驗期間模擬反應器出水DO濃度均在3mg/L以上,而水樣Ⅴ原水中DO含量低,同時水質差導致運行中DO消耗快,使得出水的DO濃度均在3mg/L以內.

圖1 管道模擬反應器出水DO隨時間的變化Fig.1 Variation of DO in reactors

圖2 管道模擬反應器出水NH4+-N濃度隨時間的變化Fig.2 Variation of NH4+-N concentration in reactors

圖3 管道模擬反應器出水NO2--N隨時間的變化Fig.3 Variation of NO2--N in reactors

圖5 各模擬反應器水中及生物膜中AOB和NOB隨時間的變化Fig.5 Variation of AOB and NOB in the bulk water and biofilm with time

圖4 管道模擬反應器出水NO3--N濃度隨時間的變化Fig.4 Variation of NO3--N concentration in reactors with time

2.3 管道模擬反應器出水及生物膜中AOB和NOB的變化

AOB和NOB數量可直接反映模擬管道中的硝化作用[13].由圖5可見,各管道模擬反應器水中及生物膜中均檢測出相當數量的硝化細菌,可說明反應器內的硝化作用是水中及生物膜中硝化細菌共同作用的結果.另外運行一定時間后,各管道模擬反應器生物膜中硝化細菌數量明顯高于水中的數量,表明長期運行的輸水管道生物膜中的硝化作用占主導地位.這一結果與張永吉等

[9]在供水管網中的研究結果一致.

由圖 5a可見,各管道模擬反應器生物膜中AOB數量均是先增大后減小最后趨于穩定,均在運行 25d后達到最大值,分別為 93,278, 679MPN/cm2,至生物膜成熟,各模擬反應器生物膜AOB數量可分別達到44,155,371MPN/cm2.由于 NH4+-N是 AOB生長的主要營養物,原水NH4+-N含量的增加,會導致模擬反應器生物膜中AOB數量的增加.

由圖5b可見,水樣Ⅱ、Ⅲ對應的管道模擬反應器生物膜中NOB數量均是先增大后減小最后趨于穩定,而水樣Ⅴ對應的管道模擬反應器生物膜中 NOB數量卻相對減少了,水樣Ⅱ對應的管道模擬反應器運行25d后生物膜中NOB數量達到最大值16MPN/cm2,水樣Ⅲ、Ⅴ對應的管道模擬反應器運行35d后生物膜中NOB數量分別達到最大值 87,10MPN/cm2,當生物膜成熟時,各管道模擬反應器生物膜中 NOB數量分別為 6,68, 5MPN/cm2.有研究發現NOB在DO<4.0mg/L時就會受到限制,而當DO<0.96mg/L時AOB活性才會受到限制[14],還有研究表明 NOB在氧的競爭中處于劣勢[15],因此采用水樣Ⅴ作為進水的管道模擬反應器中 NOB的活性受到了抑制,從而很好的解釋了水樣Ⅴ對應管道模擬反應器出水中NO2

--N積累較多,NO3--N積累卻較少的原因.

綜合以上對AOB和NOB的分析可知,管道模擬反應器的出水和生物膜中均存在 AOB和NOB,只是AOB數量均遠大于NOB,說明在輸水管道中,相比NOB,AOB是優勢菌種,這與廖亮[16]的研究結果一致.王軍[17]利用Monod動力學方程建立的管道硝化作用動力學模型得出了管道內AOB和 NOB的數量,結果也表明模擬管道中AOB數量較NOB占優勢.有研究結果表明在供水管道中 AOB普遍存在,且其存在水平比較高,而 NOB僅存在于少量的生物膜樣品中[18].通過以上實驗結果可知,長期運行的輸水管道水中也存在 NOB,只是其存在數量較生物膜中低,這一點與供水管道不同.

3 結論

3.4 輸水管道中硝化作用是水中及生物膜中硝化細菌共同作用的結果,但生物膜中硝化細菌存在水平高,其硝化作用占主導地位.

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Effect of raw water quality on formation of nitrification in water distribution pipes.

ZHANG Da, YANG Yan-ling*,

LI Xing, XIANG Kun, LIU Yang-yang, XU Mei-ling, HUANG Liu, CHEN Nan (Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(2)：359～363

Effect of raw water quality on nitrification formation and its influence on effluent in water distribution pipes were studied by pipeline reactors simulated the water situation. Water samples were prepared in laboratory to simulate ClassⅡ, Class Ⅲ and Class Ⅴof the surface water standard. The results showed that the concentration of ammonia nitrogen (NH4+-N) and dissolved oxygen (DO) in raw water had significant effect on NH4+-N removal. Under sufficient DO, removal rate of NH4+-N improved with the increasing NH4+-N concentration in raw water. When DO was insufficient, NH4+-N removal was limited by DO. Accumulation of nitrite nitrogen (NO2--N) was significantly affected by concentration of NH4+-N in raw water at initial stage of biofilm formation. NO2--N accumulated more serious with higher NH4+-N content, but the influence gradually weakened as the biofilm matured. The quantity of AOB was considerably affected by concentration of NH4+-N in raw water, and AOB quantity increased with the concentration of NH4+-N. The quantity of NOB was considerably affected by the concentration of both NH4+-N and DO in raw water. Low DO concentration would inhibit activity of NOB, resulted in fewer quantity of NOB and less accumulation of NO2--N. Nitrification in water distribution pipes was generated by nitrifying bacteria in the bulk water and biofilm, but biofilm nitrify bacteria had a higher level than bulk nitrify bacteria.

biofilm；raw water quality；nitrification；water distribution pipes

X703

：A

：1000-6923(2014)02-0359-05

張 達(1990-),女,河北保定人,北京工業大學碩士研究生,主要從事飲用水處理與保障技術研究.

2013-05-16

國家自然科學基金資助項目(51178003);北京市自然科學基金項目(8122013)

* 責任作者, 研究員, yangyanling@bjut.edu.cn

--N積累;輸水管道中的硝化作用是水中及生物膜中硝化細菌共同作用的結果,但生物膜中硝化細菌存在水平高,其硝化作用占主導地位.