原水水質(zhì)對(duì)輸水管道硝化作用形成的影響

張 達(dá),楊艷玲,李 星,相 坤,劉揚(yáng)陽,許美玲,黃 柳,陳 楠 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境

原水水質(zhì)對(duì)輸水管道硝化作用形成的影響

張 達(dá),楊艷玲*,李 星,相 坤,劉揚(yáng)陽,許美玲,黃 柳,陳 楠 (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,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(yīng)器研究不同原水水質(zhì)條件下輸水管道中硝化作用的形成及對(duì)輸水水質(zhì)的影響.結(jié)果表明:原水中氨氮(NH4+-N)及溶解氧(DO)含量對(duì) NH4+-N去除均有一定影響,DO充足時(shí),去除率隨原水中NH4+-N含量的增加而增加,DO濃度低時(shí),DO成為影響NH4+-N去除的主要因素;原水NH4+-N含量對(duì)運(yùn)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(yīng)器中AOB數(shù)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(shù)量受NH4+-N和DO濃度的雙重影響,DO含量低會(huì)抑制NOB活性,使NOB數(shù)量減少,導(dǎo)致NO2

生物膜；原水水質(zhì)；硝化作用；輸水管道

長(zhǎng)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(fā)展很快,迄今為止,我國已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)施了多項(xiàng)長(zhǎng)距離輸水工程[1].長(zhǎng)距離輸水管道在長(zhǎng)期運(yùn)行中不可避免附著生長(zhǎng)生物膜,研究發(fā)現(xiàn)生物膜的生物作用能夠使輸送水的水質(zhì)得到一定程度的凈化[2],特別是好氧硝化細(xì)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(yán)重的輸水管道為研究對(duì)象,結(jié)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(yíng)養(yǎng)化問題普遍存在,而凈水廠常規(guī)處理工藝對(duì)去除有限,研究長(zhǎng)距離輸水管道內(nèi)硝化作用的形成過程及影響因素,充分利用長(zhǎng)距離輸水管道的生物凈水作用提高輸送水水質(zhì),對(duì)降低水廠處理成本、提高供水水質(zhì)具有重要意義.

目前,國內(nèi)外對(duì)管道硝化作用的研究主要集中在供水管道中.研究結(jié)果表明在供水管道中發(fā)生硝化反應(yīng)會(huì)引起氯胺衰減、pH值和堿度降低、異養(yǎng)菌(HPC)數(shù)量和濃度增加[5-8],造成積累,會(huì)與水中的氨繼續(xù)反應(yīng)生成具有致癌作用的亞硝酸胺[9].但硝化作用發(fā)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(xì)菌(NOB)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮,從而可降低原水中含量.原水水質(zhì)直接影響硝化細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲取及對(duì)管道內(nèi)溶解氧(DO)的消耗,進(jìn)而影響管壁生物膜的形成及輸送水水質(zhì), 但目前有關(guān)原水輸水管道內(nèi)硝化作用的研究鮮有報(bào)道.本文在實(shí)驗(yàn)室配制水樣模擬Ⅱ類、Ⅲ類以及劣Ⅴ類地表水,通過連續(xù)監(jiān)測(cè)管道模擬反應(yīng)器內(nèi)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)及進(jìn)出水水質(zhì),研究原水水質(zhì)對(duì)硝化作用形成過程的影響,以期為長(zhǎng)距離輸水管道生物凈水作用的調(diào)控及優(yōu)化提供理論及技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及方法

采用 3臺(tái)管道模擬反應(yīng)器并聯(lián)運(yùn)行,每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)安裝20個(gè)PE材質(zhì)掛片,掛片繞反應(yīng)器中心軸以 80r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),以模擬實(shí)際管道中水流對(duì)管壁生物膜的剪切作用.反應(yīng)器有效容積為1L,進(jìn)水流量為 0.48L/h,水力停留時(shí)間為 2.08h.反應(yīng)器運(yùn)行后定期檢測(cè)進(jìn)、出水水質(zhì)及掛片生物膜上微生物量.

1.2 分析方法

1.3 原水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)室配制水樣,分別模擬地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[10](GB 3838-2002)中Ⅱ類、Ⅲ類和劣Ⅴ類地表水,水樣編號(hào)分別為Ⅱ、Ⅲ及Ⅴ,試驗(yàn)期間原水水溫為18℃,主要水質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 試驗(yàn)期間原水水質(zhì)Table 1 Raw water quality during the test

2 結(jié)果與討論

2.1 管道模擬反應(yīng)器中DO隨時(shí)間的變化

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

由圖1可見,由于硝化過程對(duì)DO的消耗,各模擬反應(yīng)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(jìn)行[11],由于水樣Ⅱ、Ⅲ水質(zhì)較好,整個(gè)試驗(yàn)期間模擬反應(yīng)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(shí)水質(zhì)差導(dǎo)致運(yùn)行中DO消耗快,使得出水的DO濃度均在3mg/L以內(nèi).

圖1 管道模擬反應(yīng)器出水DO隨時(shí)間的變化Fig.1 Variation of DO in reactors

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

圖3 管道模擬反應(yīng)器出水NO2--N隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of NO2--N in reactors

圖5 各模擬反應(yīng)器水中及生物膜中AOB和NOB隨時(shí)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(yīng)器出水NO3--N濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of NO3--N concentration in reactors with time

2.3 管道模擬反應(yīng)器出水及生物膜中AOB和NOB的變化

AOB和NOB數(shù)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(yīng)器水中及生物膜中均檢測(cè)出相當(dāng)數(shù)量的硝化細(xì)菌,可說明反應(yīng)器內(nèi)的硝化作用是水中及生物膜中硝化細(xì)菌共同作用的結(jié)果.另外運(yùn)行一定時(shí)間后,各管道模擬反應(yīng)器生物膜中硝化細(xì)菌數(shù)量明顯高于水中的數(shù)量,表明長(zhǎng)期運(yùn)行的輸水管道生物膜中的硝化作用占主導(dǎo)地位.這一結(jié)果與張永吉等

[9]在供水管網(wǎng)中的研究結(jié)果一致.

由圖 5a可見,各管道模擬反應(yīng)器生物膜中AOB數(shù)量均是先增大后減小最后趨于穩(wěn)定,均在運(yùn)行 25d后達(dá)到最大值,分別為 93,278, 679MPN/cm2,至生物膜成熟,各模擬反應(yīng)器生物膜AOB數(shù)量可分別達(dá)到44,155,371MPN/cm2.由于 NH4+-N是 AOB生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)物,原水NH4+-N含量的增加,會(huì)導(dǎo)致模擬反應(yīng)器生物膜中AOB數(shù)量的增加.

由圖5b可見,水樣Ⅱ、Ⅲ對(duì)應(yīng)的管道模擬反應(yīng)器生物膜中NOB數(shù)量均是先增大后減小最后趨于穩(wěn)定,而水樣Ⅴ對(duì)應(yīng)的管道模擬反應(yīng)器生物膜中 NOB數(shù)量卻相對(duì)減少了,水樣Ⅱ?qū)?yīng)的管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行25d后生物膜中NOB數(shù)量達(dá)到最大值16MPN/cm2,水樣Ⅲ、Ⅴ對(duì)應(yīng)的管道模擬反應(yīng)器運(yùn)行35d后生物膜中NOB數(shù)量分別達(dá)到最大值 87,10MPN/cm2,當(dāng)生物膜成熟時(shí),各管道模擬反應(yīng)器生物膜中 NOB數(shù)量分別為 6,68, 5MPN/cm2.有研究發(fā)現(xiàn)NOB在DO<4.0mg/L時(shí)就會(huì)受到限制,而當(dāng)DO<0.96mg/L時(shí)AOB活性才會(huì)受到限制[14],還有研究表明 NOB在氧的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)[15],因此采用水樣Ⅴ作為進(jìn)水的管道模擬反應(yīng)器中 NOB的活性受到了抑制,從而很好的解釋了水樣Ⅴ對(duì)應(yīng)管道模擬反應(yīng)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(duì)AOB和NOB的分析可知,管道模擬反應(yīng)器的出水和生物膜中均存在 AOB和NOB,只是AOB數(shù)量均遠(yuǎn)大于NOB,說明在輸水管道中,相比NOB,AOB是優(yōu)勢(shì)菌種,這與廖亮[16]的研究結(jié)果一致.王軍[17]利用Monod動(dòng)力學(xué)方程建立的管道硝化作用動(dòng)力學(xué)模型得出了管道內(nèi)AOB和 NOB的數(shù)量,結(jié)果也表明模擬管道中AOB數(shù)量較NOB占優(yōu)勢(shì).有研究結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,長(zhǎng)期運(yùn)行的輸水管道水中也存在 NOB,只是其存在數(shù)量較生物膜中低,這一點(diǎn)與供水管道不同.

3 結(jié)論

3.4 輸水管道中硝化作用是水中及生物膜中硝化細(xì)菌共同作用的結(jié)果,但生物膜中硝化細(xì)菌存在水平高,其硝化作用占主導(dǎo)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(dá)(1990-),女,河北保定人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事飲用水處理與保障技術(shù)研究.

2013-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178003);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8122013)

* 責(zé)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(xì)菌共同作用的結(jié)果,但生物膜中硝化細(xì)菌存在水平高,其硝化作用占主導(dǎo)地位.