氯胺／亚氯酸盐对模拟给水管网硝化作用的控制＊

周玲玲，张永吉，叶河秀，宋正国，张一清

（1.同济大学城市污染控制国家工程研究中心，上海 200092； 2.同济大学苏州研究院，江苏苏州 215000；3.同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海 200092）

随着氯胺作为初级消毒剂和二级消毒剂的广泛应用，人们发现在使用氯胺消毒的管网中会发生硝化作用，出现管网中消毒剂减少，出水异养菌、亚硝酸盐和硝酸盐超标等水质问题.据调查，美国应用氯胺消毒63%的水厂发生硝化作用；我国由于水源水质污染严重，水中氨氮含量较高，目前我国部分使用氯胺消毒的城市给水管网中也发现存在硝化作用［1－3］.

硝化作用主要是由管网中的氨氧化菌（AOB）氧化水中的氨氮引起的，如何有效地灭活水中和管壁中的AOB成为控制管网硝化作用的关键［4］.氨氧化菌可在4～6.5mg／L的氯胺浓度下存活，美国95%以上管网系统中存在一定浓度的消毒剂，但多数管网内仍发生了硝化反应.因此当硝化作用发生时，单纯提高氯胺投量或改投氯并不能有效控制硝化作用［5］.

经过对现有技术文献检索发现，亚氯酸盐对AOB具有良好的灭活效果.本研究采用生物膜培养反应器（RAB）模拟实际管网，分别比较了氯胺、亚氯酸盐及氯胺与亚氯酸盐联用的方法对氨氧化细菌和异养菌的灭活效果，为更好地控制给水管网硝化作用提供科学依据.

1 试验材料与方法

1.1 试验方法

1.1.1 氯胺的配制

在pH为8.0的磷酸盐缓冲溶液中先加入25g／L的NH4Cl溶液，再缓慢加入400mg／L的NaClO溶液，同时不断地摇匀混合溶液，然后将混合物置于20℃左右的避光处反应30min后检测生成的一氯胺溶液浓度.氯胺浓度的测定方法见1.2.1.

1.1.2 试验装置及试验过程

试验装置采用生物膜培养反应器（RAB），如图1所示，其有效容积为800mL，水力停留时间为53～160min，每个RAB挂有20个挂片，挂片的挂膜面积为18.2cm2，安装于反应器的转子上，转子转速为50～150r／min.转子在直流电机的驱动下转动.

由于AOB的世代时间约为数小时至数天，一定浓度的AOB附着在管壁生长也需较长的时间.因此，为加速反应器内生物膜（硝化细菌和异养细菌构成）的形成，使用MPN培养基与自来水（水温25℃）按照1∶5的配比作为生物膜培养反应器的进水，在反应器运行的20d内连续检测反应器出水中亚硝酸氮浓度、pH和生物膜中AOB密度的变化.20d后R1，R2和R3反应器挂片上的AOB分别增至3 800MPN／cm2，2 400MPN／cm2和2 300 MPN／cm2，说明一定密度的AOB已经附着在生物膜中.接着以自来水作为反应器R1，R2和R3进水，3台反应器连续进出水，R1反应器连续5d投加0.6mg／L亚氯酸盐（亚氯酸钠0.80mg／L），R2反应器中投加0.6mg／L亚氯酸盐1d，接着投加（1.5±0.15）mg／L氯胺4d，R3反应器连续投加（1.5±0.25）mg／L氯胺.

图1 RAB装置示意图Fig.1 RAB experimental apparatus

1.2 检测方法

1.2.1 余氯

采用DPD法测定［6］.

1.2.2 异养菌（HPC）计数

水中悬浮菌的测定采用R2A培养基.R2A培养基组成如下：酵母浸膏0.5g，蛋白胨0.5g，酸水解干酪素0.5g，葡萄糖0.5g，可溶性淀粉0.5g，丙酮酸钠0.3g，磷酸氢二钾0.3g，七水合硫酸镁0.05 g，琼脂15g，pH＝7.0～7.2，1L蒸馏水.取悬浮菌液1mL，使用10%的生理盐水依次10倍稀释菌液，得到一系列稀释度的菌液，取100μL菌液平板涂布，23℃黑暗培养7d计数，以单位体积的细菌数表示（CFU／mL）.

1.2.3 生物膜上异养菌的测定

用2～3根灭菌的棉签从上到下擦拭挂片挂膜面5～6次，将擦拭完的棉签放入盛有10mL灭菌缓冲液的试管中，将试管置于超声波清洗器（功率250W）作用25min，再按照水中悬浮菌的测定方法测定生物膜中HPC数量，以单位面积的细菌数表示（CFU／cm2）.

1.2.4 氨氧化菌MPN计数法

氨氧化菌（AOB）的培养采用Soriano and Walker培养基，培养基的组成成分见表1.采用4管MPN稀释培养计数方法测定［7］.在12个试管中分别加入5mL培养基，分为3列，每列4个平行样.在每列中分别接种1，0.1和0.01mL样品，接种后将试管置于28℃恒温培养箱中黑暗培养21d.若需要稀释，则使用缓冲溶液稀释（SM9050C）［8］.将300 μL等体积的0.6%二甲基α萘胺和0.8%磺胺酸混合溶液加入到试管中，若在5min内呈深红色，则表明有亚硝酸氮生成，说明该样品中存在AOB［1］.

表1 MPN计数培养基组成成分Tab.1 Composition of the MPN enumeration

2 试验结果与讨论

2.1 氯胺对附着态和悬浮态AOB的灭活效果

图2是氯胺在5d内对生物膜和水中AOB的灭活情况.氯胺在前3d对AOB的灭活效率较高，特别是前24h的灭活效果明显，3d后灭活速率较为平缓.在前24h，氯胺对生物膜和水中的AOB的灭活速率分别是4.8×10－2log／h，5.7×10－2log／h.附着态的AOB在生物膜中的胞外聚合物（EPS）的保护下，对消毒剂具有一定的抗性，因此灭活速率较低［9］.本试验中，1.5mg／L氯胺灭活水中99%的AOB需要48h，CT99值是4 320mgCl2·min／L，而Cunliffe应用氯胺灭活水中99%的AOB所需CT99值是760mgCl2·min／L［5］.本研究结果较Cunliffe试验需要更长的时间，可能是由于AOB在管网系统中比在培养基生长的AOB对消毒剂具有更强的抗性，或者由于硝化细菌种类不同导致的差异.另外，实验中的水质条件存在一定差别，如水温和pH值等，可能也是导致不同CT99值的原因.

图2 氯胺对生物膜和水中AOB的灭活Fig.2 Biofilm AOB inactivation for chloramine

2.2 亚氯酸盐与氯胺联用对AOB的灭活效果

图3是单独亚氯酸盐及亚氯酸盐与氯胺联用对AOB的灭活情况.反应器R1投加0.6mg／L的亚氯酸盐5d，反应器R2中投加0.6mg／L亚氯酸盐1d，接着投加1.5mg／L的氯胺4d.24h之内2个反应器生物膜中AOB灭活速率在6.4×10－2～6.6×10－2log／h之间.而24h之后的灭活速率下降为0.6×10－2～0.7×10－2log／h，可以看出AOB的灭活主要发生在前24h.未投加消毒剂前，生物膜中AOB浓度约为3.6log MPN／cm2，而5d后降低至1.3log MPN／cm2，单独亚氯酸盐对悬浮态AOB的灭活速率与亚氯酸盐和氯胺联用时效果相当.比较R1和R2反应器中消毒剂对生物膜中的AOB的灭活效果，发现3d与5d的灭活效果相当，约灭活2.2log的AOB，说明3d的接触时间足以阻止AOB的生长.对于水中悬浮态的AOB也发现相同的规律，3d约灭活2.0log的AOB［10］.

图3 亚氯酸盐和亚氯酸盐、氯胺联用对生物膜和水中AOB的灭活Fig.3 Biofilm and bulk AOB inactivation for chlorite and chlorite switched to chloramine

表2比较了亚氯酸盐和氯胺对生物膜和水中AOB的2h内的灭活速率，可以看出，亚氯酸盐对生物膜和水中AOB的灭活速率要高于氯胺消毒.如当亚氯酸盐质量浓度为0.6mg／L时，对生物膜和水中AOB的灭活速率分别为6.4×10－2log／h和7.2×10－2log／h，而1.5mg／L二氧化氯对生物膜和水中AOB的灭活速率分别为4.8×10－2log／h和5.7×10－2log／h.Mcguire等对亚氯酸盐灭活AOB的机制进行了研究，认为当AOB氧化氨氮时会释放出氢离子，此时细胞内部膜结构中会呈现暂时的酸性pH条件，亚氯酸盐离子进入细菌内部形成二氧化氯（ClO2）［如式（1）所示］，较低浓度的二氧化氯就可以通过改变细胞膜的渗透性、损害合成细胞酶和蛋白质的功能，最终破坏核酸而实现对AOB的灭活［11］.

表2 氯胺和亚氯酸盐灭活AOB效果比较（24h）Tab.2 Inactivation rates for chloramine and chlorite based on 24hdosage

2.3 氯胺、亚氯酸盐对HPC的灭活效果比较

图4考察了氯胺对生物膜及水中悬浮异养菌的灭活效果.由图4可知，氯胺对水中异养菌的灭活速率要高于对生物膜中的异养菌的灭活速率，分别为8.3×10－2log／h和5.5×10－2log／h.

图4 氯胺对生物膜和水中HPC的灭活Fig.4 Biofilm and bulk HPC inactivation

图5是亚氯酸盐对异养菌的灭活效果.从图中可以看出，亚氯酸盐对生物膜和水中悬浮态HPC均没有灭活作用，HPC密度反而增加.连续投加0.6 mg／L亚氯酸盐，生物膜中的HPC由3.2×105CFU／cm2增加至1.9×106CFU／cm2，水中的HPC由最初的103CFU／mL增至105CFU／mL.Mcguire采用不同浓度的亚氯酸盐和接触时间对水中悬浮态HPC的灭活试验，证实亚氯酸盐对生物膜中的HPC没有灭活作用，与本文的研究结果是一致的，同时也说明亚氯酸盐对异养菌和AOB的作用机理不同［12］.在反应器中投加0.6mg／L的亚氯酸盐1d后转而投加1.5mg／L的氯胺，4d后生物膜中HPC减少了1.6logCFU／cm2，对比图2可知，亚氯酸盐与氯胺联用时，亚氯酸盐主要对AOB起到灭活作用，而氯胺除了对AOB有一定灭活效果外，对异养菌具有较好的灭活作用.亚氯酸根本身对氨氧化细菌和异养细菌均没有灭活作用，在2.2节中提到亚氯酸盐对AOB有灭活作用，而对异养细菌没有灭活作用的原因是异养细菌在利用底物的过程中内部不能形成酸性pH条件，因此不能形成二氧化氯.

图5 亚氯酸盐和氯胺对生物膜和水中异养菌的灭活Fig.5 Biofilm and bulk HPC inactivation for chlorite and chlorite switched to chloloramine

2.4 讨 论

研究显示，一旦给水管网中发生了硝化作用，通过提高氯胺浓度并不能对硝化作用起到理想的控制效果；另一方面，由于硝化作用管网中会生成大量的亚硝酸氮，亚硝酸氮与氯胺发生反应导致氯胺迅速衰减，因此难以保持足够的余氯浓度控制管网中的微生物生长.亚氯酸盐对AOB具有良好的灭活效果，通过投加亚氯酸盐，可以达到对硝化作用的有效控制.Michael进行的连续6个月中试试验结果证实，0.1mg／L的亚氯酸盐能够阻止已经发生的硝化作用，0.2mg／L亚氯酸盐可以抑制硝化作用数个星期，并且越高浓度的亚氯酸盐抑制硝化再次发生的时间越长［13］.McGuire的中试试验结果也证实连续投加0.2mg／L的亚氯酸盐可以有效控制硝化作用［13］.将氯胺与亚氯酸盐结合，充分利用氯胺对异养菌灭活效率高而亚氯酸盐对AOB灭活效率高的特点，可实现对管网中AOB和异养菌的灭活、硝化作用的控制.

然而，亚氯酸盐是一种对人体有害的物质，如何有效地控制其浓度在不影响人体健康的范围，还需进一步通过试验确定.

3 结 论

1）氯胺对水中和生物膜中的AOB均有一定的灭活效果，亚氯酸盐对水中和生物膜中AOB的灭活效果高于氯胺.

2）亚氯酸盐对异养菌没有灭活效果.

3）采用氯胺和亚氯酸盐联用可有效灭活AOB和异养菌，实现对管网硝化作用的控制.

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