原水水质对输水管道硝化作用形成的影响

张 达,杨艳玲,李 星,相 坤,刘扬阳,许美玲,黄 柳,陈 楠 (北京工业大学,北京市水质科学与水环境

原水水质对输水管道硝化作用形成的影响

张 达,杨艳玲*,李 星,相 坤,刘扬阳,许美玲,黄 柳,陈 楠 (北京工业大学,北京市水质科学与水环境

恢复工程重点实验室,北京 100124)

采用配制水样模拟Ⅱ类、Ⅲ类和劣Ⅴ类地表水,利用管道模拟反应器研究不同原水水质条件下输水管道中硝化作用的形成及对输水水质的影响.结果表明:原水中氨氮(NH4+-N)及溶解氧(DO)含量对 NH4+-N去除均有一定影响,DO充足时,去除率随原水中NH4+-N含量的增加而增加,DO浓度低时,DO成为影响NH4+-N去除的主要因素;原水NH4+-N含量对运行初期NO2--N积累有重要影响,NH4+-N含量越高,NO2--N积累量越大,随着生物膜的成熟,影响作用逐渐减弱;反应器中AOB数量主要受原水NH4+-N浓度的影响,随NH4+-N浓度升高而增加;NOB数量受NH4+-N和DO浓度的双重影响,DO含量低会抑制NOB活性,使NOB数量减少,导致NO2

生物膜；原水水质；硝化作用；输水管道

长距离输水工程作为缓解城市供水紧缺问题的有效措施在我国发展很快,迄今为止,我国已经设计实施了多项长距离输水工程[1].长距离输水管道在长期运行中不可避免附着生长生物膜,研究发现生物膜的生物作用能够使输送水的水质得到一定程度的净化[2],特别是好氧硝化细菌的硝化作用能有效降低原水中的氨氮(NH4+-N)[3].曲志军等[4]以深圳某低浊、高藻、且微污染较严重的输水管道为研究对象,结果表明原水在输送过程中,、亚硝酸盐氮均明显降低.鉴于目前我国地表水源富营养化问题普遍存在,而净水厂常规处理工艺对去除有限,研究长距离输水管道内硝化作用的形成过程及影响因素,充分利用长距离输水管道的生物净水作用提高输送水水质,对降低水厂处理成本、提高供水水质具有重要意义.

目前,国内外对管道硝化作用的研究主要集中在供水管道中.研究结果表明在供水管道中发生硝化反应会引起氯胺衰减、pH值和碱度降低、异养菌(HPC)数量和浓度增加[5-8],造成积累,会与水中的氨继续反应生成具有致癌作用的亚硝酸胺[9].但硝化作用发生在输水管道则不同,在硝化过程中氨氧化菌(AOB)将氧化为通过亚硝化细菌(NOB)转化为硝酸盐氮,从而可降低原水中含量.原水水质直接影响硝化细菌对营养物质的获取及对管道内溶解氧(DO)的消耗,进而影响管壁生物膜的形成及输送水水质, 但目前有关原水输水管道内硝化作用的研究鲜有报道.本文在实验室配制水样模拟Ⅱ类、Ⅲ类以及劣Ⅴ类地表水,通过连续监测管道模拟反应器内硝化细菌的生长及进出水水质,研究原水水质对硝化作用形成过程的影响,以期为长距离输水管道生物净水作用的调控及优化提供理论及技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验装置及方法

采用 3台管道模拟反应器并联运行,每个反应器内安装20个PE材质挂片,挂片绕反应器中心轴以 80r/min转速旋转,以模拟实际管道中水流对管壁生物膜的剪切作用.反应器有效容积为1L,进水流量为 0.48L/h,水力停留时间为 2.08h.反应器运行后定期检测进、出水水质及挂片生物膜上微生物量.

1.2 分析方法

1.3 原水水质

实验室配制水样,分别模拟地表水环境质量标准[10](GB 3838-2002)中Ⅱ类、Ⅲ类和劣Ⅴ类地表水,水样编号分别为Ⅱ、Ⅲ及Ⅴ,试验期间原水水温为18℃,主要水质指标见表1.

表1 试验期间原水水质Table 1 Raw water quality during the test

2 结果与讨论

2.1 管道模拟反应器中DO随时间的变化

氧是硝化反应过程中的电子受体,硝化细菌是高度的好氧菌,需要在DO充足条件下进行硝化作用.

由图1可见,由于硝化过程对DO的消耗,各模拟反应器出水DO浓度均有一定程度的降低.研究表明DO浓度在3mg/L以上,硝化作用才能顺利进行[11],由于水样Ⅱ、Ⅲ水质较好,整个试验期间模拟反应器出水DO浓度均在3mg/L以上,而水样Ⅴ原水中DO含量低,同时水质差导致运行中DO消耗快,使得出水的DO浓度均在3mg/L以内.

图1 管道模拟反应器出水DO随时间的变化Fig.1 Variation of DO in reactors

图2 管道模拟反应器出水NH4+-N浓度随时间的变化Fig.2 Variation of NH4+-N concentration in reactors

图3 管道模拟反应器出水NO2--N随时间的变化Fig.3 Variation of NO2--N in reactors

图5 各模拟反应器水中及生物膜中AOB和NOB随时间的变化Fig.5 Variation of AOB and NOB in the bulk water and biofilm with time

图4 管道模拟反应器出水NO3--N浓度随时间的变化Fig.4 Variation of NO3--N concentration in reactors with time

2.3 管道模拟反应器出水及生物膜中AOB和NOB的变化

AOB和NOB数量可直接反映模拟管道中的硝化作用[13].由图5可见,各管道模拟反应器水中及生物膜中均检测出相当数量的硝化细菌,可说明反应器内的硝化作用是水中及生物膜中硝化细菌共同作用的结果.另外运行一定时间后,各管道模拟反应器生物膜中硝化细菌数量明显高于水中的数量,表明长期运行的输水管道生物膜中的硝化作用占主导地位.这一结果与张永吉等

[9]在供水管网中的研究结果一致.

由图 5a可见,各管道模拟反应器生物膜中AOB数量均是先增大后减小最后趋于稳定,均在运行 25d后达到最大值,分别为 93,278, 679MPN/cm2,至生物膜成熟,各模拟反应器生物膜AOB数量可分别达到44,155,371MPN/cm2.由于 NH4+-N是 AOB生长的主要营养物,原水NH4+-N含量的增加,会导致模拟反应器生物膜中AOB数量的增加.

由图5b可见,水样Ⅱ、Ⅲ对应的管道模拟反应器生物膜中NOB数量均是先增大后减小最后趋于稳定,而水样Ⅴ对应的管道模拟反应器生物膜中 NOB数量却相对减少了,水样Ⅱ对应的管道模拟反应器运行25d后生物膜中NOB数量达到最大值16MPN/cm2,水样Ⅲ、Ⅴ对应的管道模拟反应器运行35d后生物膜中NOB数量分别达到最大值 87,10MPN/cm2,当生物膜成熟时,各管道模拟反应器生物膜中 NOB数量分别为 6,68, 5MPN/cm2.有研究发现NOB在DO<4.0mg/L时就会受到限制,而当DO<0.96mg/L时AOB活性才会受到限制[14],还有研究表明 NOB在氧的竞争中处于劣势[15],因此采用水样Ⅴ作为进水的管道模拟反应器中 NOB的活性受到了抑制,从而很好的解释了水样Ⅴ对应管道模拟反应器出水中NO2

--N积累较多,NO3--N积累却较少的原因.

综合以上对AOB和NOB的分析可知,管道模拟反应器的出水和生物膜中均存在 AOB和NOB,只是AOB数量均远大于NOB,说明在输水管道中,相比NOB,AOB是优势菌种,这与廖亮[16]的研究结果一致.王军[17]利用Monod动力学方程建立的管道硝化作用动力学模型得出了管道内AOB和 NOB的数量,结果也表明模拟管道中AOB数量较NOB占优势.有研究结果表明在供水管道中 AOB普遍存在,且其存在水平比较高,而 NOB仅存在于少量的生物膜样品中[18].通过以上实验结果可知,长期运行的输水管道水中也存在 NOB,只是其存在数量较生物膜中低,这一点与供水管道不同.

3 结论

3.4 输水管道中硝化作用是水中及生物膜中硝化细菌共同作用的结果,但生物膜中硝化细菌存在水平高,其硝化作用占主导地位.

[1] 陈涌城,张洪岩.长距离输水工程有关技术问题的探讨 [J]. 给水排水, 2002,28(12):1-4.

[2] 朱永娟,杨艳玲,李 星,等.长距离输水管道微生物存在水平及水质变化规律 [J]. 中国给水排水, 2012,28(21):34-36.

[3] 朱永娟,杨艳玲,李 星,等.预氯化对管道生物膜净水效能影响及性能恢复 [J]. 中国环境科学, 2013,33(5):843-847.

[4] 曲志军,尤作亮,徐洪福.原水水质在管道输送中的变化规律 [J].供水技术, 2007,1(2):5-9.

[5] Odell L H, Kirmeyer G J, Wilczak A, et al. Controlling nitrification in chloraminated systems [J]. American Water Works Association Journal., 1996,88(7):86-98.

[6] Kirmeyer G J, Odell H J, Jacangelo A W, et al. Nitrification occurrence and control in chloraminated water systems [Z]. Denver, CO: The Foundation and American Water Works Association; 1995.

[7] Wilczak A, Jacangelo J G.. Occurrence of nitrification in chloraminated distribution systems [J]. American Water Works Association Journal. 1996,88(7):74-85.

[8] Skadsen J. Effectiveness of high pH in controlling nitrification [J]. American Water Works Association Journal., 2002,94(7):73-84.

[9] 张永吉,周玲玲,李伟英.氯胺消毒给水管网中的硝化作用及其控制 [J]. 中国给水排水, 2008,24(2):6-9.

[10] GB3838-2002 地表水环境质量标准 [S].

[11] 刘丽君.供水过程中的硝化反应探讨 [J]. 给水排水, 1997,23(5): 8-10.

[12] 金吴云,刘灿灿,沈耀良.不同填料的曝气生物滤池的启动与挂膜对比研究 [J]. 苏州科技学院学报(工程技术版), 2007,20(4): 30-33.

[13] 赵乐乐,李 星,杨艳玲,等.给水管网中硝化作用的形成特性研究 [J]. 中国给水排水, 2011,27(9):37-40.

[14] American Water Works Association. Fundamentals and control of nitrification in chloraminated drinking water distribution System [M]. American: American Water Works Association, 2006.

[15] 王 磊,李海英,李雪娟,等.低溶解氧对生物膜特性的影响研究[J]. 中国给水排水, 2008,24(15):15-19.

[16] 廖 亮.给水处理中亚硝酸盐来源分析及控制 [D]. 西安:西安建筑科技大学, 2008.

[17] 王 军.氯胺消毒供水管网硝化作用及其控制措施研究型 [D].长沙:湖南大学, 2009.

[18] 周斌辉.氯胺消毒供水管网生物膜中的硝化菌群特性研究 [D].上海:上海交通大学生命科学技术学院, 2008.

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

张 达(1990-),女,河北保定人,北京工业大学硕士研究生,主要从事饮用水处理与保障技术研究.

2013-05-16

国家自然科学基金资助项目(51178003);北京市自然科学基金项目(8122013)

* 责任作者, 研究员, yangyanling@bjut.edu.cn

--N积累;输水管道中的硝化作用是水中及生物膜中硝化细菌共同作用的结果,但生物膜中硝化细菌存在水平高,其硝化作用占主导地位.