原水水质对输水管道硝化作用形成的影响

中国环境科学2014,34(2)：359~363ChinaEnvironmentalScience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)摘要：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--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.关键词：生物膜；原水水质；硝化作用；输水管道中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)02-0359-05Effectofrawwaterqualityonformationofnitrificationinwaterdistributionpipes.ZHANGDa,YANGYan-ling*,LIXing,XIANGKun,LIUYang-yang,XUMei-ling,HUANGLiu,CHENNan(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(2)：359~363Abstract：Effectofrawwaterqualityonnitrificationformationanditsinfluenceoneffluentinwaterdistributionpipeswerestudiedbypipelinereactorssimulatedthewatersituation.WatersampleswerepreparedinlaboratorytosimulateClassⅡ,ClassⅢandClassⅤofthesurfacewaterstandard.Theresultsshowedthattheconcentrationofammonianitrogen(NH4+-N)anddissolvedoxygen(DO)inrawwaterhadsignificanteffectonNH4+-Nremoval.UndersufficientDO,removalrateofNH4+-NimprovedwiththeincreasingNH4+-Nconcentrationinrawwater.WhenDOwasinsufficient,NH4+-NremovalwaslimitedbyDO.Accumulationofnitritenitrogen(NO2--N)wassignificantlyaffectedbyconcentrationofNH4+-Ninrawwateratinitialstageofbiofilmformation.NO2--NaccumulatedmoreseriouswithhigherNH4+-Ncontent,buttheinfluencegraduallyweakenedasthebiofilmmatured.ThequantityofAOBwasconsiderablyaffectedbyconcentrationofNH4+-Ninrawwater,andAOBquantityincreasedwiththeconcentrationofNH4+-N.ThequantityofNOBwasconsiderablyaffectedbytheconcentrationofbothNH4+-NandDOinrawwater.LowDOconcentrationwouldinhibitactivityofNOB,resultedinfewerquantityofNOBandlessaccumulationofNO2--N.Nitrificationinwaterdistributionpipeswasgeneratedbynitrifyingbacteriainthebulkwaterandbiofilm,butbiofilmnitrifybacteriahadahigherlevelthanbulknitrifybacteria.Keywords：biofilm；rawwaterquality；nitrification；waterdistributionpipes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、且微污染收稿日期：2013-05-16基金项目：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,[e-mail]360中国环境科学34卷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,NH4+-N、亚硝酸盐氮(NO2--N)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NH4+-N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NO2--N浓度增加[5-8],造成NO2--N积累,NO2--N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NH4+-N氧化为NO2--N,NO2--N通过亚硝化细菌(NOB)转化为硝酸盐氮(NO3--N),从而可降低原水中NH4+-N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分析方法浊度采用浊度仪(HACH,2100N)测定,NH4+-N采用《水质铵的测定纳氏试剂比色法》(GB7479-87)测定,NO2--N采用《水质亚硝酸盐氮的测定分光光度法》(GB7493-87)测定,NO3--N采用《水质硝酸盐氮的测定紫外分光光度法》(GB7480-87)测定,DO采用在线溶解氧仪测定,UV254采用紫外分光光度计测定,正磷酸盐(PO43-)采用《水质磷的测定钼锑抗分光光度法》(GB11893-89)测定,AOB和NOB的培养采用SorianoandWalker培养基,采用3管MPN稀释培养计数方法测定,28℃黑暗培养28d后计数.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](GB3838-2002)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Table1Rawwaterqualityduringthetest水样编号浊度(NTU)NH4+-N(mg/L)NO2--N(mg/L)NO3--N(mg/L)DO(mg/L)UV254(cm-1)PO43-(mg/L)Ⅱ1.05~1.310.373~0.5470.011~0.0191.482~1.5547.28~7.680.012~0.0160.048~0.096Ⅲ1.71~2.130.916~1.1200.034~0.0501.934~2.1885.31~6.250.018~0.0220.215~0.287Ⅴ2.29~2.751.796~1.9300.078~0.0922.898~3.1402.96~3.620.022~0.0280.334~0.4022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2期张达等：原水水质对输水管道硝化作用形成的影响361快,使得出水的DO浓度均在3mg/L以内.59131721252932373944485256123456789DO(mg/L)时间(d)Ⅱ进水Ⅲ进水Ⅴ进水Ⅱ出水Ⅲ出水Ⅴ出水1图1管道模拟反应器出水DO随时间的变化Fig.1VariationofDOinreactors2.2NH4+-N、NO2--N及NO3--N随时间的变化水中NH4+-N、NO2--N及NO3--N浓度变化间接反映了水中的硝化过程.5913172126293337414549535700.51.01.52.02.5NH4+-N(mg/L)时间(d)Ⅱ进水Ⅲ进水Ⅴ进水Ⅱ出水Ⅲ出水Ⅴ出水1图2管道模拟反应器出水NH4+-N浓度随时间的变化Fig.2VariationofNH4+-Nconcentrationinreactors由图2可见,运行第3d,各模拟反应器出水的NH4+-N浓度均有一定程度降低,说明模拟反应器内存在一定的硝化作用.随着时间的延长,各模拟反应器对NH4+-N的去除率均逐渐增大,并均在43d附近趋于稳定,对应出水中NH4+-N浓度分别降至0.1,0.2,0.6mg/L,去除率分别达到75%、82%和70%.三个模拟水样中NH4+-N含量均值分别为0.460,1.031,1.853mg/L,对于水样Ⅱ和Ⅲ,整个试验期间DO充足,原水中NH4+-N含量为影响硝化细菌去除NH4+-N主要因素,原水NH4+-N浓度越高,去除效率越高;而水样Ⅴ在整个试验期间的DO浓度均小于3mg/L,DO成为影响硝化细菌去除NH4+-N主要因素,导致对NH4+-N的去除效率下降.另外,整个试验期间反应器对NH4+-N的去除率呈跳跃式增长,反映硝化细菌呈对数生长的规律,存在适应期、对数生长期和稳定期三个阶段[12].4913172125283337414549535700.51.01.52.02.5NO2--N(mg