臭氧对管道生物膜净水效能的影响
摘要：在经过臭氧处理后，生物膜中存在的异养菌的数量有了显著下降，而当臭氧在水中分解后，产生的氧气可以帮助生物膜的更新和恢复，确保其具备良好的净水效果。本文结合相应的试验，研究了臭氧对管道生物膜净水效能的影响，希望能够为水厂的技术更新提供一些参考。
关键词：臭氧；管道生物膜；净水效能；影响
中图分类号：P642.5 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0148-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.071
Abstract： After the ozone treatment， the number of heterotrophic bacteria present in the biofilm has decreased significantly. When the ozone is decomposed in water， the oxygen produced can help the biofilm to be renewed and restored to ensure that it has good water purification effect. In this paper， the effect of ozone on the water purification efficiency of pipeline biofilm was studied in the light of the corresponding experiment， hoping to provide some reference for the technical update of water plant.
Key words：Ozone；Pipeline biofilm；Water purification efficiency
在输水管道，尤其是长距离输水管道的运行中，为了保证输水管道的正常运行，抑制微生物的过度繁殖，一般会在水中加入液氯，改善缺氧引发的水质问题，但是这种措施会导致微生物的大量死亡，影响净水效果。对此，本文以臭氧代替液氯，就其对于管道生物膜净水效能的影响进行研究。
1 材料与方法
1.1 试验装置
结合环状生物膜反应器（BAR）对输水管道水质净化的过程进行模拟，试验装置如图所示。
在BAR内设置20个聚乙烯挂片，确保其能够围绕转子中心轴匀速旋转，转速为80r/min，模拟水流对于生物膜的剪切作用。将4台BAR并联，以R0-R3进行编号，以方便调控。在相同条件下，模拟运行65d，生物膜成熟，然后保持R0不变，向其他三个反应器中加入臭氧溶液，浓度依次为0.7mg/L，1.5mg/L，3.2mg/L。隔天对挂片生物膜上的微生物含量进行检测。
1.2 试验方法
以灭菌处理的棉签挂片挂膜面自上而下擦拭5-6次，然后将棉签放入到盛有10mL灭菌缓冲液的试管内，在超声波清洗器中震荡20min，取悬浮液进行检测。
1.3 分析方法
用浊度仪进行浊度测定，以在线溶解氧仪对DO进行测定，以TOC分析仪对TOC进行测定，对于异养菌（HPC），可以选择R2A培养基，在22℃的遮光环境下培养7d，然后进行计数[1]。
2 结果与讨论
2.1 臭氧对生物膜的破坏和恢复
对照相应的数据分析，臭氧冲击会导致生物膜的脱落，微生物数量明显下降，而当臭氧浓度为0.7mg/L、1.5mg/L和3.2mg/L时，HPC的数量依次下降了84%、93%和99%，由此可知，臭氧浓度越大，对于生物膜的破坏作用越强。氨氧化菌AOB对于环境因素极其敏感，因此即使臭氧溶度仅为0.7mg/L，也无法检测到AOB的存在。
结合臭氧的分子结构，其对于微生物的杀灭机制可以归结为三点：一是直接作用，破坏细菌和病毒的核酸及细胞器、蛋白质等，影响其代谢功能和繁殖过程；二是渗透到细胞膜组织中，与内部的脂多糖和外部的脂蛋白作用，增大细胞膜的通透性，造成细胞内部物质流失，失去活力；三是与基因的鸟嘌呤以及不饱和脂肪酸双键发生快速氧化反应，破坏细胞壁，对细胞内部的酶进行分解，导致细菌死亡。
不过对照试验结果来看，生物膜有着良好的恢复能力。在臭氧冲击结束后，通入原水继续运行24h，发现对照组生物膜中HPC的数量恢复到了105级，约为原本水平的55%-62%。72h后，AOB的数量恢复到了102级，与对照组基本持平。相关研究认为，在长期运行过程中，反应器中的泥沙以及部分惰性物质会导致生物膜活性的降低，严重的可能会抑制硝化菌的生长。以氧化剂对生物膜进行短时冲击，能够提升其活性，这一点从恢复运行120h后，HPC和AOB的数量均高于对照组就可以证实。分析原因，可能上臭氧在水中分解成了氧气，增加了水中的溶解氧，为细菌的恢复提供了良好的环境，而受到臭氧冲击死去的细菌也能够为微生物的生长提供所需营养，加快细菌的繁殖速度。
2.2 臭氧冲击后生物膜的净水效能
（1）NH4+-N的去除效果：在加入臭氧后，生物膜对于NH4+-N的去除效果有效明显的下降。在进水中，NH4+-N的含量为0.94-1.12mg/L，对照组R0出水的NH4+-N含量為0.2mg/L，平均去除率在81.9%左右。当臭氧浓度为0.7mg/L以及1.5mg/L时，NH4+-N的去除率分别为38.49%和17.6%，当臭氧浓度进一步提高了3.2mg/L时，NH4+-N的含量甚至高于原水。分析原因，可能是臭氧本身所具有的强氧化性将水中的有机氮氧化成了NH4+-N，在AOB没有恢复的情况下，就出现了出水NH4+-N含量增加的情况。而伴随着原水接入时间的延长，臭氧对于微生物的抑制作用有了很大的下降，AOB逐渐恢复，会将NH4+-N氧化成NO2--N的，继而提高对于NH4+-N的去除效果。结合NH4+-N去除效率的回归分析，NH4+-N的去除率与恢复阶段生物膜中的AOB数量存在着指数关系，相关系数达到92%。在R3反应器中，由于臭氧质量浓度较高，对于生物膜的冲击和破坏更加强烈，因此在120h时，AOB的数量刚刚恢复到对照组的水平，所有反应器在NH4+-N的去除方面效果相差不大而且较为稳定[2]。
（2）NO2--N的去除效果：在加入臭氧后，NO2--N的氧化能力大大减弱，而且反应器对于NO2--N的降解作用出现了积累现象，并没有迅速恢复，臭氧浓度越大，积累现象越明显，在24h时，四台反应器出水NO2--N积累量均达到最大值。而在硝化过程中，NOB会将AOB生成的NO2--N氧化成NO3--N，相关研究认为，在对于氧的竞争中，NOB处于相对劣势的位置，因此在恢复运行初期，AOB得到迅速恢复，NOB则没有恢复，导致NO2--N无法得到及时降解，出现了积累现象。结合试验数据Fenix，进水NO2--N质量浓度的波动使得R1和R3范引起在48h内，对于NO2--N的去除率处于最低水平，在72h时，R1反应器的去除效果有所恢复，但是也仅有24.9%；运行到192h时，反应器对于NO2--N的去除效果恢复到了85%左右，与对照组相当[3]。由此可知，在臭氧冲击后的第8天，管道生物膜能够恢复对于NO2--N的讲解作用。
（3）TOC去除效果：TOC是对水体有机污染进行评价的一个重要指标，在远距离输水管道中，生物膜中的HPC能够对水体中的有机物进行去除，臭氧冲击结束后，生物膜受损，HPC的数量明显下降，对于TOC的去除效果也随之降低。在进水中，ρ（TOC）在2.22-2.56mg/L左右，对照组R0出水的ρ（TOC）在1.46-1.70mg/L，平均去除率35.48%。加入臭氧后，出水TOC会有所升高，而且与臭氧的浓度呈正比关系。分析原因，主要是臭氧造成的生物膜损坏使得部分生物膜脱落，水体中的ρ（TOC）有所上升。模拟反应器是对管道中某一固定段的模拟，伴随着水流的持续流通，恢复原水运行后臭氧浓度也会随之减少，HPC得到迅速恢复，也使得反应器对于TOC的去除效果不断增强，第6天时，所有反应器的出水ρ（TOC）基本与对照组相当，表明生物膜对于TOC的降解能力得到了完全恢复[4]。
3 结论
结合上述试验分析，臭氧对于管道生物膜净水效能的影响非常显著，主要体现在三个方面：
（1）加入臭氧后，对于管道中的生物膜会产生较为严重的损害，生物膜中的HPC数量下降到不足原本的20%，对于AOB则达到了100%灭活。不过，当原水恢复运行后，臭氧会在水中分解成氧气，为生物膜的恢复提供良好的条件。（2）加入臭氧后，生物膜对于NH4+-N的去除效果明顯降低，臭氧的投入量越大，影响越明显，而且其本身的氧化作用会导致NH4+-N的增加，不过相对而言影响较小，在恢复运行5d后，NH4+-N的去除效果会恢复到原来的水平。（3）臭氧会影响反应器对于NO2--N的氧化能力，引发积累现象，在第8d左右恢复。
参考文献
[1]刘扬阳.长距离输水管道生物膜净水效能影响因素研究[D].北京：北京工业大学，2015.
[2]李星，杨阳玲，李雨婷.臭氧对管道生物膜净水效能的影响[J].北京工业大学学报，2015，（6）：912-918.
[3]安鹏，徐晓晨，杨凤林，张捍民，王明明.臭氧/紫外协同作用处理腈纶废水[J].土木建筑与环境工程，2011，（01）：135-139.
[4]何世传，朱昌平，单鸣雷，冯若. 超声联合臭氧用于废水处理的研究进展[J].声学技术，2005，（03）：173-177.
作者简介：胡晶莹（1983-），女，硕士研究生，工程师，研究方向为净水。
关键词：臭氧；管道生物膜；净水效能；影响
中图分类号：P642.5 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0148-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.071
Abstract： After the ozone treatment， the number of heterotrophic bacteria present in the biofilm has decreased significantly. When the ozone is decomposed in water， the oxygen produced can help the biofilm to be renewed and restored to ensure that it has good water purification effect. In this paper， the effect of ozone on the water purification efficiency of pipeline biofilm was studied in the light of the corresponding experiment， hoping to provide some reference for the technical update of water plant.
Key words：Ozone；Pipeline biofilm；Water purification efficiency
在输水管道，尤其是长距离输水管道的运行中，为了保证输水管道的正常运行，抑制微生物的过度繁殖，一般会在水中加入液氯，改善缺氧引发的水质问题，但是这种措施会导致微生物的大量死亡，影响净水效果。对此，本文以臭氧代替液氯，就其对于管道生物膜净水效能的影响进行研究。
1 材料与方法
1.1 试验装置
结合环状生物膜反应器（BAR）对输水管道水质净化的过程进行模拟，试验装置如图所示。
在BAR内设置20个聚乙烯挂片，确保其能够围绕转子中心轴匀速旋转，转速为80r/min，模拟水流对于生物膜的剪切作用。将4台BAR并联，以R0-R3进行编号，以方便调控。在相同条件下，模拟运行65d，生物膜成熟，然后保持R0不变，向其他三个反应器中加入臭氧溶液，浓度依次为0.7mg/L，1.5mg/L，3.2mg/L。隔天对挂片生物膜上的微生物含量进行检测。
1.2 试验方法
以灭菌处理的棉签挂片挂膜面自上而下擦拭5-6次，然后将棉签放入到盛有10mL灭菌缓冲液的试管内，在超声波清洗器中震荡20min，取悬浮液进行检测。
1.3 分析方法
用浊度仪进行浊度测定，以在线溶解氧仪对DO进行测定，以TOC分析仪对TOC进行测定，对于异养菌（HPC），可以选择R2A培养基，在22℃的遮光环境下培养7d，然后进行计数[1]。
2 结果与讨论
2.1 臭氧对生物膜的破坏和恢复
对照相应的数据分析，臭氧冲击会导致生物膜的脱落，微生物数量明显下降，而当臭氧浓度为0.7mg/L、1.5mg/L和3.2mg/L时，HPC的数量依次下降了84%、93%和99%，由此可知，臭氧浓度越大，对于生物膜的破坏作用越强。氨氧化菌AOB对于环境因素极其敏感，因此即使臭氧溶度仅为0.7mg/L，也无法检测到AOB的存在。
结合臭氧的分子结构，其对于微生物的杀灭机制可以归结为三点：一是直接作用，破坏细菌和病毒的核酸及细胞器、蛋白质等，影响其代谢功能和繁殖过程；二是渗透到细胞膜组织中，与内部的脂多糖和外部的脂蛋白作用，增大细胞膜的通透性，造成细胞内部物质流失，失去活力；三是与基因的鸟嘌呤以及不饱和脂肪酸双键发生快速氧化反应，破坏细胞壁，对细胞内部的酶进行分解，导致细菌死亡。
不过对照试验结果来看，生物膜有着良好的恢复能力。在臭氧冲击结束后，通入原水继续运行24h，发现对照组生物膜中HPC的数量恢复到了105级，约为原本水平的55%-62%。72h后，AOB的数量恢复到了102级，与对照组基本持平。相关研究认为，在长期运行过程中，反应器中的泥沙以及部分惰性物质会导致生物膜活性的降低，严重的可能会抑制硝化菌的生长。以氧化剂对生物膜进行短时冲击，能够提升其活性，这一点从恢复运行120h后，HPC和AOB的数量均高于对照组就可以证实。分析原因，可能上臭氧在水中分解成了氧气，增加了水中的溶解氧，为细菌的恢复提供了良好的环境，而受到臭氧冲击死去的细菌也能够为微生物的生长提供所需营养，加快细菌的繁殖速度。
2.2 臭氧冲击后生物膜的净水效能
（1）NH4+-N的去除效果：在加入臭氧后，生物膜对于NH4+-N的去除效果有效明显的下降。在进水中，NH4+-N的含量为0.94-1.12mg/L，对照组R0出水的NH4+-N含量為0.2mg/L，平均去除率在81.9%左右。当臭氧浓度为0.7mg/L以及1.5mg/L时，NH4+-N的去除率分别为38.49%和17.6%，当臭氧浓度进一步提高了3.2mg/L时，NH4+-N的含量甚至高于原水。分析原因，可能是臭氧本身所具有的强氧化性将水中的有机氮氧化成了NH4+-N，在AOB没有恢复的情况下，就出现了出水NH4+-N含量增加的情况。而伴随着原水接入时间的延长，臭氧对于微生物的抑制作用有了很大的下降，AOB逐渐恢复，会将NH4+-N氧化成NO2--N的，继而提高对于NH4+-N的去除效果。结合NH4+-N去除效率的回归分析，NH4+-N的去除率与恢复阶段生物膜中的AOB数量存在着指数关系，相关系数达到92%。在R3反应器中，由于臭氧质量浓度较高，对于生物膜的冲击和破坏更加强烈，因此在120h时，AOB的数量刚刚恢复到对照组的水平，所有反应器在NH4+-N的去除方面效果相差不大而且较为稳定[2]。
（2）NO2--N的去除效果：在加入臭氧后，NO2--N的氧化能力大大减弱，而且反应器对于NO2--N的降解作用出现了积累现象，并没有迅速恢复，臭氧浓度越大，积累现象越明显，在24h时，四台反应器出水NO2--N积累量均达到最大值。而在硝化过程中，NOB会将AOB生成的NO2--N氧化成NO3--N，相关研究认为，在对于氧的竞争中，NOB处于相对劣势的位置，因此在恢复运行初期，AOB得到迅速恢复，NOB则没有恢复，导致NO2--N无法得到及时降解，出现了积累现象。结合试验数据Fenix，进水NO2--N质量浓度的波动使得R1和R3范引起在48h内，对于NO2--N的去除率处于最低水平，在72h时，R1反应器的去除效果有所恢复，但是也仅有24.9%；运行到192h时，反应器对于NO2--N的去除效果恢复到了85%左右，与对照组相当[3]。由此可知，在臭氧冲击后的第8天，管道生物膜能够恢复对于NO2--N的讲解作用。
（3）TOC去除效果：TOC是对水体有机污染进行评价的一个重要指标，在远距离输水管道中，生物膜中的HPC能够对水体中的有机物进行去除，臭氧冲击结束后，生物膜受损，HPC的数量明显下降，对于TOC的去除效果也随之降低。在进水中，ρ（TOC）在2.22-2.56mg/L左右，对照组R0出水的ρ（TOC）在1.46-1.70mg/L，平均去除率35.48%。加入臭氧后，出水TOC会有所升高，而且与臭氧的浓度呈正比关系。分析原因，主要是臭氧造成的生物膜损坏使得部分生物膜脱落，水体中的ρ（TOC）有所上升。模拟反应器是对管道中某一固定段的模拟，伴随着水流的持续流通，恢复原水运行后臭氧浓度也会随之减少，HPC得到迅速恢复，也使得反应器对于TOC的去除效果不断增强，第6天时，所有反应器的出水ρ（TOC）基本与对照组相当，表明生物膜对于TOC的降解能力得到了完全恢复[4]。
3 结论
结合上述试验分析，臭氧对于管道生物膜净水效能的影响非常显著，主要体现在三个方面：
（1）加入臭氧后，对于管道中的生物膜会产生较为严重的损害，生物膜中的HPC数量下降到不足原本的20%，对于AOB则达到了100%灭活。不过，当原水恢复运行后，臭氧会在水中分解成氧气，为生物膜的恢复提供良好的条件。（2）加入臭氧后，生物膜对于NH4+-N的去除效果明顯降低，臭氧的投入量越大，影响越明显，而且其本身的氧化作用会导致NH4+-N的增加，不过相对而言影响较小，在恢复运行5d后，NH4+-N的去除效果会恢复到原来的水平。（3）臭氧会影响反应器对于NO2--N的氧化能力，引发积累现象，在第8d左右恢复。
参考文献
[1]刘扬阳.长距离输水管道生物膜净水效能影响因素研究[D].北京：北京工业大学，2015.
[2]李星，杨阳玲，李雨婷.臭氧对管道生物膜净水效能的影响[J].北京工业大学学报，2015，（6）：912-918.
[3]安鹏，徐晓晨，杨凤林，张捍民，王明明.臭氧/紫外协同作用处理腈纶废水[J].土木建筑与环境工程，2011，（01）：135-139.
[4]何世传，朱昌平，单鸣雷，冯若. 超声联合臭氧用于废水处理的研究进展[J].声学技术，2005，（03）：173-177.
作者简介：胡晶莹（1983-），女，硕士研究生，工程师，研究方向为净水。
