自来水厂砂滤池附着物对氨氮污染物的降解分析

于婷婷 陈仁杰 刘明辉 吴俊康

摘 要：自来水厂出水中氨氮污染物浓度超标会对供水系统产生潜在负面影响，从而降低城市供水安全，影响人体健康。本文对自来水厂砂滤池表面附着物进行氨氮污染物降解试验分析，结果表明：处理72天过程中，提取液1与2均具有良好的氨氮降解性能，氨氮浓度均逐渐降低至完全降解，表明砂滤池中含有一定活性的微生物，能够对氨氮污染物进行降解。

关键词：饮用水; 砂滤池; 氨氮; 水污染

中图分类号：X131.2        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）11-221-002

1.引言

饮用水水质安全及其对人体健康的影响已经成为全球关注的焦点之一。氨氮已成为影响饮用水水质的一类主要微污染物质，并且是我国自来水厂进出水监控的一项重要指标。我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006中规定氨氮（以N计）/（mg/L）浓度最高限值为0.5。饮用水中氨氮浓度过高将带来诸多危害，如：（1）助长藻类的生长，影响饮用水处理系统正常运行;（2）氨氮被管网中硝化细菌降解成亚硝酸盐，并消耗大量氧气。而亚硝酸盐是世界卫生组织公认的人体致毒物和致癌前驱物^[1]，从而影响供水安全。此外，古其会等^[2]发现当出厂水氨氮含量大于0.3mg/L时，会引发输配水管网中產生臭味，随之滋生大量的病毒、细菌、浮游生物等微生物，造成水质恶化^[3，4];（3）出厂水中残留的氨氮会引起输配水过程中的管道腐蚀^[5]。砂滤过程一般是自来水厂消毒杀菌前的最后一道工序，滤料表面通常会附着生长一些活性微生物，其具有一定的氨氮深度降解潜能。故本文对自来水厂中砂滤池不同部位提取的微生物菌液进行氨氮污染物降解分析，以期为饮用水氨氮深度去除和保障供水安全提供一定的指导。

2.材料与方法

2.1附着物提取

从自来水厂砂滤池顶部不同部位取一定体积的石英砂，用水溶液将取到的砂粒进行混合振荡，以将附着在砂粒表面的微生物提取到水溶液中。

2.2培养液配制

参考Kits等人^[6]的硝化细菌培养基，用超纯水配置1L培养液（不含氨氮），将配置好的培养液经高温高压（120℃，0.2MPa）灭菌后，保存至4℃冰箱备用。培养液具体组分见表1。

2.3氨氮降解试验

将上述提取获得的附着物溶液离心（9300rpm/min，每次10min）富集后，分别重悬于3个含有100mL上述培养液的试剂瓶中，分别标记为提取液1和提取液2。然后在试剂中分别加入1mL和2.5mL氨氮污染物，使得100mL体系中氨氮污染物浓度为1mg/L和2.5mg/L。最后将试剂瓶放置在15℃避光条件下震荡培养72d，培养期间每隔1-2周进行取样测试，分析溶液中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度。

2.4分析方法

氨氮浓度利用96孔板采用水杨酸-次氯酸钠分光光度法测量^[7]。亚硝酸盐氮浓度利用96孔板采用Griess试剂法测量^[8]。硝酸盐氮浓度利用强还原剂三氯化钒将硝酸根还原成亚硝酸根，通过测量总亚硝酸盐氮浓度计算定量硝酸盐氮浓度^[8]。

3.结果与讨论

经过72d对自来水厂砂滤池附着物氨氮降解性能的测试，获得了提取液1与提取液2中氨氮、亚硝氮以及硝氮浓度随时间变化的趋势图，对其降解效果进行分析与讨论。

3.1提取液1氨氮污染物降解分析

如图1所示，氨氮含量在72d处理过程中随着时间增加而逐渐降低，在21d时降解率达到60%，并补充添加氮源至1.0mg/L;此后，经过24d到达45d时，氨氮降解率达到100%，再次补充添加氮源至1.0mg/L，60d后氨氮浓度降解至0，这表明提取液1对氨氮具有较高的降解活性，且降解速率逐步增加。

整个处理过程中亚硝酸盐氮含量基本为0，只在第45d时有短暂的亚硝酸盐积累，但随后又逐步降为0;而硝态氮含量整体呈上升趋势，平均增长速率为0.0273mg/（L·d），这进一步表明提取液1具有较高的氨氮降解潜力，且氨氮全部被降解为硝酸盐，硝化性能良好。

氨氮氧化降解作用一般由两步完成：第一步，在氨氧化细菌催化作用下将氨氮氧化为亚硝酸盐氮^[9];第二步，在亚硝酸氧化细菌催化作用下将亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮^[10]。同时，研究发现氨氮氧化过程也可由“一站式”完全氨氧化细菌将氨氮直接氧化为硝酸盐氮^[11，12]。故推测砂滤池提取液中含有较高丰度的硝化细菌，如氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和完全氨氧化细菌，此类菌群能够将氨氮完全降解为硝酸盐氮。

3.2提取液2氨氮污染物降解分析

如图2所示，当氨氮初始投加浓度增加到2.5mg/L时，整个处理过程中氨氮浓度随时间逐渐降低，在21d时降解率为10%，30d时降解率为16%，45d时氨氮降解率达到100%，其平均降解速率为0.0556mg/（L·d），在30-45d内氨氮降解速率最高，高达0.14mg/（L·d）。而亚硝酸盐氮在整个处理过程基本为零，仅在45d时出现峰值积累，浓度达到1.8mg/L，但随后又逐步降为0，这表明提取液具有良好的亚硝酸盐降解活性。此外，硝酸盐氮含量整体呈上升趋势，在14、45d略有降低，平均增长速率为0.0364mg/（L·d），这表明提取液2在处理氨氮微污染水源水（氨氮浓度大于1mg/L）时，具有良好的氨氮污染物降解潜力。

4.结论与展望

提取液1与提取液2的氨氮降解性能均较好，且氨氮处理过程中基本没有生成亚硝酸盐氮，氨氮被完全转化为硝态氮。故自来水厂砂滤池中存在一定活性的氨氮降解微生物，能对饮用水中氨氮进行深度降解。目前水厂中氨氮去除主要通过折点加氯法去除，但该方法投加氯量不易控制，同时会导致含氯消毒副产物的生成，从而容易产生“三致”问题。此外，折点加氯法对氨氮的去除效果有限，特别是冬季水厂出厂水中氨氮会出现超标现象，且生产费用支出过大^[13]。而生物处理方法成本低，无二次化学污染，其在饮用水氨氮预处理或强化处理中已受到广泛关注，但其受环境影响较大，如温度、溶解氧浓度等。故进一步解析砂滤池附着物中微生物功能及其受环境变化的影响，能够为确保饮用水氨氮稳定高效去除提供独特的理论与技术支持，从而进一步实现保障饮水质量安全、改善饮水水质、保护人民群众生命健康安全、促进社会经济与水资源环境协调发展的目的。

基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20200778）

参考文献：

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作者简介：于婷婷，女，研究方向：水处理技术与水污染控制。通讯作者简介：吴俊康，男，博士，副教授，研究方向：水处理技术与水污染控制。E-mail：wjkang@njfu.edu.cn