1 引言
再生水回用是解決水資源短缺的有效途徑，然而再生水回用過(guò)程中微生物再生長(cháng)造成的水質(zhì)惡化，如色度、濁度和嗅味升高等，影響再生水的利用.為提高再生水出水水質(zhì)，控制再生水輸配過(guò)程中微生物的生長(cháng)，再生水廠(chǎng)采用各種先進(jìn)的處理工藝處理再生水，其中，混凝處理工藝因其較好的處理效果及低廉的處理成本而被廣泛應用.目前，再生水混凝處理主要關(guān)注和研究出水的常規水質(zhì)指標，而對再生水的生物穩定性狀況，即水中有機營(yíng)養物質(zhì)支持異養菌生長(cháng)的潛力，沒(méi)有足夠的重視.
水質(zhì)的生物穩定性通常以生物可同化有機碳(AOC)，即再生水中容易被異養微生物用于合成細胞體、進(jìn)行繁殖生長(cháng)的那部分有機物作為評價(jià)指標.AOC的測定方法最早由荷蘭的van der Kooij教授等提出，通過(guò)在飲用水中篩選出的熒光假單胞菌Pseudomonas fluorescens P17和螺旋菌Spirillum sp. NOX測定飲用水AOC水平，以評價(jià)飲用水的生物穩定性狀況.AOC測定方法提出后，Kaplan等(1993)提出了改進(jìn)方法以提高AOC測定方法的實(shí)驗效率和測定結果的準確性，使其成為最被廣泛認可和應用的AOC測定方法.然而飲用水與再生水的有機物濃度及有機物組成特性不同，且AOC測定中最為關(guān)鍵的因素是測試菌種的選取，因此，從飲用水中篩選出來(lái)的測試菌種可能無(wú)法準確反映再生水的AOC水平.趙欣從再生水中篩選出Pseudomonas saponiphila G3作為再生水AOC水平的測試菌種，對北京市再生水的水質(zhì)生物穩定性開(kāi)展了相關(guān)的研究.為進(jìn)一步掌握北京市再生水的水質(zhì)生物穩定性狀況，本試驗以 G3菌種作為再生水AOC水平測試菌種，開(kāi)展北京市再生水水質(zhì)生物穩定性的調研工作，并以聚合氯化鋁(PACl)為混凝劑，考察混凝處理工藝對再生水AOC水平及其去除規律的影響.
2 材料與方法
2.1 水樣采集與處理
試驗所用水樣采集自北京市X和B再生水廠(chǎng)二級生物處理(分別為A2O和MBR)出水，取樣時(shí)間為2014年10月至2015年1月.利用棕色玻璃瓶采集二級出水水樣，在4 h之內運回實(shí)驗室，保存在4 ℃冰箱中待用.所采集水樣的水質(zhì)情況在采樣當天進(jìn)行測定.
2.2 AOC測定方法
測試菌種選用清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗室提供的Pseudomonas saponiphila G3菌種.將菌種從-80 ℃冰箱中取出活化后，接種于裝有30 mL乙酸鈉溶液(濃度為2000 μg·L-1，以乙酸碳計)的具塞磨口三角瓶中，在25 ℃生化培養箱中靜置、暗培養7 d至穩定期，采用平板計數法測定接種液中的微生物濃度后用作再生水AOC水平測定的接種液.配制不同濃度的乙酸鈉標準溶液(0~3000 μg·L-1，以乙酸碳)，分裝于50 mL具塞磨口三角瓶中，在70 ℃烘箱中巴氏滅菌30 min.待乙酸鈉標準溶液冷卻后接種G3菌種(接種濃度為104 CFU·mL-1，每個(gè)水樣作3個(gè)平行樣)，靜置在25 ℃生化培養箱中暗培養至穩定期.通過(guò)平板計數法測定對應濃度下測試菌種的最大生長(cháng)濃度，以乙酸鈉標準溶液濃度為橫坐標，菌種最大生長(cháng)濃度為縱坐標制作標準曲線(xiàn)，標準曲線(xiàn)的斜率即為AOC的產(chǎn)率系數.本研究中G3菌種的產(chǎn)率系數為2.16×106 CFU·μg-1(以乙酸碳計).將待測水樣經(jīng)0.2 μm微孔濾膜過(guò)濾，水樣的接種和培養方法與上述試驗相同.培養3 d后進(jìn)行平板計數.為減少試驗誤差，在試驗中設空白對照.水樣的AOC濃度(μg·L-1)用待測水樣的細菌數(C，CFU·mL-1)減去空白對照的細菌數(Cck，CFU·mL-1)，再除以產(chǎn)率系數(P，CFU·μg -1)即可得到，具體如式(1)所示.
2.3 分子排阻色譜
分子排阻色譜(SEC)，試驗儀器為日本Shimadzu公司出品的LC-20高效液相色譜，由一個(gè) SPD-M20A 紫外燈和兩根色譜柱(TSK-GEL G3000PWXL和TSK-GEL G2500PWXL)組成，用于分析水樣分子量分布.色譜柱工作溫度為40 ℃，以磷酸鹽(0.0024 mol·L-1 NaH2PO4和0.0016 mol·L-1 Na2HPO4)和0.025 mol·L-1 Na2SO4為流動(dòng)相.每次測定時(shí)，進(jìn)量水樣為100 μL，掃描時(shí)間為60 min.以聚乙二醇標準溶液(分子量分別為330、700、1050、5250、10225和30000 Da)制作分子量標準曲線(xiàn).校準后，色譜柱中的停留時(shí)間轉化為相應的分子量.
2.4 其他水質(zhì)指標測定
pH值測定采用玻璃電極法，試驗儀器為瑞士Mettler-Toledo公司出品的FE20K型pH電極測定儀;溶解性有機碳(DOC)測定采用非色散紅外線(xiàn)吸收法，試驗儀器為日本Shimadzu公司出品的TOC-VCPH型總有機碳(TOC)分析儀;水中吸收紫外線(xiàn)的不飽和有機物、含氮有機物(UV254)的測定采用紫外分光光度法，試驗儀器為日本Shimadzu公司出品的UV-2401PC型紫外可見(jiàn)分光光度計;SUVA為某樣品的UV254值與DOC濃度的比值，即單位溶解性有機碳所具有的紫外吸收值;三維熒光為水中不同類(lèi)型的有機物在不同激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)下表現出不同的熒光強度，根據三維熒光光譜圖上不同區域熒光強度可以分析判斷不同類(lèi)型的有機物，試驗儀器采用F-7000型熒光分光光度計.
2.5 混凝實(shí)驗
混凝試驗在攪拌杯(容積為1 L)中進(jìn)行，攪拌裝置采用中國潛江梅宇公司出品的MY3000-6型混凝實(shí)驗攪拌儀，混凝劑選用聚合氯化鋁(PACl)(氧化鋁含量28%)，投加量分別為20、40、60、80、100和120 mg·L-1.在每個(gè)攪拌杯中分別加入500 mL水樣(水溫約為20~25 ℃)，投加混凝劑后按照表 1中設定的混凝程序進(jìn)行試驗.試驗結束后，各水樣分別經(jīng)0.2 μm孔徑的尼龍濾膜進(jìn)行過(guò)濾，以去除其中的絮體物質(zhì)，于24 h內測定pH、DOC、UV254、三維熒光和AOC等指標.
表 1 混凝實(shí)驗攪拌儀程序
3 結果與討論
3.1 混凝對基本水質(zhì)指標的影響
將采集的再生水廠(chǎng)二級出水水樣，經(jīng)0.2 μm孔徑的尼龍濾膜過(guò)濾去除懸浮顆粒后，測定水樣基本水質(zhì)指標，結果如表 2所示.
表 2 再生水廠(chǎng)水樣水質(zhì)情況
根據對北京市實(shí)際運營(yíng)再生水廠(chǎng)的調研，發(fā)現再生水廠(chǎng)混凝處理工藝普遍采用PACl作為混凝劑;另外，趙欣等的研究發(fā)現，PACl投加量為60 mg·L-1時(shí)，再生水AOC水平的變化最為顯著(zhù)(Zhao et al.，2014).因此，本研究中首先研究了PACl投加量為60 mg·L-1時(shí)，混凝處理對再生水廠(chǎng)二級出水基本水質(zhì)指標的影響.研究發(fā)現，再生水廠(chǎng)二級出水水樣經(jīng)混凝處理后，水樣DOC和不飽和有機物、含氮有機物(即UV254)的去除效果一般(圖 1)：X廠(chǎng)二級出水水樣DOC的去除率為3%~29%，B廠(chǎng)二級出水水樣DOC的去除率為17%~30%;X廠(chǎng)二級出水水樣UV254的去除率為10%~24%，B廠(chǎng)二級出水水樣UV254的去除率為23%~36%.同時(shí)發(fā)現，80%水樣的DOC去除率低于UV254去除率，這可能是因為再生水二級出水水樣中有較多表征UV254的腐殖質(zhì)類(lèi)和芳香族類(lèi)化合物，這類(lèi)物質(zhì)在混凝過(guò)程中較易被去除.
圖 1
圖 1 混凝對DOC和UV254的去除情況
進(jìn)一步考察了PACl不同投加量下混凝處理對水質(zhì)情況的影響.圖 2a和2b所示為X和B再生水廠(chǎng)二級出水水樣(水樣編號中的數字編碼表示采樣日期，依次為年、月、日)在20~120 mg·L-1 PACl投加量下DOC和UV254的變化情況.可以看出，隨著(zhù)PACl投加量的增加，混凝后水樣DOC和UV254不斷降低，最大去除率分別為30%和32%.圖 2c所示為PACl不同投加量下SUVA值的變化情況，可以看出，隨著(zhù)PACl投加量的增加，SUVA值有下降趨勢.有研究表明，SUVA值與芳香環(huán)及碳碳雙鍵的含量之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系(薛爽等，2013)，說(shuō)明增加混凝劑投加量有利于水樣中飽和雙鍵及芳香環(huán)有機物的去除.
圖 2
圖 2 不同PACl投加量對二級出水水樣水質(zhì)的影響
高效分子排阻色譜法可以測量水中有機物質(zhì)分子量的連續分布情況，圖 2d所示為B150121水樣經(jīng)不同劑量PACl混凝處理前后，水樣中不同分子量有機物的分布情況.從圖中可以看出，混凝主要去除水中分子量為1000~20000 Da的有機物質(zhì)，尤其對分子量為3000~20000 Da的物質(zhì)具有很好的去除效果，且隨著(zhù)PACl投加量的增加，對這類(lèi)分子量有機物的去除效果也提高.從圖中也可以發(fā)現，混凝對分子量<1000 Da的有機物物質(zhì)的去除效果非常有限，即便在120 mg·L-1 PACl投加量下，這部分有機物的信號強度也基本沒(méi)有發(fā)生變化.
B150121水樣經(jīng)不同劑量PACl混凝處理前后的三維熒光光譜如圖 3所示.三維熒光光譜圖中不同熒光區域分別表征不同的有機物類(lèi)型，區域I~V表征的物質(zhì)分別為：酪氨酸類(lèi)芳香族蛋白質(zhì)、色氨酸類(lèi)芳香族蛋白質(zhì)、富里酸類(lèi)腐殖質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物和腐殖酸類(lèi)腐殖質(zhì).可以看出，水樣在區域III、IV和V均有熒光峰，區域I和II的熒光強度較弱，其中，區域I的熒光強度最弱.對上述三維熒光光譜5個(gè)區域的熒光強度進(jìn)行積分，結果如圖 4所示.可以看出，混凝后水樣的熒光強度變化不明顯，即使PACl投加量達到120 mg·L-1，水樣的熒光強度也沒(méi)有明顯的降低.
圖 3
圖 3 水樣混凝前后三維熒光光譜等值線(xiàn)圖
圖 4
圖 4 混凝對二級出水三維熒光光譜圖中各區域熒光強度積分的影響
3.2 混凝對水質(zhì)生物穩定性的影響
本研究首先考察了再生水廠(chǎng)二級出水水樣在60 mg·L-1 PACl投加量下AOC水平的變化情況.從圖 5可知，混凝后水樣的AOC水平高于混凝前水樣AOC水平，水樣中AOC占DOC的比例有所升高.X廠(chǎng)二級出水水樣混凝前AOC水平為48 ~485 μg·L-1，平均為208 μg·L-1，水樣AOC占DOC的比例在2%~12%之間;混凝后水樣的AOC水平為68~983 μg·L-1，平均為318 μg·L-1，混凝后水樣的變化率為-4%~103%，水樣AOC占DOC比例在3%~27%之間.B廠(chǎng)二級出水水樣混凝前AOC水平為122~414 μg·L-1，平均為192 μg·L-1，水樣AOC占DOC的比例在1%~2%之間;混凝后水樣的AOC水平為181~593 μg·L-1，平均為291 μg·L-1，變化率為8%~124%，水樣AOC占DOC的比例在1%~4%之間.以上結果表明，在PACl投加量為60 mg·L-1時(shí)，再生水廠(chǎng)二級出水水樣混凝后AOC水平有升高的趨勢，說(shuō)明水質(zhì)生物穩定性降低.
圖 5
圖 5 二級出水水樣混凝前后AOC水平的變化
進(jìn)一步考察了PACl不同投加量時(shí)混凝對水樣AOC水平的影響.圖 6所示為X和B再生水廠(chǎng)二級出水水樣在20~120 mg·L-1 PACl投加量下AOC水平變化情況.可以看出，水樣經(jīng)不同劑量PACl處理后，水樣AOC水平表現出升高的趨勢：X141030水樣混凝前AOC水平為204 μg·L-1，混凝后AOC水平為222~278 μg·L-1，變化率為9%~36%;B141205水樣混凝前AOC水平為414 μg·L-1，混凝后AOC水平為267~872 μg·L-1，變化率為-36%~110%;B150121水樣混凝前AOC水平為168 μg·L-1，混凝后AOC水平為149~289 μg·L-1，變化率為-11%~72%.
圖 6
圖 6 PACl投加量對二級出水水樣AOC水平的影響
以上結果表明，再生水廠(chǎng)二級出水水樣投加PACl混凝處理后，AOC水平有升高的趨勢，水樣的水質(zhì)生物穩定性降低.趙欣等的研究表明，在PACl混凝處理再生水體系中，分子量大于10000 Da的有機物對微生物的生長(cháng)具有抑制作用(Zhao et al.，2014)，而本研究體系對分子量為3000~20000 Da的物質(zhì)具有較好的去除效果，這就解釋了混凝后AOC水平升高的主要原因.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
另有研究表明，混凝處理對再生水和飲用水的AOC水平不產(chǎn)生影響(Volk et al.，2000)，或者導致AOC降低(Thayanukul et al.，2013).可能是因為：①飲用水與再生水水質(zhì)的差異導致AOC水平變化規律不同，飲用水中有機物組成主要是天然有機物，而再生水廠(chǎng)二級出水中有機物組成除了天然有機物外，還包括溶解性微生物代謝產(chǎn)物和一些難降解有機物等;②不同地區的再生水廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)及采用的二級生物處理工藝的不同造成二級出水水質(zhì)的差異進(jìn)而影響AOC水平變化規律;③混凝劑種類(lèi)和投加量的不同影響到AOC水平變化規律;④測試菌種的不同導致AOC水平變化規律的不同.
4 結論
混凝處理對再生水廠(chǎng)二級出水中DOC和UV254的去除率分別為3%~30%和10%~36%，去除效果一般.再生水廠(chǎng)二級出水中分子量為3000~20000 Da的有機物容易被混凝過(guò)程去除，但分子量小于3000 Da的有機物在混凝過(guò)程中幾乎不能被去除.再生水廠(chǎng)二級出水經(jīng)混凝處理后，水樣熒光強度變化不明顯，即使PACl投加量達到120 mg·L-1，水樣的熒光強度也沒(méi)有明顯的降低.再生水廠(chǎng)二級出水經(jīng)混凝處理后，AOC水平有升高的趨勢.PACl投加量為60 mg·L-1時(shí)，混凝前后二級出水的AOC水平分別為48~485 μg·L-1和121~910 μg·L-1，變化率為-4%~124%，說(shuō)明水質(zhì)生物穩定性變差.
