不同給水管材對管壁附著生物膜鉛、鎘的解吸動力學(xué)研究

1、 不同給水管材對管壁附著生物膜鉛、鎘的解吸動力學(xué)研究 郭鑫 張永吉 周玲玲Summary：給水管壁生物膜會吸附水中的重金屬元素積累在管壁生物膜中，在受到擾動時釋放回到水體，危害飲用水水質(zhì)安全。試驗以上海管網(wǎng)末梢水為實驗對象，研究了PVC、鑄鐵和紫銅等三種管材上生物膜對鉛、鎘的解吸特性。結(jié)果表明，PVC、鑄鐵和紫銅附著生物膜對鉛的解吸容量qe分別為：5.92211molm-2、128.3051molm-2和21.1808，解吸速率常數(shù)k分別為：0.001060 m2mol-1min-1、0.000041 m2mol-1min-1和0.000503 m2mol-1min-1，對于鎘元素三種材質(zhì)的解

2、吸容量qe分別為：14.71519molm-2、18.50481molm-2和2.25225molm-2;解吸速率常數(shù)k分別為：0.000102 m2mol-1min-1、0.001070 m2mol-1min-1和0.000103 m2mol-1min-1。Key：給水管壁;生物膜;鉛;鎘;解吸：X131 ：A ：2095-672X（2020）02-00-02DOI：10.16647/15-1369/X.2020.02.053Abstract： The biofilm of the water supply pipe wall will adsorb heavy metal elements

3、 in the water and accumulate in the pipe wall biofilm， and will be released back to the water body when disturbed， which endangers the safety of drinking water quality. In the experiment， the peripheral water of Shanghai pipeline network was used as the experimental object， and the desorption charac

4、teristics of lead and cadmium on biofilms on three kinds of pipes such as PVC， cast iron and copper were studied. The results show that the lead desorption capacities qe of PVC， cast iron， and copper-attached biofilms are 5.92211 mol m-2， 128.3051 mol m-2， and 21.1808， respectively， and the desorpti

5、on rate constants k are： 0.001060 m2 mol-1 min-1， 0.000041 m2 mol-1 min-1， and 0.000503 m2 mol-1 min-1. The desorption capacities qe for the three materials of cadmium are： 14.71519 mol m-2， 18.50481 mol m-2 and 2.25225 mol m-2; the desorption rate constants k are： 0.000102 m2 mol-1 min-1， 0.001070

6、m2 mol-1 min-1， and 0.000103 m2 mol-1 min-1.Key words：Water supply pipe wall;Biofilm;Lead;Cadmium;Desorption給水管網(wǎng)中的微生物會聚集在給水管壁上生長，形成管壁生物膜，管壁生物膜除了會加速管道腐蝕、使飲用水色度濁度升高之外，還可能會吸附水中的重金屬元素1。有研究者通過對長期使用過后的供水管道水質(zhì)進行調(diào)查化驗，發(fā)現(xiàn)含有多達 16 種金屬元素。這些無機污染物會通過水/固界面的吸附和生物累積作用被積累在管壁生物膜中2-3，在水力條件變化時再次解吸釋放回到水體，從而嚴(yán)重危害飲用水水質(zhì)安全4-5。近

7、年來，飲用含有微量重金屬等無機污染物的自來水而引發(fā)水污染事故頻發(fā)，給水管網(wǎng)中無機污染物對水質(zhì)安全的威脅受到世界范圍的研究者重視6-8。研究表明，不同理化條件和材質(zhì)都會顯著影響生物膜的吸附解吸行為3，9。有研究發(fā)現(xiàn)氯對生物膜會起到氧化作用10-11，因此不同的管壁材質(zhì)和消毒劑濃度的條件下，生物膜的生長和吸附性能可能不同12。目前針對國內(nèi)不同材質(zhì)管道生長的生物膜對重金屬的蓄積后的解吸特性的研究還相對較少，本文初步比較了不同材質(zhì)給水管壁上生物膜的生長特性及其對Pb、Cd兩種重金屬的解吸動力學(xué)過程，有助于進一步了解生物膜中積蓄的無機污染物對水質(zhì)的后續(xù)影響。1 材料與方法1.1 試驗原水試驗用水采用同濟

8、大學(xué)實驗室的自來水，培養(yǎng)期間自來水水質(zhì)參數(shù)見表1。1.2 試驗過程及檢測方法本研究采用立式轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器（vertical rotating disk reactor，RDR）13模擬給水管網(wǎng)水流的流動形態(tài)，在裝置運行過程中監(jiān)測生物膜微生物生長情況。在45天后生物膜菌量穩(wěn)定后，取3片相同培養(yǎng)條件和材質(zhì)的掛片，插入解吸用RDR反應(yīng)器掛棒中。測試時保持水溫為 241?C，用磁力攪拌器連續(xù)攪拌進行解吸實驗。將空白RDR反應(yīng)器出水孔封閉后加入500 mL自來水。用 0.01 mol/L 的 HNO3和NaOH溶液調(diào)節(jié)吸附體系pH值為7.50.1。從解吸實驗開始，每隔一定時間從各反應(yīng)器中取2mL溶液，酸化至

9、pHqe紫銅qepvc，kPVCk紫銅k鑄鐵;對于鎘有：qe鑄鐵qepvcqe紫銅，k紫銅k鑄鐵kPVC。所以在實際工程中需要減少使用鑄鐵管材，而使用PVC管材和紫銅管材也必須根據(jù)實際情況選用。Reference1吳紅偉，劉文君，賀北平，王占生，張彌，樊康平.配水管網(wǎng)中管垢的形成特點和防治措施J.中國給水排水，1998（03）：37-39.2NELSON Y M， LION L W， GHIORSE W C，et al.Production of biogenic Mn oxides by Leptothrix discophora SS-1 in a chemically defined g

10、rowth medium and evaluation of their Pb adsorption characteristicsJ.Appl Environ Microbiol，1999，65（1）：175-80.3WARREN L A，HAACK E A.Biogeochemical controls on metal behaviour in freshwater environmentsJ.Earth-Science Reviews，2001，54（4）：261-320.4KENT W W.Accumulation and release of trace inorganic con

11、taminants from biofilm matrices produced and challenged under drinking water distribution system conditionsJ.2016.5GINIGE M P，WYLIE J，PLUMB J.Influence of biofilms on iron and manganese deposition in drinking water distribution systemsJ.Biofouling，2011，27（2）：151-163.6鄭彤，杜兆林，賀玉強， et al.水體重金屬污染處理方法現(xiàn)狀分

12、析與應(yīng)急處置策略J.中國給水排水，2013，29（06）：18-21.7李發(fā)文，楊雄，熊佐芳， et al.漓江市區(qū)段飲用水源地沉積物重金屬污染風(fēng)險評價J.中國給水排水，2017，33（09）：62-65.8李曉，貝爾，汪雋，et al.食品和飲用水中的亞硝胺研究進展J.中國給水排水，2018，34（22）：13-18.9BRADL H. Heavy metals in the environment： origin， interaction and remediationM. City： Elsevier， 2005.10張永吉，周玲玲，李偉英，李星，李德強，李圭白.氯對模擬管壁生物膜的氧化

13、特性研究J.環(huán)境科學(xué)，2009，30（05）：1381-1385.11周玲玲，張永吉，黃飛，et al.給水管壁生物膜特性與控制方法J.凈水技術(shù)，2008（04）：5-8.12周玲玲，劉文君，張永吉.給水管壁生物膜附著異養(yǎng)菌與水中懸浮菌活性比較J.中國給水排水，2007（21）：37-40.13ZHANG Y， LOU Z， ZHOU L.Water quality variation and tubing metal release due to nitrificationJ. Desalination and Water Treatment，2016，57（4）：1814-1823.14HATJE V， PAYNE T E， HILL D M， et al. Kinetics of trace element uptake and release by particles in estuarine waters： effects of pH， salinity， and particle loading