ar反應器運行后管垢內(nèi)鐵細菌的生長特性

ar反應器運行后管垢內(nèi)鐵細菌的生長特性

隨著生活水平的提高，人們對飲用水的水質(zhì)要求越來越高，供水行業(yè)也面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。目前，我國供水管道超過90%的使用是鑄鐵管和管道，管道腐敗嚴重。對于大型管網(wǎng)，由于二次污染，用戶的廢水、鐵含量和細菌總數(shù)超標。鐵細菌等微生物通過其生命活動引起或促進管材腐蝕破壞,Cloete等依據(jù)在消毒和不消毒條件下的腐蝕試驗結(jié)果,認為微生物腐蝕引起了整個管道腐蝕損失的40%.Ridgwat等和Chamtiyski等對給水管網(wǎng)中不同管材管段中的水和管壁進行了檢測,發(fā)現(xiàn)水中和管壁上有大量鐵細菌存在.對實際給水管網(wǎng)中鐵細菌進行檢測發(fā)現(xiàn),管網(wǎng)水中鐵細菌含量為0～107CFU/mL.袁一星等曾通過斷管試驗檢查了管道內(nèi)壁銹垢表、中、里三層的細菌菌屬,均發(fā)現(xiàn)普遍存在著絲狀鐵細菌.給水管網(wǎng)鐵細菌引起的主要危害包括:①腐蝕管網(wǎng),降低管網(wǎng)壽命;②增加出水色度、嗅味和濁度,嚴重時產(chǎn)生“紅水”;③促進生物膜生長,增加出水的生物不穩(wěn)定性;④引起消毒劑(余氯等)和溶解氧的衰減;⑤促進管網(wǎng)結(jié)垢,造成輸水能耗的增加等.目前對于鐵細菌在管壁上的生長特性研究較少,本實驗通過實驗室模擬反應器,分析不同條件下鐵細菌在管壁上的生長特性以及水力條件、余氯等對其生長的影響,得到管壁鐵細菌生長的控制對策,減少由鐵細菌引起的管網(wǎng)腐蝕.1材料和方法1.1試驗材料1.1.1鐵細菌的活性檢測Lepothrixdiscophora屬于兼性營養(yǎng)菌,是自然界分布很廣的一種鐵細菌.在含有亞鐵的天然水中該細菌能夠進行自養(yǎng)性生長,在不含有亞鐵但有有機物的環(huán)境中,例如人工培養(yǎng)的條件下,該細菌也可以進行異養(yǎng)性生長.這種細菌能夠產(chǎn)生一種鐵氧化蛋白,氧化生成的氫氧化鐵在菌體外形成鞘層.試驗采用Lepothrixdiscophora(ATCC43182)作為鐵細菌代表菌種進行接種試驗,該菌種復活后,26℃下經(jīng)過3d的培養(yǎng),得到棕色、平滑菌落.鏡檢判斷該細菌屬于革蘭氏陰性菌,細長桿菌,呈單個、成對及成鏈出現(xiàn),其特征與Lepothrixdiscophora(ATCC43182)相吻合,如圖1所示.1.1.2試驗水試驗用水采用清華自來水接種Lepothrixdiscophora(ATCC43182),水質(zhì)指標如表1所示.1.1.3掛頁材料掛片材料是HT200鑄鐵,使用前用丙酮和無水乙醇擦洗并在干燥器中干燥4h以上,并做記號以相互區(qū)別.1.2試驗方法和過程1.2.1淋洗表面的處理Lepothrixdiscophora采用ATCC1503#培養(yǎng)基進行培養(yǎng).管壁上的鐵細菌采用如下步驟轉(zhuǎn)移到水相進行測定:①將掛片取出后,用無菌水淋洗表面,將未附著的鐵細菌洗掉;②使用4根滅菌棉簽先后向下擦拭掛片附著鐵細菌面各5次,擦拭完后將4根棉簽一起放入盛有100mL緩沖溶液的錐形瓶中,超聲振蕩.經(jīng)試驗證明,超聲波作用時間控制在20min內(nèi)基本不會造成鐵細菌的損失,可最大程度地清洗分離棉簽上的鐵細菌.試驗選用了KQ-500B型超聲波清洗器,超聲電功率500W,工作頻率40kHz,洗槽容積22.5L,溫度為常溫.③取水相鐵細菌進行測定,從而計算管壁鐵細菌數(shù)量.1.2.2測試安裝試驗采用AR(annularreactor)反應器(如圖2),裝置流程見圖3.1.2.3鐵細菌生長特性將純菌種復活富集培養(yǎng)后,按照一定比例在配水罐內(nèi)與清華自來水混合,然后經(jīng)蠕動泵輸送入AR反應器中,在反應器內(nèi)的水力停留時間為1.3h.分別在轉(zhuǎn)速為220r/min和460r/min條件下模擬穩(wěn)定水力條件下鐵細菌生長特性,這2個轉(zhuǎn)速對應的剪切力分別為0.4N/m2(相當于管徑DN800,流速0.5m/s)和1.0N/m2(相當于管徑DN200,流速0.8m/s).穩(wěn)定余氯條件下鐵細菌生長試驗中,向反應器中連續(xù)投加一氯胺,維持反應器內(nèi)穩(wěn)定余氯條件,研究穩(wěn)定余氯條件下鐵細菌的生長,余氯分別為:0.05mg/L、(0.3±0.05)mg/L、(1.0±0.05)mg/L.變化余氯條件對鐵細菌生長的影響試驗中,初始不投加一氯胺,當管壁鐵細菌生長穩(wěn)定后,開始投加一氯胺,并且使得余氯濃度不斷增加至1.25mg/L,隨后停止投加一氯胺.研究改變余氯濃度對管壁鐵細菌生長的影響.2結(jié)果與討論2.1反應器運行時間對鐵細菌數(shù)量的影響圖4(a)是穩(wěn)定水力條件下,反應器進出水鐵細菌數(shù)量隨反應器運行時間的變化.反應器運行初期進水鐵細菌濃度約為105CFU/mL,出水鐵細菌數(shù)量略高于進水鐵細菌數(shù)量;隨著運行時間的增加,進水鐵細菌濃度維持在104～105CFU/mL,當反應器穩(wěn)定運行后,出水鐵細菌數(shù)量比進水鐵細菌數(shù)量增加約1lg.試驗中反應器是連續(xù)進水出水,造成出水鐵細菌濃度增加的原因是鐵細菌在反應器內(nèi)附著生長,掛片上鐵細菌數(shù)量不斷增加,由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成的剪切力使得掛片上的部分鐵細菌重新脫落進入水中,因此使得出水鐵細菌數(shù)量明顯高于進水鐵細菌數(shù)量.圖4(b)是穩(wěn)定水力條件下,掛片上鐵細菌數(shù)量隨反應器運行時間的變化.當反應器運行至288h(12d),2個反應中掛片上鐵細菌的生長基本達到穩(wěn)定.2.2鐵細菌的生長由圖4(b)可以看出,在反應器運行的初期即288h之前,剪切力1.0N/m2的反應器中掛片上鐵細菌數(shù)量低于0.4N/m2的反應器,這是因為剪切力較大條件下,細菌不易附著生長.但是隨著掛片上鐵細菌生長的逐漸穩(wěn)定,2個反應器運行288h后,掛片上的鐵細菌差別不大,說明穩(wěn)定水力條件下,剪切力對于管壁上附著生長的鐵細菌數(shù)量影響不大.2.3消毒對鐵細菌生長特性的影響2.3.1管網(wǎng)余氯濃度對鐵細菌生長的影響表2列出的是穩(wěn)定余氯條件下,鐵細菌達到穩(wěn)定生長后,反應器進出水鐵細菌數(shù)量的變化情況.隨著余氯濃度的增加,穩(wěn)定運行后的出水鐵細菌相應減少.當余氯達到1.0mg/L時,進出水鐵細菌數(shù)量相當,說明余氯濃度為1.0mg/L能夠有效控制管網(wǎng)水中鐵細菌的生長.《生活飲用水衛(wèi)生標準GB5749-2006》中規(guī)定的管網(wǎng)末梢余氯濃度0.05mg/L與無消毒劑情況下的出水鐵細菌數(shù)量相當,無法控制鐵細菌的生長.現(xiàn)有研究表明,控制給水管網(wǎng)鐵化學穩(wěn)定性所需要的余氯濃度為0.3mg/L,試驗中反應器內(nèi)余氯濃度保持在0.3mg/L時,反應器出水的鐵細菌濃度與不投加消毒劑相比降低約1lg.表3列出的是穩(wěn)定余氯條件下,鐵細菌達到穩(wěn)定生長后,掛片上鐵細菌數(shù)量.當水中余氯濃度維持在0.05mg/L時,掛片上鐵細菌數(shù)量與沒有消毒劑時的相差不多,說明該余氯條件無法控制管壁鐵細菌的生長.當余氯濃度維持在0.3mg/L時,掛片上鐵細菌的數(shù)量比沒有消毒劑時減少了約1lg,說明該余氯濃度對管壁鐵細菌的生長有一定的控制作用.當余氯濃度維持在1.0mg/L時,掛片上鐵細菌的數(shù)量比0.3mg/L時略有減少,并沒有明顯降低.有研究表明當余氯濃度維持在1.0mg/L時,可完全抑制管壁生物膜的生長.但是本試驗的結(jié)果表明,1.0mg/L的余氯濃度無法完全抑制管壁鐵細菌的生長.這主要是因為生物膜主要生長在管壁腐蝕產(chǎn)物表面,增加余氯濃度可以有效地控制生物膜的生長.但是如圖5所示,鐵細菌與一般生物膜不同在于管壁腐蝕形成的管垢內(nèi)也有鐵細菌存在,而這部分鐵細菌由于被管垢包裹,消毒劑無法滲入到腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部殺滅這部分鐵細菌.因此當管網(wǎng)水中維持較高余氯時,管壁仍會有鐵細菌生長.同時,從鐵細菌數(shù)量分布上可以看出,鐵細菌主要生長在腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部.所以在實際管網(wǎng)運行中,為了有效控制鐵細菌的生長減少管網(wǎng)腐蝕,同時保證管網(wǎng)化學穩(wěn)定性,應該保證管網(wǎng)余氯濃度為0.3mg/L.2.3.2余氯對鐵細菌的影響圖6是變化余氯條件下鐵細菌生長情況.初始不投加一氯胺,隨著反應器的運行,掛片上鐵細菌數(shù)量不斷增加并趨于穩(wěn)定生長.運行12d后,投加一氯胺維持一定的余氯濃度,并每2d增加一次余氯濃度.隨著余氯濃度的不斷升高,出水及掛片上的鐵細菌均不斷的減少,當余氯達到1.25mg/L時,基本抑制了水中鐵細菌的生長.掛片上鐵細菌在余氯從0.6mg/L增加到1.25mg/L的過程中基本保持穩(wěn)定,比未投加一氯胺時降低了約2lg.與穩(wěn)定余氯1.0mg/L條件下掛片上鐵細菌數(shù)量相比,余氯從0增加到1.25mg/L過程中形成的腐蝕產(chǎn)物要少一些,腐蝕產(chǎn)物內(nèi)的鐵細菌數(shù)量相對降低約1lg.隨后停止投加一氯胺,出水及掛片上鐵細菌迅速增加,約7d后達到穩(wěn)定生長.穩(wěn)定生長后出水與掛片上的鐵細菌數(shù)量高于初始穩(wěn)定狀態(tài)下的鐵細菌數(shù)量.這主要是因為發(fā)生腐蝕后的掛片表面凸凹不平,鐵細菌更容易附著生長.對于大型管網(wǎng),管網(wǎng)末梢很難保證0.3mg/L的余氯,可以采用高濃度消毒劑沖洗管道的措施減少管壁上的鐵細菌,沖洗后管壁上鐵細菌濃度可降低99%以上.隨著運行時間增加,管壁鐵細菌會重新恢復生長,因此需要定期進行沖洗.2.4雙環(huán)已壓縮浮液和懸浮鐵細菌的附著速率在實際管網(wǎng)中管壁鐵細菌數(shù)量較難獲得,如果得到懸浮鐵細菌和管壁鐵細菌的關(guān)系,則可通過檢測水中懸浮鐵細菌的數(shù)量,從而推測管壁鐵細菌的數(shù)量,對管壁微生物腐蝕開展研究.根據(jù)物料守恒原則,對于AR反應器在穩(wěn)定狀態(tài)下附著鐵細菌脫落建立模型.模型建立的基本假設如下:①AR反應器可以近似為一個全混流的反應器,即每一時刻出水中懸浮鐵細菌的數(shù)量與反應器中懸浮鐵細菌的數(shù)量相等;②懸浮鐵細菌與掛片上附著的鐵細菌存在相互轉(zhuǎn)化.AR反應器中懸浮鐵細菌數(shù)量的變化主要由4個方面引起:①進出水中懸浮鐵細菌濃度的變化;②AR反應器中懸浮鐵細菌自身的生長、繁殖;③掛片上附著鐵細菌的脫落;④水中懸浮鐵細菌附著在掛片表面轉(zhuǎn)化成管壁鐵細菌.對反應器進行物料衡算可得式(1).VdXfedt=Q(Xfi?Xfe)+Ra+Rd+Rp(1)式中,Q為反應器進水量(mL/h);Xfi為進水中懸浮鐵細菌量(CFU/mL);Xfe為出水中的懸浮鐵細菌量(CFU/mL);Ra為懸浮鐵細菌附著速率[CFU/(cm2·h)];Rd為管壁鐵細菌脫落速率[CFU/(cm2·h)];Rp為水中懸浮鐵細菌的增長率[CFU/(cm2·h)].目前國內(nèi)外對于懸浮菌附著動力學過程的描述均采用一級動力學模型.kfa表示懸浮菌附著速率常數(shù),R表示反應器有效體積與有效附著面積的比值,A表示反應器中掛片有效附著面積(cm2),則有:Ra=kfa?Xfe?A?R(2)管壁鐵細菌的脫落采用n級動力學過程表示,kbd表示鐵細菌的脫落速率常數(shù),Xa為管壁鐵細菌數(shù)量(CFU/cm2).n表示脫落過程為n級動力學過程,則有:Rd=kbd?Xna?A(3)懸浮鐵細菌的增長Rp可以表示為:Rp=μXfe?V(4)式中,μ表示懸浮鐵細菌在反應器內(nèi)生長繁殖的比增長速率常數(shù)(h-1),V為反應器有效容積(mL).代入式(1),則得到:VdXfedt=Q(Xft?Xfe)+μ?Xfe?V+kbd?Xna?A?kfa?Xfe?A?R(5)在鐵細菌達到穩(wěn)定生長后,反應器中懸浮鐵細菌的數(shù)量,以及掛片上鐵細菌的數(shù)量均保持不變,因此有:VdXfedt=Q(Xft?Xfe)+μ?Xfe?V+kbd?Xna?A?kfa?Xfe?A?R=0(6)考慮到反應器進水懸浮鐵菌量大約比出水小一個數(shù)量級,即Xfi=0.1Xfe.由于反應器水力停留時間僅為1h,μ·Xfe·V?Rd.由此也可以說明,此時水中懸浮鐵細菌重要來源于掛片上附著鐵細菌的脫落,而不是懸浮鐵細菌自身的增長,即μ·Xfe·V?Rd.因此式(6)最終可以化簡為:Xfe=kbd?Xna0.9Q/A+kfa?R(7)選取同一剪切力條件穩(wěn)定生長狀態(tài)下,懸浮鐵細菌與管壁附著鐵細菌數(shù)量關(guān)系按照式(7)進行擬合,結(jié)果見圖7.掛片上鐵細菌的脫落滿足一級動力學過程,即n=1.在穩(wěn)定的條件下,水中懸浮的鐵細菌與掛片上鐵細菌之間存在著線形的關(guān)系.由于AR作為一種CSTR反應器,僅能模擬實際管網(wǎng)中某一特定管段,在特定條件(一定剪切力、一定營養(yǎng)基質(zhì)條件等)下的情況.在實際管網(wǎng)中,兩者之間關(guān)系的表達式也更加復雜,需要結(jié)合具體的參數(shù)得到,因此還需對此進行進一步的研究.3懸浮鐵細菌的生長(1)管壁鐵細菌在反應器運行12d后達到穩(wěn)定生長,出水中鐵細菌數(shù)量比進水增加1lg.(2)較大的剪切力使掛片上鐵細菌生長達到穩(wěn)定需要的時間變長.不同的剪切力對于達到穩(wěn)定生長后的掛片上的鐵細菌數(shù)量沒有明顯的影響.(3)穩(wěn)定余氯0.3mg/L可以有效控制懸浮和管壁鐵細菌的生長,數(shù)量降低1lg;對于管垢內(nèi)的鐵細菌即使余氯增加到1.0mg/L仍無法