微氧化环境下给水管壁生物膜中微量无机污染物累积/解吸生物化学耦合机制

The presence of biofilm will cause the problem of water quality declining in the pipe network. While trace inorganic contaminants such as arsenic, lead, antimony and chromium will accumulate in the biofilm of the water supply pipe wall. These will be released into the water causing the problem of excess trace inorganic substances in the pipe network, which will bring potential harm to human health. At present, there are few studies on the mechanism of accumulation and dissociation of trace inorganic pollutants in long-term biofilm wall under disinfectant oxidative environment. In order to solve the problem of excessive trace inorganic pollutants in water supply network, the project is to study the effect of micro-oxidation on the accumulation or desorption of trace inorganic contaminants in water supply network and its kinetics on biofilms. The interaction between biofilm and trace inorganic pollutants in water supply pipe wall will be studied. And the research will analyse the characteristics of biofilm and the mechanism of accumulation or desorption of trace inorganic pollutants under micro-oxidation condition, reveal the coupling relationship of accumulation or desorption of trace inorganic pollutants, and propose the control method of accumulation/analysis of trace inorganic pollutants in water supply network. The research results of the project will provide theoretical reference and technical support for the solution and control of the excessive inorganic pollutants in the water supply network.

给水管壁生物膜会造成管网水质下降的问题，而微量无机污染物如砷、铅、锑、铬等会累积在给水管壁生物膜中，在管网水质或水力波动时发生解吸引起管网中微量无机物超标问题，对人体健康造成危害。目前国内外对于处于微氧化环境下的给水管壁生物膜特性与微量无机污染物的累积和解吸的关系、规律及其相互作用机制研究较少。项目针对给水管网中微量无机污染物超标问题，开展微氧化条件对给水管网中微量无机污染物的累积/解吸过程的影响研究、微量无机微污染物在生物膜上的累积/解吸动力学研究，确定给水管壁生物膜与微量无机污染物的交互作用关系，解析微氧化条件下给水管壁生物膜的特性与微量无机污染物累积/解吸的作用机制，揭示给水管壁生物膜特性与微量无机污染物的耦合关系，进而提出给水管网微量无机污染物的累积/解吸的控制方法。项目的研究成果将对控制给水管网中微量无机污染物超标问题提供理论参考和技术支持。

研究选择聚氯乙烯塑料（PVC）、304不锈钢和铜等三种常见管材，利用立式转盘反应器（RDR）模拟给水管网，研究了管壁生物膜生长特性、管壁生物膜吸附/解吸微量无机污染物的规律和吸附-解吸耦合机制。.结果表明，给水管壁生物膜中无机污染物的吸附/解吸过程分为快慢两个阶段，是动态平衡的反应过程。该过程包含固液间的扩散、物质交换和生物膜与无机污染物之间电子共用等，较符合准二级动力学方程。.生物膜生长初期会逐渐积累有机物和铅、镉等无机污染物，40天后无机污染物开始被解吸直至动态平衡。80后反应器出水中铅浓度可达0.015-0.025mg/L，部分反应器出水中镉浓度可达0.0052-0.0056mg/L。.对比不同管材管壁生物膜发现，304不锈钢上的生物膜吸附铅能力最强，吸附容量达450.81 μmol/m2，紫铜上的生物膜吸附镉的能力最强，吸附容量达44.61μmol/m2； PVC材质管壁生物膜对铅、镉的解吸能力最强，解吸容量分别为25.30μmol/m2和15.74μmol/m2。在水力条件发生变化时，管壁生物膜的吸附/解吸能力会受到影响。流速提升会降低管壁生物膜对铅的吸附容量（相关系数为-0.5013），pH提升会使管壁生物膜对铅的吸附容量提高（相关系数为0.0178）。但在生物膜解吸时情况相反，流速提升会提高管壁生物膜对铅的解吸容量（相关系数为0.0402），pH提升会使管壁生物膜对铅的解吸容量降低（相关系数为-0.2504）。余氯浓度的提升则会使吸附/解吸容量均有所下降。.PVC管材管壁生物膜中生物量和各组分浓度更高，生物量为1.58×106CFU/cm2，多样性指数为4.32，EPS和TOC含量达到348mg/m2和323mg/m2。304不锈钢和紫铜管材中生物量比PVC材质低1个数量级，多样性也更低，EPS和TOC含量约为PVC管材的75%-85%。此外，在添加氯消毒剂后，管壁生物膜中生物量、物种多样性和有机质含量均会有不同程度下降，高浓度余氯（1.5 mg/L）影响更加显著。推测管壁生物膜中生物量、物种多样性、有机质含量和吸附容量呈正相关关系，物种组成和功能丰度值会影响其物质交换和内扩散等转运过程，是导致不同管壁生物膜吸附/解吸的能力差异的主要原因。