活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭反洗对铵去除的影响，活性炭已被广泛引入先进的饮用水净化厂，以去除有机物和铵。反洗，这是活性炭维护的常规做法，是影响活性炭及其微生物生物量性能的重要操作因素。在这项研究中，从饮用水净化厂收集反洗前后的活性炭样品，在实施原水预氯化之前和之后进行取样。评估了反洗对活性炭的铵去除能力的影响，还分析了反洗后活性炭上氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的丰度。

　　臭氧化活性炭已广泛应用于饮用水净化厂以改善水质。活性炭具有较大的比表面积。虽然物理吸附是活性炭的主要功能，但是活性炭的表面增殖微生物在水净化中起着重要作用。铵的氧化是其关键的生物学功能之一。水性铵与氯反应形成一氯胺，在一些自来水厂中一氯胺可作为长效消毒剂，确保自来水的饮用安全。

　　然而，在某些条件下，铵可以进一步与过量的氯反应并在成品水中产生有气味的三氯胺。为了生产高品质的饮用水，达到自来水公司的要求，成品水中的三氯胺必须保持在不可检测的水平(<0.02 mg/L)。虽然有几项研究讨论了影响活性炭硝化性能的操作和环境因素，如活性炭材料，空床接触时间，活性炭老化，反洗，温度和原水，这些影响成品水质量的机制尚未完全揭示，这阻碍了其他的研究进展。了解微生物生态学是解决当前水处理技术问题和提高其性能的关键，因为微生物始终参与并在地球化学循环中发挥关键作用。

　　通常认为氨氧化是由两组氨氧化微生物进行的：氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)。尽管AOA仅在十年前被发现，但它们被认为在氨氧化中起着重要作用，特别是在贫营养环境中。此外，已发现铵浓度对AAC和AOB在活性炭上的活性至关重要。臭氧化也是决定活性炭内微生物群结构的关键因素。然而，水处理的其他因素(环境和操作因素)对氨氧化剂的存在和丰度以及活性炭的铵去除性能的影响尚未得到很好的阐明。

　　在饮用水处理中，反洗是活性炭维护的常规做法。反洗的目的是减少活性炭孔隙的堵塞。同时，反洗是在活性炭上维持适当生物膜的有效方法，因为不充分的反洗导致形成厚的生物膜，这可能阻碍底物进入微生物。另一方面，薄的生物膜可能会降低活性炭的性能，因为大多数微生物会被反冲洗脱落。虽然一些研究已经证明了反洗对活性炭孔隙内微生物生物量的影响，但经过多次实验得出了不一样的结果。此外，这些结果集中在整个微生物群落，而反洗对氨氧化微生物的影响，它们是介导氨氧化的功能性微生物。活性炭上有两组氨氧化剂，它们对环境因素(如氨浓度和温度)的反应不同。因此，有必要还评估反洗等操作因素对其活动和社区的影响。他们发现反洗后硝化细菌的生物量没有变化。

　　当活性炭内的生物活性在冬季降低时，在凝结/沉淀之前实施预氯化或断点氯化以化学除去原水中的铵。此外，氯是一种有效的消毒剂，用于控制饮用水系统中的微生物活动和生长。据了解，预氯化对活性炭的氨氧化性能以及AAC和AOB在活性炭上的丰度具有强烈的负面影响。

　　在该研究中，在反洗之前和之后从饮用水净化厂收集活性炭样品。在实施预氯化之前和之后进行取样，以评估反洗和预氯化对活性炭的铵去除能力以及与活性炭相关的AOA和AOB的丰度的影响。另外，测量了反洗水中脱落量的AOA和AOB。该研究的结果有助于了解活性炭的硝化性能和优化反冲洗程序。

　　原水中的铵浓度和饮用水净化厂的废水

　　原水中的铵浓度和饮用水厂中纯化过程的流出物如图1所示。两种样品的原水中的浓度约为0.05 mg N/L(即有或没有预氯化)。铵的显着减少两次采样中凝结/沉淀流出物中的浓度(p<0.01)可能是由于絮凝和沉淀过程中物理化学和电化学反应的影响。图1a中初级砂滤后铵浓度的第一次显着降低(p<0.01)应归因于氨氧化微生物的生物活性。然而，在开始预氯化之后，由于预氯化的消毒效果，通过初级砂过滤不会降低铵浓度。仅在未实施预氯化时才观察到凝结/沉降至活性炭流出物中铵浓度的显着降低。此外，活性炭流出物中剩余的铵更多。实施预氯化后的取样为02 mg N/L)与实施预氯化前的取样中活性炭流出物中的铵浓度(0.01 mg N/L)相比较。由于预氯化可以化学去除原水中的铵，因此在预氯化期间凝结/沉降的流出物中铵浓度的降低高于未实施预氯化的凝结/沉降(57%对40%)。然而，由于在以下纯化过程中氯消毒对微生物的负面影响(即初级砂滤和活性炭)，铵浓度不能进一步降低。

　　图1：两种样品中原水中的铵浓度和水净化过程的流出物(即没有预氯化(a)和预氯化(b)。

　　反洗对活性炭去除铵效果的影响

　　图2显示了反洗前后活性炭的铵去除能力的变化。没有预氯化，铵去除能力为0.040mgN/L/h/g-dry。在第一次取样后反洗(p<0.01)后，它增加了12%。另一方面，当实施预氯化时，去洗后的去除能力降低了12%(从0.048到0.042mg N/L/h/g-dry)(p<0.01)。

　　图2：在“无预氯化”和“预氯化”的采样时间之前和反洗后之前活性炭的铵去除能力。BW：反冲洗和误差条：标准偏差。

　　反洗对活性炭上AOA和AOB丰度的影响

　　AOA和AOB与amoA基因的定量PCR结果显示在图3中。在两个样品中AOA在活性炭上占优势。无论预氯化，反洗都不会显着影响AOA或AOB的量(p> 0.01)。其中反洗对硝化细菌生物量的影响可以忽略不计。实验也证明饮用水厂中使用的滴滤池上的氨氧化剂的丰度也不受反洗的影响，反洗不会使硝化作用恶化。然而，反洗后大量细菌生物量减少对微生物群落的影响小于对微生物生物量的影响，后者通过反洗显着减少。活性炭上不同微生物的生态位分离可能是产生不同结果的原因，因为反洗可能对某些类型细菌的生物量具有强烈影响，而对氨氧化剂的生物量影响较小。

　　尽管反洗后活性炭上AOA和AOB的丰度保持稳定，但两种样品中的铵去除能力发生了变化。第一次取样中铵去除能力的增加可能是由于去除了积聚的絮凝物或过量的生物膜，这阻碍了材料向硝化剂的扩散。然而，预氯化可能对反洗后氨氧化剂的活性产生不利影响。结果，反洗后铵去除能力显着降低。

　　图3：在“无预氯化”和“预氯化”的采样时间之前(实心棒)和之后(带斜线的棒)反洗的活性炭上AOA和AOB的丰度。

　　本期研究证明了反洗对活性炭AOA和AOB丰度的边际影响。没有预氯化，反洗有助于恢复活性炭对铵去除的能力。另一方面，预氯化期间的反洗可能对活性炭的铵去除效果产生不利影响。建议进一步分析，以确认这些现象和相关影响。

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