Evaluation of Monochloramine and Free Chlorine Penetration in a Drinking Water Storage Tank Sediment Using Microelectrodes

使用微電極評(píng)估一氯胺和游離氯在飲用水儲(chǔ)罐沉積物中的滲透

來源：Environmental Science & Technology, Volume 53, 2019,, Pages 9352-9360

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，第53卷，2019年，頁碼9352-9360

 

摘要

摘要描述了研究使用微電極評(píng)估一氯胺和游離氯在飲用水儲(chǔ)罐沉積物中的滲透。沉積物依次暴露于一氯胺4個(gè)月、游離氯2個(gè)月和再一氯胺2個(gè)月。測(cè)量了單氯胺、游離氯、溶解氧、pH、銨、亞硝酸鹽和硝酸鹽的時(shí)空剖面。結(jié)果顯示，一氯胺或游離氯均未完全滲透沉積物，溶解氧也未完全滲透，最大深度達(dá)10000微米，表明微生物活動(dòng)在整個(gè)8個(gè)月內(nèi)持續(xù)。銨減少和硝酸鹽增加，伴 minimal 亞硝酸鹽積累，證明沉積物發(fā)生完全硝化。游離氯應(yīng)用期間有可測(cè)量的氮物種，切換回一氯胺后硝化活動(dòng)逐漸恢復(fù)。這些發(fā)現(xiàn)建議定期清除飲用水儲(chǔ)罐沉積物以去除微生物的潛在保護(hù)環(huán)境。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估消毒劑在飲用水儲(chǔ)罐沉積物中的有效性，表征消毒劑和營養(yǎng)物滲透，并研究消毒劑滲透與微生物活動(dòng)的關(guān)系。具體目標(biāo)是測(cè)量單氯胺和游離氯在沉積物中的滲透，評(píng)估切換消毒劑的影響，以及調(diào)查消毒劑滲透與微生物活動(dòng)的聯(lián)系。

 

研究思路

研究思路是使用Teflon杯反應(yīng)器填充2厘米深沉積物，連續(xù)暴露于4 mg L?1單氯胺或游離氯，流速5 mL min?1，分為三個(gè)階段：?jiǎn)温劝繁┞?個(gè)月（階段1）、游離氯暴露2個(gè)月（階段2）和再單氯胺暴露2個(gè)月（階段3）。使用微電極測(cè)量沉積物內(nèi)部從 bulk 流體到底部的單氯胺、游離氯、溶解氧、pH、銨、亞硝酸鹽和硝酸鹽的剖面。通過數(shù)學(xué)建模分析擴(kuò)散過程，并與測(cè)量數(shù)據(jù)比較，以理解化學(xué)傳輸和反應(yīng)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 單氯胺和游離氯濃度剖面：數(shù)據(jù)顯示消毒劑未完全滲透沉積物，例如階段1單氯胺僅滲透至6200微米，階段2游離氯僅滲透約500微米。研究意義是揭示消毒劑在沉積物中因反應(yīng)限制擴(kuò)散，無法有效滅活深層微生物，支持沉積物作為微生物保護(hù)層的觀點(diǎn)。數(shù)據(jù)來自圖2a、圖3a和圖4a。

 

 

 

2. 溶解氧剖面：數(shù)據(jù)顯示DO緩慢滲透，最大深度12500微米，且未完全滲透。研究意義是表明好氧微生物活動(dòng)消耗DO，證明沉積物中存在持續(xù)的生物活性，如硝化或異養(yǎng)活動(dòng)。數(shù)據(jù)來自圖2b、圖3b和圖4b。

3. 氮物種剖面包括銨、亞硝酸鹽和硝酸鹽：數(shù)據(jù)顯示銨被消耗，硝酸鹽增加，亞硝酸鹽積累 minimal，表明完全硝化活動(dòng)。研究意義是揭示硝化微生物在消毒劑存在下存活，并顯示氮循環(huán)的復(fù)雜性，如游離氯應(yīng)用后氮物種未完全擴(kuò)散出沉積物。數(shù)據(jù)來自圖2c、圖3c和圖4c。

4. pH剖面：數(shù)據(jù)顯示pH輕微下降，從8.0至7.7。研究意義是反映化學(xué)和生物過程的相互作用，如硝化產(chǎn)酸。數(shù)據(jù)來自圖2d、圖3d和圖4d。

這些數(shù)據(jù)的總體研究意義是幫助理解沉積物中微生物的持久性，為水處理策略提供依據(jù)，如消毒劑切換的局限性。

 

結(jié)論

結(jié)論是一氯胺和游離氯均未完全滲透2厘米深沉積物，微生物活動(dòng)持續(xù)存在。游離氯轉(zhuǎn)換未能完全消除硝化活動(dòng)，切換回一氯胺后硝化快速恢復(fù)。沉積物保護(hù)微生物免受消毒劑影響，建議定期清潔儲(chǔ)罐和沖洗分布系統(tǒng)以維持水質(zhì)。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于微電極技術(shù)允許高空間分辨率測(cè)量沉積物內(nèi)部的化學(xué)梯度，揭示消毒劑和營養(yǎng)物的擴(kuò)散與反應(yīng)動(dòng)態(tài)。例如，微電極數(shù)據(jù)顯示消毒劑滲透深度有限，證明反應(yīng)速率超過擴(kuò)散速率，導(dǎo)致微生物在深層存活。這有助于理解微生物在保護(hù)環(huán)境中的生存機(jī)制，為實(shí)際水處理提供關(guān)鍵見解，如消毒劑切換策略的優(yōu)化和沉積物管理的重要性。具體地，微電極測(cè)量揭示了硝化活動(dòng)的空間分布，支持沉積物作為硝化菌儲(chǔ)庫的觀點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)微尺度監(jiān)測(cè)對(duì)評(píng)估水質(zhì)的價(jià)值。