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

使用微電極評估一氯胺和游離氯在飲用水儲罐沉積物中的滲透

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

《環境科學與技術》，第53卷，2019年，頁碼9352-9360

 

摘要

摘要描述了研究使用微電極評估一氯胺和游離氯在飲用水儲罐沉積物中的滲透。沉積物依次暴露于一氯胺4個月、游離氯2個月和再一氯胺2個月。測量了單氯胺、游離氯、溶解氧、pH、銨、亞硝酸鹽和硝酸鹽的時空剖面。結果顯示，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10000微米，表明微生物活動在整個8個月內持續。銨減少和硝酸鹽增加，伴 minimal 亞硝酸鹽積累，證明沉積物發生完全硝化。游離氯應用期間有可測量的氮物種，切換回一氯胺后硝化活動逐漸恢復。這些發現建議定期清除飲用水儲罐沉積物以去除微生物的潛在保護環境。

 

研究目的

研究目的是評估消毒劑在飲用水儲罐沉積物中的有效性，表征消毒劑和營養物滲透，并研究消毒劑滲透與微生物活動的關系。具體目標是測量單氯胺和游離氯在沉積物中的滲透，評估切換消毒劑的影響，以及調查消毒劑滲透與微生物活動的聯系。

 

研究思路

研究思路是使用Teflon杯反應器填充2厘米深沉積物，連續暴露于4 mg L?1單氯胺或游離氯，流速5 mL min?1，分為三個階段：單氯胺暴露4個月（階段1）、游離氯暴露2個月（階段2）和再單氯胺暴露2個月（階段3）。使用微電極測量沉積物內部從 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。通過數學建模分析擴散過程，并與測量數據比較，以理解化學傳輸和反應。

 

測量的數據及研究意義

1. 單氯胺和游離氯濃度剖面：數據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限制擴散，無法有效滅活深層微生物，支持沉積物作為微生物保護層的觀點。數據來自圖2a、圖3a和圖4a。

 

 

 

2. 溶解氧剖面：數據顯示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消耗DO，證明沉積物中存在持續的生物活性，如硝化或異養活動。數據來自圖2b、圖3b和圖4b。

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

4. pH剖面：數據顯示pH輕微下降，從8.0至7.7。研究意義是反映化學和生物過程的相互作用，如硝化產酸。數據來自圖2d、圖3d和圖4d。

這些數據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，如消毒劑切換的局限性。

 

結論

結論是一氯胺和游離氯均未完全滲透2厘米深沉積物，微生物活動持續存在。游離氯轉換未能完全消除硝化活動，切換回一氯胺后硝化快速恢復。沉積物保護微生物免受消毒劑影響，建議定期清潔儲罐和沖洗分布系統以維持水質。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于微電極技術允許高空間分辨率測量沉積物內部的化學梯度，揭示消毒劑和營養物的擴散與反應動態。例如，微電極數據顯示消毒劑滲透深度有限，證明反應速率超過擴散速率，導致微生物在深層存活。這有助于理解微生物在保護環境中的生存機制，為實際水處理提供關鍵見解，如消毒劑切換策略的優化和沉積物管理的重要性。具體地，微電極測量揭示了硝化活動的空間分布，支持沉積物作為硝化菌儲庫的觀點，并強調微尺度監測對評估水質的價值。