慢濾對(duì)污水廠二級(jí)出水中條件致病菌的去除

孫麗華,王春芳,朱珺瑤,鄧 斯

慢濾對(duì)污水廠二級(jí)出水中條件致病菌的去除

孫麗華1*,王春芳2,朱珺瑤3,鄧 斯2

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044；2.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100044；3.北京市東城區(qū)住房與城市建設(shè)委員會(huì),北京 100027)

以高效去除污水廠二級(jí)出水中的銅綠假單胞菌為目的,探究慢濾工藝在不同條件下(濾速、碳氮比、離子濃度、pH值)對(duì)銅綠假單胞菌的去除效果,在最佳運(yùn)行條件下監(jiān)測(cè)污染物在慢濾生物膜表面的沉積過(guò)程,分析慢濾表面生物膜的種群結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)銅綠假單胞菌的去除機(jī)制.結(jié)果表明,在最佳運(yùn)行條件下(濾速5cm/h、碳氮比為10、Ca2+濃度為60mg/L、pH7),有生物膜慢濾對(duì)二級(jí)出水中銅綠假單胞菌的去除效果最好,去除率能夠達(dá)到87.0%;在最佳運(yùn)行條件下,濾料表面生物膜的多樣性最高,物種組成最均勻,變形菌屬和硝化螺旋菌屬等對(duì)銅綠假單胞菌有去除效果的微生物相對(duì)豐度占比最大;在濾速為5cm/h、碳氮比為10條件下,二級(jí)出水中污染物在慢濾生物膜表面的沉積主要為胞外聚合物的粘附作用;而在水中Ca2+濃度為60mg/L、pH值為7時(shí),污染物在慢濾表面的沉積主要為微生物的粘附作用.

慢濾；銅綠假單胞菌；二級(jí)出水；運(yùn)行條件；沉積過(guò)程

條件致病菌、病毒等病原微生物是城市污水再生利用過(guò)程中需高度關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)因子,有效控制病原微生物風(fēng)險(xiǎn),是再生水深度凈化與水質(zhì)安全保障的重要內(nèi)容和挑戰(zhàn).其中,條件致病菌(OPs)是一種在正常情況下不會(huì)引起疾病,但在特殊的條件下會(huì)引起疾病的病原微生物[1].銅綠假單胞菌(PA)作為一種常見(jiàn)的OPs,廣泛存在于水體環(huán)境中,人體經(jīng)過(guò)與水的接觸,會(huì)將其攝入或吸入體內(nèi)而引發(fā)疾病,對(duì)人類(lèi)健康造成嚴(yán)重的威脅[2].由于具有耐氯性和抗藥性[3],常規(guī)的污水處理工藝對(duì)于水中的去除倍顯乏力,使得污水處理廠的二級(jí)出水中仍含有數(shù)量較多的,因此,為保證污水廠二級(jí)出水的微生物安全性,需要對(duì)其做進(jìn)一步的深度處理.

傳統(tǒng)的污水深度處理技術(shù)包括:混凝-沉淀-砂濾、膜過(guò)濾、生物處理、臭氧氧化等[4-5].常規(guī)的深度處理工藝對(duì)二級(jí)出水中的膠體、大分子有機(jī)物、懸浮物和細(xì)菌等有較好的去除效果,但水中的OPs、有毒害微量污染物和生態(tài)毒性物質(zhì)等很難被完全去除[6].地表滲流補(bǔ)充地下水、慢濾等介質(zhì)過(guò)濾方式以其性能優(yōu)異、成本低廉、運(yùn)行簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),在污水深度處理領(lǐng)域得到國(guó)內(nèi)外關(guān)注[7].近年來(lái),大量的研究結(jié)果顯示,慢濾在二級(jí)出水深度處理中能有效去除水中的病原微生物[8].慢砂濾池中的原生動(dòng)物和細(xì)菌對(duì)OPs的去除起到非常重要的作用[9-10];水體中的氨氮、有機(jī)物以及致病菌等能夠由慢濾表面生物膜上的多糖與蛋白的混合物所捕獲,被生物膜上的微生物所利用,進(jìn)而將其清除[11].經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和工程應(yīng)用,進(jìn)一步證實(shí)了慢濾濾膜的生物降解能力,對(duì)水中的病原微生物有較好的去除效果[12].

因此,本文以城市污水廠二級(jí)出水為處理對(duì)象,采用慢濾工藝對(duì)其進(jìn)行深度處理,探究不同運(yùn)行條件下(進(jìn)水碳氮比、離子濃度等)該工藝對(duì)水中的去除效果;采用耗散型石英晶體微天平技術(shù)(QCM-D),在最佳運(yùn)行條件下監(jiān)測(cè)二級(jí)出水中污染物在生物膜表面的沉積去除過(guò)程;利用Illumina高通量測(cè)序技術(shù)分析慢濾表面生物膜的種群結(jié)構(gòu),揭示最佳運(yùn)行條件下慢濾表面生物膜種群結(jié)構(gòu)的特征及其對(duì)去除的機(jī)制.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

1.1.1 試驗(yàn)水樣 試驗(yàn)原水采用模擬污水處理廠二級(jí)出水.取學(xué)校生活污水,依次使用1mm、70μm、40μm孔徑的濾篩過(guò)濾,加入經(jīng)72h曝曬除氯后的自來(lái)水稀釋10倍.模擬二級(jí)出水水質(zhì)參數(shù)為:溫度22.8℃, pH值7.9,濁度6.85NTU, CODCr13.1mg/L, DOC5.2mg/L,NH4+-N6.5mg/L,Ca2+51.5mg/L.

1.1.2 試驗(yàn)試劑 CODCr、NH4+-N檢測(cè)所需試劑購(gòu)自北京科力華源科技有限公司;培養(yǎng)生物膜以及常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)所用試劑:葡萄糖、NH4Cl、CaCl2、HCl、H2SO4、NaCl、酒石酸鉀鈉、EDTA、鈣羧酸指示劑,均為分析純,均購(gòu)自北京?？淀槻藤Q(mào)有限公司;PA檢測(cè)所需試劑:DNA快速提取試劑盒(FastDNA? Spin Kit for soil,擎科生物)、pMD? 18-T Vector(TAKARA)、瓊脂糖B(BBI)、GeneRuler DNA Ladder Mix(Thermo Scientific)、50xTAEBuffer (捷瑞生物)、DL5000DNA Marker(擎科生物)、TS-GeIRed核酸凝膠染料(Nucleic acid gel dye,擎科生物)、UItaSYBR Mixture(康為世紀(jì)),均由北京博云輝生物科技有限公司提供并檢測(cè).

1.1.3 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)所用慢濾濾料為石英砂和粗砂,有效粒徑分別為0.6mm、2.0mm,均購(gòu)自佰圣泰科商貿(mào)有限公司.慢濾裝置由5根濾柱組成,每根直徑均為8cm,高65cm;每根濾柱的填充高度一致,礫石高度為5cm,石英砂高度為45cm.其中,柱1為無(wú)生物膜的濾柱,柱2、3、4和5為不同運(yùn)行條件下具有生物膜的濾柱.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 慢濾試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同運(yùn)行條件下生物膜的培養(yǎng) 試驗(yàn)運(yùn)行期間,水溫控制在20～25℃之間,對(duì)慢濾柱中的生物膜培養(yǎng)采用連續(xù)流自然生長(zhǎng)掛膜[13],并以慢濾對(duì)CODCr的去除率(>60%)穩(wěn)定作為生物膜成熟的標(biāo)準(zhǔn)[14].通過(guò)蠕動(dòng)泵控制濾速分別為5, 10, 20, 30cm/h.通過(guò)向模擬二級(jí)出水中加入一定量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),得到培養(yǎng)不同水質(zhì)條件生物膜時(shí)所用水樣,并根據(jù)生物膜對(duì)CODCr的降解效果確定該階段最佳運(yùn)行條件.選擇慢濾最佳濾速,通過(guò)投加葡萄糖和NH4Cl來(lái)改變進(jìn)水碳氮比(CODCr與NH4+-N之比),分別為5,10,15和20,相應(yīng)的CODCr依次為33, 60, 90和114mg/L,NH4+-N濃度均為6.5mg/L;選擇慢濾最佳濾速、最佳進(jìn)水碳氮比,通過(guò)投加CaCl2改變進(jìn)水Ca2+濃度,分別為60,120,180和240mg/L;選擇慢濾最佳濾速、最佳進(jìn)水碳氮比、最佳水質(zhì)進(jìn)水Ca2+濃度,通過(guò)滴加HCl改變進(jìn)水pH值為5,滴加NaOH改變進(jìn)水pH值為9.

1.2.2 儀器及分析方法 化學(xué)需氧量(CODcr)使用哈希水質(zhì)檢測(cè)儀(DR-6000,美國(guó))檢測(cè);Ca2+濃度采用國(guó)標(biāo)《水質(zhì)鈣的測(cè)定EDTA滴定》(GB 7476-87)方法測(cè)定;濁度采用便攜式濁度儀(SGZ-200BS型,中國(guó))測(cè)定;溶解性有機(jī)碳(DOC)采用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH,德國(guó))檢測(cè).

采用q-PCR法定量檢測(cè)水中PA濃度,樣品均送至北京博云輝生物科技有限公司,使用PCR儀(CFX Manager biorad,美國(guó))進(jìn)行DNA提取、擴(kuò)增并定量檢測(cè).的引物F: GACGTACACGCGAAAGACCT, R: GCCCAGAGCCATGTTGTACT.

采用高通量測(cè)序平臺(tái)(Illumina MiSeq,美國(guó))進(jìn)行測(cè)序,樣品均送往生工生物工程(上海)有限公司,在Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)上分析擴(kuò)增基因,并與DNA數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),確定樣品中的微生物種群結(jié)構(gòu).

1.2.3 PA動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程檢測(cè) 采用耗散型石英晶體微天平分析儀(QSense Explorer,瑞典)監(jiān)測(cè)PA在生物膜表面的動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程.石英晶片(QSX 301,Biolin Scientific AB)頻率為5MHz,直徑為14mm,采用AT切割.采用高壓滅菌前從慢濾生物膜表面提取生物膜樣品,涂抹于石英晶片上備用.使用蠕動(dòng)泵向QCM-D的樣品室中通入超純水3～5min,建立穩(wěn)定基線,記錄此時(shí)的芯片頻率(?)和耗散因子(?);再引入試驗(yàn)溶液持續(xù)30min.監(jiān)測(cè)倍頻段=5的?和?的變化,計(jì)算耗散因子與頻率偏移的比值?/-?(?/-?數(shù)值可擬合計(jì)算出芯片表面薄層的質(zhì)量和厚度變化),采用Sauerbrey模型擬合質(zhì)量變化?和質(zhì)量沉積速率[15];

質(zhì)量沉積速率(MDR)=質(zhì)量最大值/實(shí)驗(yàn)時(shí)間(2)

式中:為恒定常數(shù),為17.7ng/cm2;為芯片倍頻數(shù);“實(shí)驗(yàn)時(shí)間”指自樣品進(jìn)入流室起至質(zhì)量最大值出現(xiàn)時(shí)的兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)之差,h.

2 結(jié)果與討論

2.1 慢濾在不同運(yùn)行條件下對(duì)PA的去除效能

通過(guò)改變慢濾的濾速、進(jìn)水碳氮比,進(jìn)水Ca2+濃度和pH值,探究慢濾在不同運(yùn)行條件下對(duì)的去除效能,結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同運(yùn)行條件下慢濾對(duì)銅綠假單胞菌的去除效能

2.1.1 不同濾速 本試驗(yàn)向慢濾裝置通入模擬二級(jí)出水,通過(guò)蠕動(dòng)泵在慢濾柱出水端控制濾速為5,10,20和30cm/h.在各濾速條件下培養(yǎng)生物膜,濾速為5cm/h時(shí),生物膜在第67d左右成熟,濾速為10cm/h的濾柱在63d左右成熟,濾速為20 和30cm/h的濾柱表面生物膜均在59d左右成熟.在慢濾運(yùn)行穩(wěn)定后,分別檢測(cè)不同慢濾柱進(jìn)出水中的濃度,并計(jì)算其去除率,結(jié)果如圖2(a)所示.

結(jié)果表明,在相同濾速條件下,生物膜慢濾對(duì)二級(jí)出水中的去除效果均優(yōu)于無(wú)生物膜慢濾.不同濾速條件下,濾速為5cm/h時(shí)對(duì)的去除效果最好,去除率為84.2%;當(dāng)濾速增大為10、20、和30cm/h時(shí),慢濾出水中PA的去除率有所下降,分別為77.9%、63.8%和62.2%.這是因?yàn)榈拇笮”葹V料之間的孔隙小得多[16],僅靠石英砂濾料的物理截留無(wú)法有效去除;而生物膜慢濾表面維持著大量的微生物,可分泌多糖和蛋白質(zhì)混合物,使得吸附于濾料上,進(jìn)而被去除[11].同時(shí),生物膜上的一些微生物能夠攝取生長(zhǎng)的必要物質(zhì),因此也可以有效削減水中的數(shù)量[17].由于濾速變化,使生物膜上的微生物種群和生物量發(fā)生了不同程度的改變;濾速越小,水力停留時(shí)間越久,使得更有機(jī)會(huì)被吸附在濾料及生物膜上,進(jìn)而被去除.這與曹相生等[18]的研究結(jié)果一致.因此,濾速為5cm/h時(shí)慢濾對(duì)的去除效果最佳.

2.1.2 不同碳氮比 本試驗(yàn)在最佳濾速(5cm/h)條件下,通過(guò)向水中投加葡萄糖和氯化銨,控制慢濾進(jìn)水的C/N分別為5、10、15和20.在各C/N條件下培養(yǎng)生物膜,慢濾表面生物膜均在第17d左右成熟.在慢濾運(yùn)行穩(wěn)定后,濾后水中CODCr依次為13,10,37和64mg/L,對(duì)CODCr的去除率分別為64.4%、83.3%、58.9%和43.9%;分別檢測(cè)不同慢濾柱進(jìn)出水中的濃度,并計(jì)算其去除率,結(jié)果如圖2(b)所示.

結(jié)果表明,相同的C/N條件下,生物膜慢濾對(duì)水中的去除效果均優(yōu)于無(wú)生物膜慢濾.隨著進(jìn)水C/N的增大,無(wú)生物膜慢濾對(duì)的去除效果區(qū)別不大,去除率均低于50%;生物膜慢濾對(duì)于水中的去除效果呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì),C/N為10時(shí),去除效果最好,其去除率為91.2%;C/N為5,15和20時(shí),其去除率分別為76.7%、54.5%和66.7%.這是因?yàn)闊o(wú)生物膜慢濾對(duì)水中的去除僅靠物理截留作用,進(jìn)水C/N對(duì)無(wú)生物膜慢濾影響不大;由于二級(jí)出水中有機(jī)物含量低,并且大多數(shù)處于難以降解的狀態(tài),不容易被微生物利用[19],因此,對(duì)于生物膜慢濾,當(dāng)進(jìn)水C/N從5增大到10時(shí),通過(guò)增加有機(jī)碳源,增強(qiáng)生物膜表面活性,提高生物量,微生物的新陳代謝速率加快,能有效提升生物膜對(duì)水中的捕食能力[20],這與仇雁翎等[21]的研究結(jié)果一致.但隨著碳源濃度增大,超過(guò)濾料表面微生物膜中異養(yǎng)菌的分解能力,導(dǎo)致水中的有機(jī)物不能被慢濾表面微生物充分利用[22],從而使得的去除率隨之下降.由此可見(jiàn),慢濾進(jìn)水C/N為10時(shí)對(duì)的去除效果最佳.

2.1.3 不同Ca2+濃度 本試驗(yàn)在最佳濾速條件(5cm/h)、最佳進(jìn)水碳氮比(C:N=10)條件下,調(diào)整不同進(jìn)水Ca2+濃度(60,120,180和240mg/L)培養(yǎng)生物膜, Ca2+濃度為60mg/L時(shí),生物膜在第22d左右成熟, Ca2+濃度在120,180和240mg/L時(shí),對(duì)水中CODCr的去除率均在第25d左右趨于穩(wěn)定.在慢濾運(yùn)行穩(wěn)定后,分別檢測(cè)不同慢濾柱進(jìn)出水中的濃度,并計(jì)算其去除率,結(jié)果如圖2(c)所示.

結(jié)果表明,不同Ca2+濃度條件下,隨著Ca2+濃度逐漸增大,生物膜慢濾對(duì)二級(jí)出水中的去除率逐漸降低,但均優(yōu)于無(wú)生物膜慢濾.無(wú)生物膜慢濾對(duì)水中的去除率均低于60%;Ca2+濃度為60mg/L時(shí),生物膜慢濾對(duì)的去除率最高,為87.5%;當(dāng)增大進(jìn)水Ca2+濃度為120,180,240mg/L時(shí),去除效果均顯著下降,其去除率分別為76.1%、63.3%和50.6%.這是因?yàn)?隨著進(jìn)水Ca2+濃度的上升,無(wú)生物膜慢濾表面產(chǎn)生CaCO3的堆積,堵塞濾料孔隙,導(dǎo)致其對(duì)的截留效果降低.對(duì)于生物膜慢濾,Ca2+濃度對(duì)生物膜表面微生物和生物膜胞外聚合物(EPS)有不同程度的影響,且EPS受Ca2+濃度影響較大,能夠提供更多的蛋白質(zhì)粘附位點(diǎn),提高的去除效果[23].在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種粘附素,可以使菌體粘附在宿主細(xì)胞上[24].Ca2+濃度過(guò)高,反而起到篩選靜電結(jié)合作用的功能,使EPS蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)飽和,降低微生物的聚集能力[25],從而削弱的去除效果.因此,慢濾進(jìn)水Ca2+濃度控制在60mg/L左右時(shí),對(duì)水中的去除效果最佳.

2.1.4 不同pH值 本試驗(yàn)在最佳濾速條件(5cm/h)、最佳進(jìn)水碳氮比(C:N=10)和最佳進(jìn)水Ca2+濃度(60mg/L)條件下,通過(guò)向二級(jí)出水中滴加HCl和NaOH來(lái)控制進(jìn)水pH值為5, 7和9,并在此條件下培養(yǎng)生物膜,pH值為5和9時(shí),慢濾生物膜對(duì)水中CODCr的去除率均第20d左右趨于穩(wěn)定,pH值為7時(shí),生物膜在第15d左右成熟.在慢濾運(yùn)行穩(wěn)定后,分別檢測(cè)不同慢濾柱進(jìn)出水中的濃度,并計(jì)算其去除率,結(jié)果如圖2(d)所示.

結(jié)果表明,在不同進(jìn)水pH值條件下,隨著pH值的升高,生物膜慢濾對(duì)的去除效果先增強(qiáng)后減弱,并且均優(yōu)于相同條件下的無(wú)生物膜慢濾.無(wú)生物膜慢濾對(duì)的去除率均低于60%;進(jìn)水pH值為5、7和9時(shí),生物膜慢濾對(duì)的去除率分別為79.1%, 87.0%和35.0%.可見(jiàn),pH值為7時(shí)生物膜慢濾效果最佳.這是因?yàn)?慢濾表面生物膜中,多數(shù)細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的最適pH值為6.5～7.5,而屬于耐酸細(xì)菌,在惡劣的環(huán)境下仍可生存[26].研究表明,的最適生長(zhǎng)pH值在5.0～9.0范圍內(nèi),并且極易生成生物被膜,可以在酸性條件下生存,但在堿性環(huán)境下生存力較低[27].在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性條件下,慢濾表面生物膜呈現(xiàn)不可逆性破壞,使得微生物對(duì)于水中的去除效果大大減弱.因此,盡管由于調(diào)節(jié)pH值使得進(jìn)水中的含量有所下降,但基于生物膜的生物凈化作用,應(yīng)當(dāng)控制慢濾進(jìn)水pH值在7左右為宜.

2.2 慢濾表面生物膜及其對(duì)PA的去除機(jī)制

2.2.1 最佳運(yùn)行條件下生物膜微生物種群結(jié)構(gòu)分析 為確定在最佳運(yùn)行條件下(濾速5cm/h、進(jìn)水C/N為10、Ca2+濃度60mg/L、pH值為7)對(duì)微生物種群結(jié)構(gòu)的影響,采用樣品的多樣性(Alpha多樣性)分析微生物群落的豐度和多樣性[28],包括OTUs、Shannon、Chao、Ace及Simpson等統(tǒng)計(jì)學(xué)分析指數(shù).OTUs、Shannon指數(shù)、Chao指數(shù)、Ace指數(shù)越大,Simpson指數(shù)越小,說(shuō)明種群物種多樣性越高;Coverage指數(shù)越高,說(shuō)明樣本的可靠性越高.結(jié)果如表1所示.

結(jié)果表明,4種運(yùn)行條件下的Coverage值均為1,說(shuō)明樣本的可靠性非常高.對(duì)比每種水質(zhì)條件不同指數(shù)之間的情況可知,在最佳濾速為5cm/h基礎(chǔ)上,C/N為10、Ca2+為60mg/L和pH值為7水質(zhì)條件下培養(yǎng)的生物膜微生物群落多樣性均有不同程度的下降.其中,Ca2+濃度為60mg/L時(shí),物種的多樣性下降最明顯;調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為7時(shí),物種的多樣性有一定提升.

當(dāng)C/N為10時(shí),慢濾表面微生物群落多樣性下降可能與碳源葡萄糖的降解途徑有關(guān),微生物在利用葡萄糖代謝和發(fā)酵的過(guò)程中,會(huì)造成系統(tǒng)中pH值的改變,從而導(dǎo)致污泥中微生物多樣性的下降[30];調(diào)整Ca2+濃度為60mg/L時(shí),由于微生物對(duì)Ca2+的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,導(dǎo)致生物膜內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種的產(chǎn)生,且有CaCO3存在,從而導(dǎo)致多樣性下降;調(diào)節(jié)pH值為7,向水中滴加HCl可以溶解部分CaCO3,使得生物膜表面微生物多樣性增大.

表1 最佳運(yùn)行條件下微生物種多樣性指數(shù)

2.2.2 最佳運(yùn)行條件下微生物類(lèi)型對(duì)的去除影響 試驗(yàn)對(duì)慢濾生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序,采用RDP classifier方式[30]對(duì)微生物群落分類(lèi).選取最佳運(yùn)行條件下,各生物膜表面微生物中總OTUs前10的優(yōu)勢(shì)菌屬進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示.

結(jié)果表明,濾速為5cm/h條件下,變形菌屬、酸桿菌屬和硝化螺旋菌屬等占比較大;進(jìn)水C/N為10時(shí),擬桿菌屬占比最大,其次是變形菌屬和浮霉菌屬.研究表明,變形菌和擬桿菌表面的脂多糖有利于細(xì)菌粘附至填料表面,進(jìn)而將其去除[31].Ca2+濃度為60mg/L時(shí),生物膜上出現(xiàn)了厭氧氨氧化菌屬,相對(duì)豐度達(dá)到59.1%,同時(shí)擬桿菌屬和浮霉菌屬相對(duì)豐度降低,根瘤菌屬、放線菌屬的相對(duì)豐度升高.這是因?yàn)镃a2+濃度增高導(dǎo)致CaCO3的積累,生物膜中出現(xiàn)部分厭氧的區(qū)域,使得厭氧氨氧化菌出現(xiàn);通過(guò)去除水中的氨氮,導(dǎo)致生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少,從而使得出水中的含量減少.此外,在進(jìn)水C/N為10和Ca2+濃度為60mg/L條件下,生物膜中生絲微菌屬、放線菌屬和根瘤菌等一類(lèi)細(xì)菌較多,可利用多糖類(lèi)作為底物,增強(qiáng)其代謝活性,分泌更多的EPS和蛋白質(zhì),通過(guò)EPS表面蛋白質(zhì)與表面分泌的蛋白質(zhì)特異性結(jié)合而去除.pH值為7時(shí),變形菌屬、酸桿菌屬和硝化螺旋菌屬的相對(duì)豐度升高,成為優(yōu)勢(shì)菌屬.硝酸螺旋菌作為污水處理中常見(jiàn)的細(xì)菌,對(duì)氨氮類(lèi)化合物有較好的去除效果,而氨氮是生長(zhǎng)的必要物質(zhì),因此可以有效削減水中的數(shù)量[17].并且,由于大部分微生物最適pH值為中性,強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿環(huán)境使得大部分微生物死亡,從而降低了生物膜活性[32],因此在pH值為7條件下培養(yǎng)的生物膜活性最高,對(duì)水中的去除效果最佳.總之,與其他運(yùn)行條件相比,在最佳運(yùn)行條件下,對(duì)有去除效果的微生物相對(duì)豐度最大.

圖中“0”代表在此條件下未檢出

2.3 污染物在不同慢濾表面的動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程分析

2.3.1 污染物在不同生物膜表面的動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程 選取慢濾對(duì)水中污染物去除效果最佳時(shí)的運(yùn)行條件,即慢濾濾速為5cm/h,進(jìn)水C/N為10,進(jìn)水Ca2+濃度為60mg/L,進(jìn)水pH值為7條件下培養(yǎng)的慢濾生物膜,利用QCM-D技術(shù),以第5個(gè)倍頻段(=5)為基礎(chǔ),監(jiān)測(cè)二級(jí)出水中的污染物在生物膜表面的沉積過(guò)程,結(jié)果如圖4和表2所示.

由圖4(a)可知,通入超純水穩(wěn)定基線7min左右后,向QCM-D流室中注入實(shí)驗(yàn)水樣,不同生物膜表面的頻率?持續(xù)降低;并且依次改變慢濾進(jìn)水碳氮比、Ca2+濃度和pH值水質(zhì)條件,生物膜表面的頻率?呈降低的趨勢(shì).由圖4(b)可知,通入試驗(yàn)水樣后,石英晶片的耗散因子?均上升,且進(jìn)水C/N為10的條件下?最大,說(shuō)明3種水質(zhì)條件下培養(yǎng)的生物膜的結(jié)構(gòu)粘彈性質(zhì)均逐漸增強(qiáng),但在進(jìn)水C/N為10時(shí)生物膜的粘彈性最好.由圖4(c)可知,?和生物膜表面質(zhì)量?成反比,因此通入二級(jí)出水后,生物膜表面微生物攝取有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖,在成膜過(guò)程中導(dǎo)致?不斷下降,?上升,4種條件下慢濾生物膜表面的吸附量均有不同程度的增加,并且在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,生物膜一直未達(dá)到吸附飽和.

由圖4(d),在進(jìn)水C/N為10條件下,污染物在生物膜表面的沉積速率先增大后逐漸趨于穩(wěn)定,并且相較于濾速為5cm/h條件下,生物膜表面的吸附量有所提升.當(dāng)進(jìn)水Ca2+濃度為60mg/L時(shí)生物膜表面的質(zhì)量變化最大,沉積速率先增大后減小,且平均質(zhì)量沉積速率最大;隨著Ca2+在生物膜形成少量的CaCO3沉淀,對(duì)污染物的去除速率降低.研究表明[33],低濃度Ca2+條件下會(huì)增加污染物與生物膜界面之間的范德華引力和極性引力.與C/N為10時(shí)水質(zhì)條件相比,此時(shí)?/-?顯著減小,說(shuō)明Ca2+使慢濾生物膜變得更加致密,靜電吸引和H鍵有利于Ca2+在這些表面形成致密、剛性的生物膜[34].調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為7時(shí),生物膜對(duì)污染物的吸附增量不大,質(zhì)量沉積速率先增大后略有降低,并趨于穩(wěn)定.說(shuō)明調(diào)節(jié)pH值可以緩解部分生物膜表面CaCO3沉淀,此時(shí)?/-?基本不變,對(duì)生物膜質(zhì)地影響不大.在沉積表面上,降低pH值可以降低靜電斥力[35],因此有助于沉積速率增加,提升生物膜吸附量;同時(shí),吸附后期,生物膜表面的吸附位點(diǎn)減少,污染物的沉積速度減慢.在一般環(huán)境條件下微生物表面帶負(fù)電荷,更容易吸附在帶正電的載體表面[36].pH值為7條件下,表面電位的變化并未受較大的影響,即吸附量受pH值影響并不明顯[37].

表2 不同生物膜表面污染物沉積因子變化值

2.3.2 污染物在不同EPS表面的動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程 在同樣的試驗(yàn)條件下,將不同水質(zhì)條件下的二級(jí)出水對(duì)應(yīng)通入表面附著不同條件生物膜EPS的石英晶片,監(jiān)測(cè)二級(jí)出水中的污染物在生物膜EPS表面的沉積過(guò)程,結(jié)果如圖5和表3所示.

由圖5(a)可見(jiàn),QCM-D的基線穩(wěn)定后,向流室中注入水樣,4種生物膜EPS的?均逐漸減小,其中濾速為5cm/h時(shí)頻率降低的最大.由圖5(b)可知,石英晶片的耗散因子?均上升,且進(jìn)水C/N為10時(shí),耗散因子?顯著提升,而其他條件下?變化相差不大,表明C/N為10時(shí),由于多糖含量的增加,EPS結(jié)構(gòu)的粘彈性較好,Ca2+和pH值對(duì)EPS的粘彈性質(zhì)影響不大.由圖5(c)和(d)可知,通入二級(jí)出水, EPS表面?持續(xù)增加,EPS表面污染物的MDR先增大后下降,說(shuō)明EPS對(duì)水中污染物的吸附初期較快,而隨著水中污染物的沉淀,EPS上吸附的污染物較多,因此速率變慢.

通入C/N為10的二級(jí)出水,EPS表面質(zhì)量持續(xù)上升,污染物在EPS表面的沉積速率先增大后下降并趨于平緩,并且相較濾速5cm/h條件下生物膜表面的吸附量有所下降.當(dāng)Ca2+濃度為60mg/L時(shí),EPS表面質(zhì)量持續(xù)上升,污染物在EPS表面的MDR先增大后減小,并且趨于平緩.研究表明[38],投加Ca2+不會(huì)刺激微生物產(chǎn)生更多EPS,因此去除過(guò)程與進(jìn)水C/N為10類(lèi)似;但?有所增加,這是因?yàn)殡S著吸附的進(jìn)行,少量CaCO3附著在生物膜表面,導(dǎo)致生物膜EPS質(zhì)量有所增加.此外,Ca2+能夠改變EPS的zeta電位來(lái)影響其附著能力,橋接生物大分子鏈和改變分子構(gòu)象的能力[39],使得EPS表面產(chǎn)生更強(qiáng)的疏水作用性.因此,EPS表面污染物沉積行為的增強(qiáng)又與EPS表面負(fù)電減小而導(dǎo)致的疏水性增強(qiáng)有關(guān).在進(jìn)水pH值為7時(shí),/-與Ca2+濃度為60mg/L時(shí)相比變化不大,因此pH值對(duì)EPS結(jié)構(gòu)變化影響不大;EPS表面的質(zhì)量緩速提升,吸附一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定;污染物在EPS表面的MDR先增大后持續(xù)降低,最后達(dá)到飽和.這是由于pH值降低會(huì)導(dǎo)致EPS的相對(duì)疏水性提高,在前期沉積速率增大,而后EPS中的氨基R-NH2通過(guò)吸附H+形成R-NH3+,導(dǎo)致H+減少,使得pH值上升,從而對(duì)污染物的吸附速率降低[40].

圖5 污染物在慢濾生物膜EPS表面沉積因子的變化

表3 不同生物膜EPS表面污染物沉積因子變化值

3 結(jié)論

3.1 相同條件下,生物膜慢濾較無(wú)生物膜慢濾對(duì)的去除效果更好;改變運(yùn)行條件,慢濾進(jìn)水的濾速、C/N、Ca2+濃度和pH值均存在一個(gè)最佳值;當(dāng)濾速為5cm/h、C/N為10、Ca2+濃度為60mg/L、pH值為7時(shí),生物膜慢濾的去除效果最佳.

3.2 濾速為5cm/h時(shí),慢濾表面生物膜中變形菌屬和酸桿菌屬占主導(dǎo)地位;C/N為10時(shí),擬桿菌屬占比最大;Ca2+濃度為60mg/L時(shí),厭氧氨氧化菌、變形菌屬和擬桿菌屬等占比更大;pH值為7時(shí),濾料表面生物膜中硝化螺旋菌屬、變形菌屬和酸桿菌屬占比更大;不同運(yùn)行條件下濾料表面生物膜中的厭氧氨氧化菌、硝化螺旋菌、變形菌、擬桿菌和酸桿菌等均有利于的去除.

3.3 在濾速為5cm/h、C/N為10條件下,污染物在慢濾生物膜表面的沉積主要為EPS的粘附作用;在水中Ca2+濃度為60mg/L、pH值為7時(shí),污染物在生物膜表面的沉積過(guò)程主要為微生物的粘附作用;隨著粘附的進(jìn)行,污染物在生物膜和EPS表面的質(zhì)量沉積速率均逐漸趨于穩(wěn)定.

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Removal ofin secondary effluent from sewage plants by slow filtration.

SUN Li-hua1*, WANG Chun-fang2, ZHU Jun-yao3, DENG Si2

(1.Key Laboratory of Urban Rainwater System and Water Environment, Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China；2.School of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China；3.Beijing Dongcheng District Housing and Urban Construction Committee, Beijing 100027, China)., 2023,43(8)：3946～3955

This study investigated the removal ofin secondary effluent from sewage plants, as well as the related mechanism. Different slow filtration parameters influence onremoval such as filtration velocity, carbon nitrogen ratio, ion concentration and pH were examined. The results showed that 87.0% removal ofcould be obtained under the optimizing condition with 5cm/h of filtration velocity, 10: 1of C/N , 60mg/L of Ca2+at pH7. And the biofilm on the filter surface had the highest diversity and the most uniform of the species composition under this condition,spp. andspp. accounted for the largest proportion of the relative abundance of microorganisms with removal effect on. Mechanism study revealed that the deposition of pollutants on the biofilm surface of the filter was mainly attributed to the adhesion of extracellular polymers under 5cm/h of filtration velocity, 10: 1of C/N, while the adhesion of microorganisms contributed for the deposition of pollutants under 60mg/L of Ca2+at pH 7.

slow filtration；；secondary effluent；operating conditions；deposition process

X703

A

1000-6923(2023)08-3946-10

孫麗華(1978-),女,山東煙臺(tái)人,教授,博士,主要從事再生水處理及膜法水處理技術(shù)方面的研究.發(fā)表論文40余篇. sunlihuashd@163. com.

孫麗華,王春芳,朱珺瑤,等.慢濾對(duì)污水廠二級(jí)出水中條件致病菌的去除 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(8):3946-3955.

Sun L H, Wang C F, Zhu J Y, et al. Removal ofin secondary effluent from sewage plants by slow filtration [J]. China Environmental Science, 2023,43(8):3946-3955.

2022-12-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52070011)

* 責(zé)任作者, 教授, sunlihuashd@163.com