孫麗華,王春芳,朱珺瑤,鄧 斯

慢濾對污水廠二級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.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室,北京 100044；2.北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院,北京 100044；3.北京市東城區(qū)住房與城市建設委員會,北京 100027)

以高效去除污水廠二級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)對銅綠假單胞菌的去除效果,在最佳運行條件下監(jiān)測污染物在慢濾生物膜表面的沉積過程,分析慢濾表面生物膜的種群結構特征及其對銅綠假單胞菌的去除機制.結果表明,在最佳運行條件下(濾速5cm/h、碳氮比為10、Ca2+濃度為60mg/L、pH7),有生物膜慢濾對二級出水中銅綠假單胞菌的去除效果最好,去除率能夠達到87.0%;在最佳運行條件下,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銅綠假單胞菌有去除效果的微生物相對豐度占比最大;在濾速為5cm/h、碳氮比為10條件下,二級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,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；二級出水；運行條件；沉積過程

條件致病菌、病毒等病原微生物是城市污水再生利用過程中需高度關注的風險因子,有效控制病原微生物風險,是再生水深度凈化與水質安全保障的重要內容和挑戰(zhàn).其中,條件致病菌(OPs)是一種在正常情況下不會引起疾病,但在特殊的條件下會引起疾病的病原微生物[1].銅綠假單胞菌(PA)作為一種常見的OPs,廣泛存在于水體環(huán)境中,人體經(jīng)過與水的接觸,會將其攝入或吸入體內而引發(fā)疾病,對人類健康造成嚴重的威脅[2].由于具有耐氯性和抗藥性[3],常規(guī)的污水處理工藝對于水中的去除倍顯乏力,使得污水處理廠的二級出水中仍含有數(shù)量較多的,因此,為保證污水廠二級出水的微生物安全性,需要對其做進一步的深度處理.

傳統(tǒng)的污水深度處理技術包括:混凝-沉淀-砂濾、膜過濾、生物處理、臭氧氧化等[4-5].常規(guī)的深度處理工藝對二級出水中的膠體、大分子有機物、懸浮物和細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)毒性物質等很難被完全去除[6].地表滲流補充地下水、慢濾等介質過濾方式以其性能優(yōu)異、成本低廉、運行簡便等優(yōu)勢,在污水深度處理領域得到國內外關注[7].近年來,大量的研究結果顯示,慢濾在二級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物和細菌對OPs的去除起到非常重要的作用[9-10];水體中的氨氮、有機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,進而將其清除[11].經(jīng)過大量試驗和工程應用,進一步證實了慢濾濾膜的生物降解能力,對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出水為處理對象,采用慢濾工藝對其進行深度處理,探究不同運行條件下(進水碳氮比、離子濃度等)該工藝對水中的去除效果;采用耗散型石英晶體微天平技術(QCM-D),在最佳運行條件下監(jiān)測二級出水中污染物在生物膜表面的沉積去除過程;利用Illumina高通量測序技術分析慢濾表面生物膜的種群結構,揭示最佳運行條件下慢濾表面生物膜種群結構的特征及其對去除的機制.

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

1.1.1 試驗水樣 試驗原水采用模擬污水處理廠二級出水.取學校生活污水,依次使用1mm、70μm、40μm孔徑的濾篩過濾,加入經(jīng)72h曝曬除氯后的自來水稀釋10倍.模擬二級出水水質參數(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 試驗試劑 CODCr、NH4+-N檢測所需試劑購自北京科力華源科技有限公司;培養(yǎng)生物膜以及常規(guī)水質指標檢測所用試劑: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,均購自北京?？淀槻藤Q有限公司;PA檢測所需試劑: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),均由北京博云輝生物科技有限公司提供并檢測.

1.1.3 試驗裝置 試驗所用慢濾濾料為石英砂和粗砂,有效粒徑分別為0.6mm、2.0mm,均購自佰圣泰科商貿有限公司.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為無生物膜的濾柱,柱2、3、4和5為不同運行條件下具有生物膜的濾柱.試驗裝置如圖1所示.

圖1 慢濾試驗裝置

1.2 試驗方法

1.2.1 不同運行條件下生物膜的培養(yǎng) 試驗運行期間,水溫控制在20～25℃之間,對慢濾柱中的生物膜培養(yǎng)采用連續(xù)流自然生長掛膜[13],并以慢濾對CODCr的去除率(>60%)穩(wěn)定作為生物膜成熟的標準[14].通過蠕動泵控制濾速分別為5, 10, 20, 30cm/h.通過向模擬二級出水中加入一定量的營養(yǎng)物質,得到培養(yǎng)不同水質條件生物膜時所用水樣,并根據(jù)生物膜對CODCr的降解效果確定該階段最佳運行條件.選擇慢濾最佳濾速,通過投加葡萄糖和NH4Cl來改變進水碳氮比(CODCr與NH4+-N之比),分別為5,10,15和20,相應的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、最佳進水碳氮比,通過投加CaCl2改變進水Ca2+濃度,分別為60,120,180和240mg/L;選擇慢濾最佳濾速、最佳進水碳氮比、最佳水質進水Ca2+濃度,通過滴加HCl改變進水pH值為5,滴加NaOH改變進水pH值為9.

1.2.2 儀器及分析方法 化學需氧量(CODcr)使用哈希水質檢測儀(DR-6000,美國)檢測;Ca2+濃度采用國標《水質鈣的測定EDTA滴定》(GB 7476-87)方法測定;濁度采用便攜式濁度儀(SGZ-200BS型,中國)測定;溶解性有機碳(DOC)采用總有機碳分析儀(TOC-VCPH,德國)檢測.

采用q-PCR法定量檢測水中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)進行DNA提取、擴增并定量檢測.的引物F: GACGTACACGCGAAAGACCT, R: GCCCAGAGCCATGTTGTACT.

采用高通量測序平臺(Illumina MiSeq,美國)進行測序,樣品均送往生工生物工程(上海)有限公司,在Illumina MiSeq高通量測序平臺上分析擴增基因,并與DNA數(shù)據(jù)庫進行比對,確定樣品中的微生物種群結構.

1.2.3 PA動態(tài)沉積過程檢測 采用耗散型石英晶體微天平分析儀(QSense Explorer,瑞典)監(jiān)測PA在生物膜表面的動態(tài)沉積過程.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,記錄此時的芯片頻率(?)和耗散因子(?);再引入試驗溶液持續(xù)30min.監(jiān)測倍頻段=5的?和?的變化,計算耗散因子與頻率偏移的比值?/-?(?/-?數(shù)值可擬合計算出芯片表面薄層的質量和厚度變化),采用Sauerbrey模型擬合質量變化?和質量沉積速率[15];

質量沉積速率(MDR)=質量最大值/實驗時間(2)

式中:為恒定常數(shù),為17.7ng/cm2;為芯片倍頻數(shù);“實驗時間”指自樣品進入流室起至質量最大值出現(xiàn)時的兩個時間節(jié)點之差,h.

2 結果與討論

2.1 慢濾在不同運行條件下對PA的去除效能

通過改變慢濾的濾速、進水碳氮比,進水Ca2+濃度和pH值,探究慢濾在不同運行條件下對的去除效能,結果如圖2所示.

圖2 不同運行條件下慢濾對銅綠假單胞菌的去除效能

2.1.1 不同濾速 本試驗向慢濾裝置通入模擬二級出水,通過蠕動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,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.在慢濾運行穩(wěn)定后,分別檢測不同慢濾柱進出水中的濃度,并計算其去除率,結果如圖2(a)所示.

結果表明,在相同濾速條件下,生物膜慢濾對二級出水中的去除效果均優(yōu)于無生物膜慢濾.不同濾速條件下,濾速為5cm/h時對的去除效果最好,去除率為84.2%;當濾速增大為10、20、和30cm/h時,慢濾出水中PA的去除率有所下降,分別為77.9%、63.8%和62.2%.這是因為的大小比濾料之間的孔隙小得多[16],僅靠石英砂濾料的物理截留無法有效去除;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混合物,使得吸附于濾料上,進而被去除[11].同時,生物膜上的一些微生物能夠攝取生長的必要物質,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,水力停留時間越久,使得更有機會被吸附在濾料及生物膜上,進而被去除.這與曹相生等[18]的研究結果一致.因此,濾速為5cm/h時慢濾對的去除效果最佳.

2.1.2 不同碳氮比 本試驗在最佳濾速(5cm/h)條件下,通過向水中投加葡萄糖和氯化銨,控制慢濾進水的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.在慢濾運行穩(wěn)定后,濾后水中CODCr依次為13,10,37和64mg/L,對CODCr的去除率分別為64.4%、83.3%、58.9%和43.9%;分別檢測不同慢濾柱進出水中的濃度,并計算其去除率,結果如圖2(b)所示.

結果表明,相同的C/N條件下,生物膜慢濾對水中的去除效果均優(yōu)于無生物膜慢濾.隨著進水C/N的增大,無生物膜慢濾對的去除效果區(qū)別不大,去除率均低于50%;生物膜慢濾對于水中的去除效果呈先增強后減弱的趨勢,C/N為10時,去除效果最好,其去除率為91.2%;C/N為5,15和20時,其去除率分別為76.7%、54.5%和66.7%.這是因為無生物膜慢濾對水中的去除僅靠物理截留作用,進水C/N對無生物膜慢濾影響不大;由于二級出水中有機物含量低,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,對于生物膜慢濾,當進水C/N從5增大到10時,通過增加有機碳源,增強生物膜表面活性,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水中的捕食能力[20],這與仇雁翎等[21]的研究結果一致.但隨著碳源濃度增大,超過濾料表面微生物膜中異養(yǎng)菌的分解能力,導致水中的有機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,慢濾進水C/N為10時對的去除效果最佳.

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

結果表明,不同Ca2+濃度條件下,隨著Ca2+濃度逐漸增大,生物膜慢濾對二級出水中的去除率逐漸降低,但均優(yōu)于無生物膜慢濾.無生物膜慢濾對水中的去除率均低于60%;Ca2+濃度為60mg/L時,生物膜慢濾對的去除率最高,為87.5%;當增大進水Ca2+濃度為120,180,240mg/L時,去除效果均顯著下降,其去除率分別為76.1%、63.3%和50.6%.這是因為,隨著進水Ca2+濃度的上升,無生物膜慢濾表面產生CaCO3的堆積,堵塞濾料孔隙,導致其對的截留效果降低.對于生物膜慢濾,Ca2+濃度對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粘附位點,提高的去除效果[23].在生長過程中會產生多種粘附素,可以使菌體粘附在宿主細胞上[24].Ca2+濃度過高,反而起到篩選靜電結合作用的功能,使EPS蛋白質的結合位點飽和,降低微生物的聚集能力[25],從而削弱的去除效果.因此,慢濾進水Ca2+濃度控制在60mg/L左右時,對水中的去除效果最佳.

2.1.4 不同pH值 本試驗在最佳濾速條件(5cm/h)、最佳進水碳氮比(C:N=10)和最佳進水Ca2+濃度(60mg/L)條件下,通過向二級出水中滴加HCl和NaOH來控制進水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,慢濾生物膜對水中CODCr的去除率均第20d左右趨于穩(wěn)定,pH值為7時,生物膜在第15d左右成熟.在慢濾運行穩(wěn)定后,分別檢測不同慢濾柱進出水中的濃度,并計算其去除率,結果如圖2(d)所示.

結果表明,在不同進水pH值條件下,隨著pH值的升高,生物膜慢濾對的去除效果先增強后減弱,并且均優(yōu)于相同條件下的無生物膜慢濾.無生物膜慢濾對的去除率均低于60%;進水pH值為5、7和9時,生物膜慢濾對的去除率分別為79.1%, 87.0%和35.0%.可見,pH值為7時生物膜慢濾效果最佳.這是因為,慢濾表面生物膜中,多數(shù)細菌生長繁殖的最適pH值為6.5～7.5,而屬于耐酸細菌,在惡劣的環(huán)境下仍可生存[26].研究表明,的最適生長pH值在5.0～9.0范圍內,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].在強酸和強堿性條件下,慢濾表面生物膜呈現(xiàn)不可逆性破壞,使得微生物對于水中的去除效果大大減弱.因此,盡管由于調節(jié)pH值使得進水中的含量有所下降,但基于生物膜的生物凈化作用,應當控制慢濾進水pH值在7左右為宜.

2.2 慢濾表面生物膜及其對PA的去除機制

2.2.1 最佳運行條件下生物膜微生物種群結構分析 為確定在最佳運行條件下(濾速5cm/h、進水C/N為10、Ca2+濃度60mg/L、pH值為7)對微生物種群結構的影響,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)計學分析指數(shù).OTUs、Shannon指數(shù)、Chao指數(shù)、Ace指數(shù)越大,Simpson指數(shù)越小,說明種群物種多樣性越高;Coverage指數(shù)越高,說明樣本的可靠性越高.結果如表1所示.

結果表明,4種運行條件下的Coverage值均為1,說明樣本的可靠性非常高.對比每種水質條件不同指數(shù)之間的情況可知,在最佳濾速為5cm/h基礎上,C/N為10、Ca2+為60mg/L和pH值為7水質條件下培養(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,物種的多樣性下降最明顯;調節(jié)進水pH值為7時,物種的多樣性有一定提升.

當C/N為10時,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,微生物在利用葡萄糖代謝和發(fā)酵的過程中,會造成系統(tǒng)中pH值的改變,從而導致污泥中微生物多樣性的下降[30];調整Ca2+濃度為60mg/L時,由于微生物對Ca2+的競爭關系,導致生物膜內優(yōu)勢菌種的產生,且有CaCO3存在,從而導致多樣性下降;調節(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 最佳運行條件下微生物種多樣性指數(shù)

2.2.2 最佳運行條件下微生物類型對的去除影響 試驗對慢濾生物膜進行高通量測序,采用RDP classifier方式[30]對微生物群落分類.選取最佳運行條件下,各生物膜表面微生物中總OTUs前10的優(yōu)勢菌屬進行分析,結果如圖3所示.

結果表明,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;進水C/N為10時,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菌粘附至填料表面,進而將其去除[31].Ca2+濃度為60mg/L時,生物膜上出現(xiàn)了厭氧氨氧化菌屬,相對豐度達到59.1%,同時擬桿菌屬和浮霉菌屬相對豐度降低,根瘤菌屬、放線菌屬的相對豐度升高.這是因為Ca2+濃度增高導致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);通過去除水中的氨氮,導致生長所需營養(yǎng)物質減少,從而使得出水中的含量減少.此外,在進水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細菌較多,可利用多糖類作為底物,增強其代謝活性,分泌更多的EPS和蛋白質,通過EPS表面蛋白質與表面分泌的蛋白質特異性結合而去除.pH值為7時,變形菌屬、酸桿菌屬和硝化螺旋菌屬的相對豐度升高,成為優(yōu)勢菌屬.硝酸螺旋菌作為污水處理中常見的細菌,對氨氮類化合物有較好的去除效果,而氨氮是生長的必要物質,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,強酸或者強堿環(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,對水中的去除效果最佳.總之,與其他運行條件相比,在最佳運行條件下,對有去除效果的微生物相對豐度最大.

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態(tài)沉積過程分析

2.3.1 污染物在不同生物膜表面的動態(tài)沉積過程 選取慢濾對水中污染物去除效果最佳時的運行條件,即慢濾濾速為5cm/h,進水C/N為10,進水Ca2+濃度為60mg/L,進水pH值為7條件下培養(yǎng)的慢濾生物膜,利用QCM-D技術,以第5個倍頻段(=5)為基礎,監(jiān)測二級出水中的污染物在生物膜表面的沉積過程,結果如圖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流室中注入實驗水樣,不同生物膜表面的頻率?持續(xù)降低;并且依次改變慢濾進水碳氮比、Ca2+濃度和pH值水質條件,生物膜表面的頻率?呈降低的趨勢.由圖4(b)可知,通入試驗水樣后,石英晶片的耗散因子?均上升,且進水C/N為10的條件下?最大,說明3種水質條件下培養(yǎng)的生物膜的結構粘彈性質均逐漸增強,但在進水C/N為10時生物膜的粘彈性最好.由圖4(c)可知,?和生物膜表面質量?成反比,因此通入二級出水后,生物膜表面微生物攝取有機物進行生長繁殖,在成膜過程中導致?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,并且在整個監(jiān)測過程中,生物膜一直未達到吸附飽和.

由圖4(d),在進水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.當進水Ca2+濃度為60mg/L時生物膜表面的質量變化最大,沉積速率先增大后減小,且平均質量沉積速率最大;隨著Ca2+在生物膜形成少量的CaCO3沉淀,對污染物的去除速率降低.研究表明[33],低濃度Ca2+條件下會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時水質條件相比,此時?/-?顯著減小,說明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].調節(jié)進水pH值為7時,生物膜對污染物的吸附增量不大,質量沉積速率先增大后略有降低,并趨于穩(wěn)定.說明調節(jié)pH值可以緩解部分生物膜表面CaCO3沉淀,此時?/-?基本不變,對生物膜質地影響不大.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,吸附后期,生物膜表面的吸附位點減少,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表面的動態(tài)沉積過程 在同樣的試驗條件下,將不同水質條件下的二級出水對應通入表面附著不同條件生物膜EPS的石英晶片,監(jiān)測二級出水中的污染物在生物膜EPS表面的沉積過程,結果如圖5和表3所示.

由圖5(a)可見,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,且進水C/N為10時,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,由于多糖含量的增加,EPS結構的粘彈性較好,Ca2+和pH值對EPS的粘彈性質影響不大.由圖5(c)和(d)可知,通入二級出水, EPS表面?持續(xù)增加,EPS表面污染物的MDR先增大后下降,說明EPS對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的二級出水,EPS表面質量持續(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Ca2+濃度為60mg/L時,EPS表面質量持續(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+不會刺激微生物產生更多EPS,因此去除過程與進水C/N為10類似;但?有所增加,這是因為隨著吸附的進行,少量CaCO3附著在生物膜表面,導致生物膜EPS質量有所增加.此外,Ca2+能夠改變EPS的zeta電位來影響其附著能力,橋接生物大分子鏈和改變分子構象的能力[39],使得EPS表面產生更強的疏水作用性.因此,EPS表面污染物沉積行為的增強又與EPS表面負電減小而導致的疏水性增強有關.在進水pH值為7時,/-與Ca2+濃度為60mg/L時相比變化不大,因此pH值對EPS結構變化影響不大;EPS表面的質量緩速提升,吸附一定時間后趨于穩(wěn)定;污染物在EPS表面的MDR先增大后持續(xù)降低,最后達到飽和.這是由于pH值降低會導致EPS的相對疏水性提高,在前期沉積速率增大,而后EPS中的氨基R-NH2通過吸附H+形成R-NH3+,導致H+減少,使得pH值上升,從而對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 結論

3.1 相同條件下,生物膜慢濾較無生物膜慢濾對的去除效果更好;改變運行條件,慢濾進水的濾速、C/N、Ca2+濃度和pH值均存在一個最佳值;當濾速為5cm/h、C/N為10、Ca2+濃度為60mg/L、pH值為7時,生物膜慢濾的去除效果最佳.

3.2 濾速為5cm/h時,慢濾表面生物膜中變形菌屬和酸桿菌屬占主導地位;C/N為10時,擬桿菌屬占比最大;Ca2+濃度為60mg/L時,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,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,污染物在生物膜表面的沉積過程主要為微生物的粘附作用;隨著粘附的進行,污染物在生物膜和EPS表面的質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,山東煙臺人,教授,博士,主要從事再生水處理及膜法水處理技術方面的研究.發(fā)表論文40余篇. sunlihuashd@163. com.

孫麗華,王春芳,朱珺瑤,等.慢濾對污水廠二級出水中條件致病菌的去除 [J]. 中國環(huán)境科學, 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

國家自然科學基金資助項目(52070011)

* 責任作者, 教授, sunlihuashd@163.com