饮用水处理中活性炭池微生物风险评估.pdf

给水排水 饮 用 水 处 理 中 活 性 炭 池 微 生 物 风 险 评 估王敏尚海涛顾军农刘永康郝春博（北京市自来水集团技术研究院，北京 ；中国地质大学（北京），北京 ）摘要针对给水厂活性炭深度处理工艺可能产生的微生物泄漏问题，采用异养菌平板计数法对活性炭表面异养菌及总大肠菌群进行了检测，发现活性炭池中存在大量异养菌。对水源水、活性炭进出水和活性炭进行了常见的 种致病菌、种病毒以及贾第鞭毛虫和隐孢子虫的检测，除了在活性炭表面检测到粪肠球菌外，其他样品中均未检出病原体。为进一步确定活性炭表面微生物的种类，利用 克隆文库技术对活性炭表面的微生物种群进行了分析。在活性炭表面共检测到 （生丝微菌）、和 （丛毛单胞菌）、（红环菌）、（醋杆菌）、（离中不粘柄菌）和 。由于活性炭池是净水工艺的最后一道工序，活性炭表面生长的微生物，尤其是病原微生物会大大增加饮用水的微生物健康风险，必须采用高效的后续消毒手段才能确保饮用水的安全。关键词活性炭异养菌平板计数法微生物种群微生物风险由于地表水源的微污染现状日益加剧以及水质标准的不断提高，越来越多的给水厂采用活性炭池深度处理工艺来处理地表水，。活性炭池一般位于常规处理工艺的砂滤池之后，活性炭池出水经过消毒后直接进入管网。活性炭去除污染物的机理主要包括活性炭吸附作用和微生物降解作用，活性炭吸附有机物的同时也为微生物生长提供了基质和载体，致使微生物数量和种类大量增加。由于活性炭池可能发生的炭粒泄漏，致使液氯等消毒剂杀灭附着的病原体更加困难，泄漏的细菌即使不附着在炭粒上，仍然对氯有比较强的抵抗性，这些问题均导致活性炭池出水存在一定的微生物安全风险。本文对北方某市某水厂在用的活性炭池的炭表面微生物，采用异养菌平板计数法（，）对其生物量进行了表征。通过 克隆文库技术确定了活性炭表面微生物的种类，同时对活性炭表面常见致病菌、病毒及“两虫”进行了检测，对活性炭池出水的微生物安全性进行了评估。国家水体污染控制与治理科技重大专项（）；北京市科委计划项目（）。试验方法 样品采集试验以北方某市某地表水厂活性炭池为研究对象，试验样品为正在使用的活性炭池表层活性炭。检测 检测采用 培养基，进行平板涂布，培养，进行菌落计数。称取 活性炭于装有 无菌水的三角瓶内，超声振荡 ，取水溶液进行 测定。分子克隆文库构建活性炭表面微生物种群分布采用了分子生物学技术构建分子克隆文库，该方法可快速、准确地对活性炭上的微生物群落结构进行初步解析，其方法是提取活 性 炭 表 面 样 品 的 总 后，用 特 异 性 的 引物进行 扩增，扩增产物能很容易地被克隆到合适的载体上，经转化后构建成 分子克隆文库，随机选择克隆，进行其 序列测定，通过与数据库中的相关种群比较，可确定与该克隆最相近的菌株，用这种不依赖于培养的方法可以直接分析活性炭表面的微生物（包括难培养微生物）种群结构。致病菌和病毒检测检测指标为饮用水中常见的 种致病菌和种DOI:10.13789/ki.wwe1964.2014.0069给水排水 病毒，种致病菌为沙门氏菌、志贺氏菌、小肠结肠炎耶尔森氏菌、空肠弯曲杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、阪崎肠杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、致病埃希氏大肠杆菌（大肠 ：）、粪肠球菌，种病毒包括轮状病毒、诺如病毒和星状病毒。其中致病菌的检测采用 食品标准。轮状病毒的检测采用轮状病毒 菌株作为 反应的标准品，焦碳酸二乙酯（）处理过的无菌水作为空白对照。引物、和 扩增片断为 。诺如病毒检测采用诺如病毒株作为 反应的标准品，焦碳酸二乙酯（）处理过的无菌水作为空白对照。引物 和 扩增片断为 。星状病毒检测采用星状病毒株作为 反应的标准品，焦碳酸二乙酯（）处理过的无菌水作为空白对照。引物 和 扩增片断为 。“两虫”检测贾第鞭毛虫和隐孢子虫均采用 生活饮用水标准检验方法（）中的免疫磁分离荧光抗体法进行检测。结果与讨论 活性炭表面 变化对活性炭表面的 进行了连续个运行周期的检测，每个运行周期（即炭池一个反冲洗周期）为。其中该厂月 日（即第二、三个周期之间）活性炭池更换新炭，被换的旧炭炭龄为。图为活性炭表面的 检测结果，由于过滤反冲洗工艺循环的影响，其数值有所波动，范围在 之间。在一个运行周期内，反冲洗后活性炭上的微生物量相对较少，随着运行时间的推移，在反冲后第六天，活性炭上的 数量最高（），异养菌的数量与一个反冲周期内的延时时间有很好的相关性，延时越长，异养菌数量越多。有文献表明，反冲洗能够去除滤层中 的异养菌，滤层中去除的微生物主要是滤层空隙中截留或生长的以及与炭颗粒结合不牢的部分，虽然反冲洗能够去除部分生物量，但对于整个炭层来说仍然含有较高的微生物。值得注意的是，月 日该厂换炭，新炭上的 水平一直高于旧炭（炭），直到月才降到旧炭的水平。这是因为新炭上的微生物吸附得还不牢固，在检测过程中更多的微生物会被超声震荡到图活性炭表面微生物 水中，导致检测结果偏高。随着活性炭使用时间的延长，活性炭上的生物膜逐渐形成，附着性增强，经过个月后形成了稳定的生物膜。活性炭池进出水及炭表面总大肠菌群与致病菌分析为了考察肠道致病菌，对该厂个活性炭池的活性炭表面总大肠菌群进行了检测，结果如表所示，从表中可以看出，个活性炭样表面均生长有一定数量的总大肠菌群。作为肠道微生物的替代指标，由总大肠菌群的检出可以推测该活性炭池出水中存在着肠道致病菌污染的可能性，对人体健康具有潜在的危险。表活性炭表面总大肠菌群检测结果炭池 炭池 炭池 为了进一步明确活性炭样表面及活性炭池进出水中是否存在肠道致病菌，对包括水源水、活性炭池进水、活性炭池出水和活性炭进行了饮用水中常见的 种致病菌和种病毒的检测，同时还对饮用水质标准中规定的贾第鞭毛虫和隐孢子虫进行了分析，结果如表所示。除在活性炭中检测到粪肠球表饮用水中常见致病菌检测结果检测项目原水炭池进水 炭池出水炭表面沙门氏菌未检出未检出未检出志贺氏菌未检出未检出未检出小肠结肠炎耶尔森氏菌未检出未检出未检出空肠弯曲杆菌未检出未检出未检出铜绿假单胞菌未检出未检出未检出金黄色葡萄球菌未检出未检出未检出阪崎肠杆菌未检出未检出未检出单核细胞增生李斯特氏菌未检出未检出未检出致病埃希氏大肠杆菌（大肠 ：）未检出未检出未检出粪肠球菌 未检出未检出轮状病毒未检出未检出未检出星状病毒未检出未检出未检出诺如病毒未检出未检出未检出贾第鞭毛虫个 隐孢子虫个 注：表示该项指标未进行检测。给水排水 图基于 序列的 门细菌系统发育树菌外，其他样品均未检出常见的病原菌和病毒。活性炭表面微生物种群解析为了进一步对活性炭表面的微生物种群结构进行详细分析，选取活 性 炭 池 表 层 活 性 炭（炭 龄 ），随机挑取该炭样的 个白色克隆建立克隆文库。以 和 为引物，少量菌体为模板，扩增克隆质粒上的插入片断。经过验证，确定 个为阳性克隆。用 和 对阳性 产物进行酶切分析，将克隆文库中的序列分成 种类型。选取每种 型的代表克隆进行测序。获得序列后，剔除相同序列，共得到 种基因型的序列，将样品克隆的基因型的序列输入 网站，利用 程序确定其系统发育类群。试验结果表明，在活性炭中提取的许多细菌中 序列与数据库中已经存在序列的相似性比较低，很多相似性在 以下，而且绝大多数序列来源于未培养的微生物，说明活性炭中微生物是一个比较特殊的微生物类群，是认识和发现新型细菌的良好材料。与文库中相似性较高的序列大多来自于土壤、活性污泥、城市供水系统及工业冷却水等相关环境。为了进一步了解这些细菌的系统发育地位，除了数据库中同源性最高的序列之外，本研究还下载了几种同源性较高的已知菌种的序列，与所得序列分别构建了 和其他类群细菌的系统发育树（见图和图）。文库中只有 少 数 克 隆可给水排水 图基于 序列的其他门细菌系统发育树与已获得纯培养的菌种有着直接的亲缘关系，如 与 （生丝微菌）在系统发育树上聚为一类，生丝微菌尺寸为 ，不形成芽孢，革兰氏染色不明，在固体培养基上生长缓慢，可形成微小菌落。生丝微菌是一类以甲醇作为唯一碳源和能源的通过出芽过程繁殖的柄细菌，具有独特的形态学特征。可好氧生长或利用硝酸盐作厌氧生长，在水处理系统内有较强的亚硝化性能。该细菌生活在土壤、淡水、半咸水和海水中。与 （丛 毛 单 胞菌）亲 缘 关 系 很 近，与 亲缘关系较近。该细菌分离于水处理系统。丛毛单胞菌为革兰氏阴性菌、短杆状，菌落为黄色，边缘规则，表面光滑，无褶皱，好氧，化能异养。最适生长温度为 ，最适生长 为。丛毛单胞菌属中的睾丸酮丛毛单胞菌（）在自然界中分布广泛，为条件致病菌，可引起呼吸道等部位的感染。与 （红 环 菌）亲 缘 关 系 较近，该细菌分离于工业冷却水系统，红环菌为脱氮菌，细胞直或弯曲的细杆形，宽，靠极生鞭毛运动或不运动，行二分分裂，革兰氏染色阴性。容易利用不同的有机底物作碳源和电子供体进行厌氧光照生长，也可在黑暗微好氧到好氧条件下生长。不能利用还原性硫化合物作电子供体。胶状红环菌 为 肥 料 中 免 受 安 全 鉴 定 的菌种。与 （醋杆菌）亲缘关系较近。醋杆菌细胞椭圆到杆状、直或弯，单个、成对或成链。革兰氏染色阴性，不生芽孢。严格好氧，氧化代谢。最适生长温度 ，最适生长 。菌落灰色，多数无 色素，少 数 菌株产 水溶性 色 素 或 由 于卟啉而使 菌 落 呈粉红色。本属细菌最显著的特征是能将乙醇氧化成醋酸，其生长的最佳碳源是乙酸和乳酸，是制醋工业的菌种。醋酸杆菌多分布于植物的花、果实以及葡萄酒、啤酒、苹果汁和果园土中。有的种可引起菠萝的粉红病和苹果、梨的腐烂 病。该 菌 是 制 造 醋 酸、葡 糖 酸、山 梨 糖等发酵 工 业 的 重 要 细 菌，其 代 表 种 为 醋 化 醋 酸杆菌。与 （离中不粘柄菌）亲缘关系较近，离中不粘柄菌属柄杆菌科。与 亲缘关系很近，该细菌分离于土壤。给水排水 结论活性炭表面生长有大量的异养菌，其数值范围在 之间，同时也生长有一定数量的总大肠菌群。活性炭池进出水及炭样中没有检出常见的致病菌、病毒和“两虫”，但在活性炭表面检出粪肠球菌，活性炭存在一定的致病风险。利用 克隆文库技术对活性炭表面进行的微生物种群分析表明活性炭上存在 （生 丝 微 菌）、和 （丛毛单胞菌）、（红环菌）、（醋杆菌）、（离中不粘柄菌）和 ，丛毛单胞菌属中的睾丸酮丛毛单胞菌（）为条件致病菌，一定条件理可引起呼吸道等部位的感染。活性炭表面生长的微生物增加了饮用水的健康风险，必须采用高效的后续消毒手段以确保饮用水供水安全。参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（），（）：支兴华，白晓慧，孟明群不同消毒方式对饮用水生物活性炭出水消毒效果的对比研究环境科学，（）：戴吉胜，陈贻球，刘文君，等异养菌总数 检 测 方 法研究给水排水，（）：柳江华，管运涛，赵婉婉，等管材对给水管附生生物膜微生物分布的影响西北农林科技大学学报（自然科学版），（）：顾孔珍，钱纯，罗岳平用 培养基提高饮用水中细菌总数检出率净水技术，（）：鲁巍，王云，张晓健 反应器中生物膜的分离及定量中国给水排水，（）：郝春博 嗜酸菌研究进展 微生物学杂志，（）：，（：），（）：收稿日期：修回日期：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏 新环 境 保 护 法 修 订 通 过 年来首次大修的中国 环境保护法，将于 年月日施行。新环保法首要的是推动建立基于环境承载能力的绿色发展模式，要求建立资源环境承载能力监测预警机制，实行环保目标责任制和考核评价制度等。此外，推动公共参与、松绑环境公益诉讼，也是新环保法亮点之一。环境是人人共享、风险共担的公共产品。新环保法新增专章规定信息公开和公众参与，并扩大了此前草案中屡受质疑的环境公益诉讼提起主体范围。新修订的环保法在个重要领域内都有所突破。第一个突破是推动建立基于环境承载能力的绿色发展模式。新环保法要求建立资源环境承载能力监测预警机制，实行环保目标责任制和考核评价制度，制定经济政策应充分考虑对环境的影响，对未完成环境质量目标的地区实行环评限批，分阶段、有步骤地改善环境质量等。这些规定将成为推行绿色国民经济核算，建立基于环境承载能力的发展模式，促进中国经济绿色转型的重要依据。第二个突破是推动多元共治的现代环境治理体系。新环保法在推进环境治理现代化方面迈出了新步伐。它改变了以往主要依靠政府和部门单打独斗的传统方式，体现了多元共治、社会参与的现代环境治理理念。其中，各级政府对环境质量负责，企业承担主体责任，公民进行违法举报，社会组织依法参与，新闻媒体进行舆论监督。第三个突破是新环保法加重了行政监管部门的责任。环保监管职权是一把“双刃剑”。新环保法一方面授予对各级政府、环保部门许多新的监管权力，环境监察机构可以进行现场检查，授权环保部门对造成环境严重污染的设施设备可以查封扣押，对超标超总量的排污单位可以责令限产、停产整治。针对违法成本低的问题，设计了罚款的按日连续计罚规则；针对未批先建又拒不改正、通过暗管排污逃避监管等违法企业责任人，引入治安拘留处罚；构成犯罪的，依法追究刑事责任。另一方面，它也规定了对环保部门自身的严厉行政问责措施。