生物膜慢滤-消毒对二级出水中条件致病菌的去除效能_孙丽华.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1241-09生物膜慢滤 消毒对二级出水中条件致病菌的去除效能*孙丽华1，郗梓瑄2，刘烨辉3，张钼晞2(1 北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，北京 100044;2 北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044;3 北京市交通委员会门头沟公路分局，北京 102300)摘要:再生水回用是解决水资源危机的重要途径。但是城市污水厂二级出水中仍含有大量条件致病菌，潜在威胁着人类的身体健康。本文以生物膜慢滤 消毒作为深度处理工艺，探究该工艺对条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)与大肠杆菌的去除效能及机制。结果表明:相同滤速下，生物膜慢滤较慢滤对条件致病菌的去除效果好;滤速越小对条件致病菌的去除效果越好，最佳滤速为 5 cm/h，此时生物膜慢滤对二级出水中军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的去除率分别为 92.9%、94.0%、65.7%;慢滤与生物膜慢滤对颗粒黏附态条件致病菌的去除效果优于自由悬浮态条件致病菌，对颗粒黏附态条件致病菌的去除率均在 90%以上。在最佳滤速下，对生物膜慢滤出水用次氯酸钠(NaClO)和紫外(UV)进行消毒，根据投加消毒剂后水中的条件致病菌含量，确定NaClO 最佳投加质量浓度为 8.0 mg/L(以有效氯质量浓度计)，UV 的最佳辐射强度为 40 mJ/cm2;紫外消毒较次氯酸钠消毒对慢滤出水中条件致病菌的去除效果更佳。在生物膜中存在假单胞菌属、嗜酸菌属、鞘氨醇单胞菌属与乳酸菌属，这些菌属均对条件致病菌的生长起到一定的抑制作用。NaClO 消毒主要通过水解生成的次氯酸完成对慢滤出水中条件致病菌的灭活，而 UV 消毒主要通过光化学反应氧化以完成对条件致病菌的灭活。综上，生物膜慢滤 消毒工艺可有效去除二级出水中的条件致病菌，保证再生水回用的微生物安全性。关键词:环境工程学;深度处理;再生水;条件致病菌;生物膜慢滤;次氯酸钠;紫外中图分类号:X703文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0212*收稿日期:2022 02 15作者简介:孙丽华，教授，博士，从事再生水处理及膜法水处理等研究，。基金项目:国家自然科学基金(52070011)0引言城市污水处理厂二级出水再生回用是解决水资源危机的重要途径，而水质安全是再生水回用的首要目标。2011 年发布的Guidelines for drinking-water quality 中提出与水有关的健康问题大多数是由细菌、病毒和原生动物等病原微生物引起的1，病原微生物是再生水利用过程中导致人体健康风险的主要因素。条件致病菌是一类特殊的病原微生物，主要包括军团菌、铜绿假单胞菌等。条件致病菌是水传播疾病暴发的重要病原之一，可以导致庞蒂亚克热、退伍军人病、肺炎、外耳炎、囊性纤维化等一系列疾病。2017 年，李欢等2 首次报道了社区获得性军团病案例，并验证了其与水传播有密切联系。但是城市污水处理厂二级出水中仍含有大量条件致病菌，对人身体健康存在着潜在威胁。因此需要控制二级出水中条件致病菌浓度以保证再生水回用的微生物安全性。近年来，慢滤在污水深度处理领域得到了广泛关注。2019 年，Vu 等3 提到慢滤是一种非常有效的水处理技术，能有效地去除水中的微生物，细菌总数去除率高达 93%，并且运行成本远远低于膜生物反应器(Membrane Bio-eactor，MB)。2006 年，Dorea 等4 利用化学强化过滤技术作为预处理建立了慢滤处理模型。慢滤是介质过滤中的一种，具有性能优异、成本低廉、运行简便等优势，对水中的病原微生物具有较好的去除效果。1987 年，Ellis5 最早验证了慢滤作为一种三级处理方法的可行性，并在实验室规模下研究了直径 14 cm、高 265 cm 的慢滤柱在滤速为 0.15 m/h 时对二级出水的处理效果，发现慢滤可有效地去除二级出水中的大肠杆菌。但是，慢滤是否可以有效控制条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)，如何通过微生物种群结构提升慢滤对条件致病菌的去除效能，国内外尚缺乏系统研究。消毒是深度处理的末端环节，也是慢滤处理工艺消灭污染物质的最后屏障。消毒可以有效灭活水样中的条件致病菌。2021 年，张天阳等6 研究发现，先紫外后氯化消毒对几种潜在致病菌属的灭活效果最为均衡，对粪大肠菌群具有更好的灭活效果，灭活率可达到 100%;且对，在微生物灭活方面具有显著优势。2015 年，Leoni 等7 建立关于评估饮水安全计划(WSP)控制军团菌再生长有效性的模型，用 50 80 mg/L 的二氧化氯处理医院水系统中的军团菌，发现其可被完全去除。除单一消毒剂外，国内外还采用消毒剂联用的方式来控制条件致病菌。2018 年，赵社行等8 为解决条件致病菌难以被氯进行有效灭活问题，采用 UV/H2O2 活性炭过滤 氯消毒工艺对北方某水厂砂滤池出水进行处理，发现1421第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023该工艺可以很好地降低水样中条件致病菌(嗜肺军团菌、鸟分枝杆菌、铜绿假单胞菌)的含量，并抑制条件致病菌生长。但是，目前生物膜慢滤 消毒是否可以有效控制二级出水中条件致病菌的浓度，国内外鲜见报道。本文采用生物膜慢滤 消毒工艺处理二级出水，探究该工艺对条件致病菌的去除效能，并对其去除机制进行分析，以期保证再生水回用的微生物安全性。1试验材料与方法1.1试验材料试验采用模拟二级出水，将实际生活污水依次过 1 mm、70 m、40 m 筛进行过滤，筛去生活污水中的颗粒较大的杂质，之后用自来水(经 48 h 曝晒除氯)对其进行稀释，稀释倍数为 10 倍，以模拟二级出水水质情况，见表 1。1.2试验装置与方法慢滤试验装置见图 1。慢滤滤柱总高度为 65cm，半径为 40 mm，砾石有效填充高度为 5 cm，粗砂有效填充高度为45 cm。由蠕动泵控制从滤柱顶部进水，滤柱底部装有出水阀门，用以控制出水流速。试验过程中，生物膜慢滤采用人工接种方式挂膜。首先在柱2 中投加一定量的活性污泥，然后再通入合成污水进行驯化，整个培养过程中的滤速为10 cm/h。对柱2 进出水的CODcr 质量浓度 9 每2 d 检测1 次，当污染物的去除率稳定时即认为生物膜已经成熟。试验将慢滤出水分别用 NaClO 和 UV 消毒处理。NaClO 消 毒 反 应 接 触 时 间 为 30 min，调 整NaClO 溶液的用量(以有效氯质量浓度计)以此确定消毒剂的最佳投加量。UV 消毒过程中，将紫外强度固定在50 W/cm2，通过控制照射时间来控制紫外剂量。表 1 试验用水水质情况Table 1Experimental water quality水质指标水质情况(均值)水质指标水质情况(均值)pH7.8(NH+4N)/(mgL1)9.4温度/24.2(NO3N)/(mgL1)6.8DOC 质量浓度/(mgL1)11.4TP 质量浓度/(mgL1)1.7CODCr/(mgL1)20.0注:DOC 为溶解有机碳，CODCr为化学需氧量(以重铬酸钾计)，TP 为总磷。1.3检测仪器与分析方法1.3.1条件致病菌浓度检测试验过程中，取待测水样 1 L，采用真空抽滤装置将水样中的菌种富集到 0.22 m 的膜片上，使用DNA 快速抽提试剂盒对膜片上的 DNA 进行提取，通过 微 量 分 光 光 度 计(SMA4000，美 国 MerintonInstrument 公司)对所得 DNA 进行浓度和纯度的测定。采用荧光定量 PC 仪(LightCycler480，瑞士otkreuz 公司)对二级出水中条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)的浓度进行检测。图 1慢滤试验装置示意图Fig1Schematic diagram of slow filter experimental set-up1.3.2自由基检测OH 可与苯甲酸反应生成稳定产物对羟基苯甲酸。采用高效液相色谱仪(U3000，Thermo Fisher，美国)对对羟基苯甲酸含量进行检测，进而推算OH 的含 量。试 验 中 流 动 相 是 乙 腈(ACN，99.9%，Macklin 公司)和水(V(ACN)/V(H2O)=65 35)，其中水相含质量分数为 1%三氟乙酸试剂(TFA，99.5%，Macklin 公司)。流动相流速为 1mL/min，检测波长为 255 nm，仪器检出限为 0.1mol/L。1.3.3微生物种群结构分析试验将培养成熟和通入实际污水后的慢滤生物膜于离心管中，放置在 4 冰箱保存。对样品进行DNA 提取，并进行电泳胶图、紫外分析仪定量分析，以确保样品的可操作性。对样品 16S rDNA 基因中V3 V4 靶定区域进行扩增，采用高通量测序平台(Illumina HiseqV4 PE250，美国 Illumina 公司)对生物膜种群结构进行分析。2结果与讨论2.1生物膜慢滤对条件致病菌的去除2.1.1最佳滤速的确定为探究在不同滤速下，慢滤和生物膜慢滤对军团菌、铜绿假单胞菌、大肠菌群的去除效果，控制滤2421Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期速分别在 5 cm/h、10 cm/h、20 cm/h 时，检测不同慢滤柱进出水中军团菌、铜绿假单胞菌、大肠菌群的浓度变化，并计算其去除率，从而确定最佳滤速，试验结果见图 2。图 2不同滤速条件下慢滤出水中不同类型条件致病菌的含量Fig 2Contents of different types of opportunisticpathogens in slow filtration water underdifferent filtration rates由图 2 可知，二级出水中军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的拷贝数分别为(112 300 5 615)copies/mL、(367 18)copies/mL 和(186 10)copies/mL。经不同慢滤柱过滤后，水中不同条件致病菌含量均有不同程度的降低。其中，在相同滤速条件下，慢滤对于不同类型条件致病菌的去除效果较生物膜慢滤差。这是因为军团菌的大小约为0.3 0.4 m 2 3 m，铜绿假单胞菌的大小约1.5 5.0 m 0.5 1 m，条件致病菌的尺寸远小于滤料之间的空隙，因此对条件致病菌的截留效果较差;而生物膜慢滤的表面含有大量的细菌、噬菌体、轮虫和原生动物，可分泌多糖和蛋白质混合物，捕捉条件致病菌，并且在生物膜表面还可分泌一种能起凝聚作用的酶，压缩双电层，使条件致病菌吸附于滤料上，成为生物膜中微生物的捕食对象，进而被去除，故而生物膜慢滤对条件致病菌的控制效果更好10 11。在相同滤速条件下，生物膜慢滤对条件致病菌的控制效果更佳。这可能是慢滤生物膜的微生物种群结构不同所致。微生物之间存在拮抗作用，如枯草芽孢杆菌可以产生蛋白酶或其他抗菌化合物，进而裂解嗜肺军团菌，减少其数量12。生物膜中含有的对条件致病菌产生拮抗作用的微生物种类及数量不同，使得对条件致病菌的去除效果不同。在相同慢滤柱不同滤速的情况下，滤速越小对条件致病菌的去除效果越好，最佳滤速为 5 cm/h。其中，当滤速为 5 cm/h、10 cm/h、20 cm/h 时，生物膜滤柱对于军团菌的去除率分别为92.9%、88.6%、76.5%，对铜绿假单胞菌的去除率分别为 94.0%、93.6%、93.3%。这是由于滤速越小，水力停留时间越久，水流对于生物膜及滤料的冲击越小，使得条件致病菌更易被吸附在滤料及生物膜上，进而被去除。根据图 2(c)可知，大肠杆菌去除情况一定程度上可以反映出军团菌和铜绿假单胞菌的去除情况，存在一定的指示作用。Culotti 等13 研究发现铜绿假单胞菌的存在与大肠杆菌有一定关联，铜绿假单胞菌可刺激大肠杆菌内 tnaA 吲哚的生成，进而促进大肠杆菌繁殖。在最佳滤速下，慢滤出水和生物膜慢滤出水中DOC 质量浓度分别为 7.8 mg/L 和 4.8 mg/L，军团菌和铜绿假单胞菌生长所需要的生物可同化有机碳较低14 15。由于军团菌的生长对有机物含量比较挑剔，只能利用某些氨基酸作为生长物质16，因此条件致病菌的去除与 DOC 无显著相关性17。在 5cm/h 的滤速下，慢滤出水和生物膜慢滤出水浊度分别为 1.9 NTU 和 0.5 NTU。悬浮颗粒物可为条件致病菌提供保护场所，在颗粒物表面上会附着一定数量的条件致病菌18，因此随着浊度的减小，条件致病菌浓度也会减少，去除水中的浊度可以在一定程度上控制条件致病菌的浓度，并且浊度作为一个常规性指标，有利于人们初步判定水中条件致病菌污染情况。34212023 年 4 月孙丽华，等:生物膜慢滤 消毒对二级出水中条件致病菌的去除效能Apr，20232.1.2对不同存在形态条件致病菌的去除研究表明，水样中条件致病菌的存在形态可分为颗粒黏附态和自由悬浮态19。试验过程中，在最佳滤速 5 cm/h 条件下，对二级出水、慢滤和生物膜慢滤出水中的条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)和大肠杆菌存在形态进行检测，结果见图 3。图 3不同慢滤出水中颗粒黏附态和自由悬浮态条件致病菌分布情况Fig 3Distribution of particle-attached opportunisticpathogens and free-living opportunistic pathogens indifferent slow filtration water由图 3 结果可知:二级出水中含有颗粒黏附态和自由悬浮态军团菌拷贝数分别为(68 503 3425)copies/mL 和(43 797 2 190)copies/mL，铜绿假单胞菌拷贝数度分别为(252 13)copies/mL 和(114 13)copies/mL。二级出水中颗粒黏附态条件致病菌浓度要多于自由悬浮态。另外，不同慢滤柱对于颗粒黏附态和自由悬浮态条件致病菌均有一定的去除效果，并且相较于自由悬浮态条件致病菌，慢滤对于颗粒黏附态条件致病菌的去除效果更佳。其中，慢滤对于颗粒黏附态、自由悬浮态铜绿假单胞菌的去除率分别为 92.2%和 87.5%，生物膜慢滤对于颗粒黏附态、自由悬浮态铜绿假单胞菌的去除率分别为 94.7%和 92.4%。颗粒黏附态条件致病菌去除效果更好的原因可能是由于颗粒黏附态条件致病菌黏附在颗粒物表面，其尺寸大于条件致病菌本身20，更加有利于慢滤截留。2.2消毒对慢滤出水中条件致病菌的去除效能2.2.1消毒剂最佳投加量的确定消毒剂的投加质量浓度可以直接影响到条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)的灭活效果，试验过程中将慢滤出水分别采用不同剂量 NaClO(2 mg/L、4 mg/L、8 mg/L、16 mg/L，以有效氯计)和辐射强度UV(10 mJ/cm2、20 mJ/cm2、40 mJ/cm2、60 mJ/cm2)进行消毒，消毒前后水中条件致病菌和大肠杆菌含量检测结果见图 4。图 4消毒剂投加量对条件致病菌去除的影响Fig 4Influence of disinfectant dosage on removal ofopportunistic pathogens由图 4(a)可以看出，经 NaClO 消毒后，慢滤出水中的条件致病菌拷贝数有所降低，并且随着4421Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期NaClO 投加质量浓度(以有效氯质量浓度计)增加，条件致病菌浓度呈逐渐减少的趋势。当有效氯质量浓度为 8.0 mg/L 时，水样中的军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌拷贝数分别为(2 680 134)copies/mL、(9 1)copies/mL、(7 1)copies/mL，去除率分别为 73.0%、57.8%、88.3%;当有效氯质量浓度增至16 mg/L 时，条件致病菌浓度有所降低，但变化不大。因此，试验过程中，NaClO 的最佳投加量为 8.0mg/L(以有效氯质量浓度计)。这是因为 NaClO 加入到水中后会生成 HClO，低浓度 HClO 无法到达细胞质并导致 DNA 受损，而高浓度 HClO 可以穿透细胞壁进入细胞内部，与核酸和酶等发生氧化反应，可较高程度地破坏 DNA21。由图 4(b)可知，条件致病菌浓度随着 UV 辐射强度的增加而减少。当 UV 辐射强度为 40 mJ/cm2时，水样中的军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌拷贝数分别为(1 620 81)copies/mL、(7 1)copies/mL、(12 1)copies/mL，去除率分别为68.7%、68.6%、80.8%;而当 UV 辐射强度增至 60 mJ/cm2时，水样中条件致病菌浓度下降并不明显。这是可能是因为水中部分条件致病菌黏附在颗粒物表面，而颗粒对条件致病菌有保护作用，使得 UV 不能或者只有小部分辐射可达到条件致病菌表面，因而增大 UV 辐射强度，灭活效率增加不大。因此，试验过程中 UV的最佳辐射强度为 40 mJ/cm2。2.2.2消毒剂对不同存在形态条件致病菌的去除水样中条件致病菌的存在形态分为颗粒黏附态和自由悬浮态，为了进一步探究消毒剂对慢滤出水中不同存在形态条件致病菌去除的影响，将慢滤出水经 NaClO、UV 最佳处理(NaClO 有效氯质量浓度为 8.0 mg/L、UV 辐射强度为 40 mJ/cm2)后，检测水样中不同形态条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)和大肠杆菌的丰度，结果见图 5。由图5 可知，NaClO 和 UV 两种消毒方式对不同存在形态的条件致病菌都有一定的控制作用;但是相较于自由悬浮态，NaClO 和 UV 对颗粒黏附态的条件致病菌去除量更多。其中，生物膜慢滤出水中颗粒黏附态、自由悬浮态军团菌拷贝数分别为(5 670 170)copies/mL 和(4 270 128)copies/mL;NaClO 对生物膜慢滤出水中颗粒黏附态、自由悬浮态军团菌的去除量为(4 774 239)copies/mL 和(3 192 160)copies/mL，去除率分别为 84.3%和74.7%;UV 对生物膜慢滤出水中颗粒黏附态、自由悬浮态军团菌的去除量为(4 486 224)copies/mL图 5消毒剂对生物膜慢滤出水中不同形态条件致病菌去除情况Fig 5emoval of opportunistic pathogens indifferent forms of biofilm slowfiltration water by disinfectant和(3 833 192)copies/mL，去除率分别为 79.1%和 89.7%。不同消毒方式对颗粒黏附态军团菌的去除量比自由悬浮态的去除量多可能是由于生物膜慢滤出水中颗粒黏附态条件致病菌的数量要多于自由悬浮态所致，颗粒黏附态条件致病菌的基数大，进而使得消毒剂对其的去除量更多。在 NaClO 和 UV 最佳处理条件下，生物膜慢滤出水经 NaClO、UV 消毒后，水中军团菌的拷贝数分别为(1 621 81)copies/mL 和(1 973 99)copies/mL，铜绿假单胞菌的含量分别为(7 1)copies/mL 和(9 1)copies/mL，大肠杆菌的拷贝数分别为(12 1)copies/mL 和(7 1)copies/mL。UV 对生物54212023 年 4 月孙丽华，等:生物膜慢滤 消毒对二级出水中条件致病菌的去除效能Apr，2023膜慢滤出水中军团菌和铜绿假单胞菌的去除效果比NaClO 的处理效果更佳，去除率分别为 46.6%和98.7%;而 NaClO 对于大肠杆菌的去除效果最佳，去除率为 61.3%。原因可能是由于军团菌和铜绿假单胞菌都具有较强的抗氯能力，研究表明22，军团菌和铜绿假单胞菌的抗氯能力分别是大肠杆菌的80 倍和 20 倍。2.3生物膜 慢滤对条件致病菌的去除机制2.3.1生物膜种群结构对去除条件致病菌的影响为深入研究生物膜慢滤对去除条件致病菌的影响，试验对生物膜在不同阶段时生物膜种群结构的门水平和属水平进行分析。试验中对生物膜进行高通量测序，采用 DP classifier 的方式对生物膜群落分类，试验针对丰度较高的菌群研究，丰度较低的合并成其他，在门水平和属水平下的群落结构分析，试验结果见图 6。图 6通二级出水后生物膜的种群结构Fig 6Population structure of aerobic heterotrophic biofilmafter secondary effluent treatment由图6(a)可知，在门水平，变形菌门(Proteobacteria)丰度最高，达到了 58.1%，变形菌门在生物膜慢滤过程中是优势菌门。Zhang 等23 研究表明，变形菌门可诱导细胞裂解释放胞内物质，进而形成胞外聚合物和多糖将条件致病菌捕捉去除。硝化螺旋菌门(Nitrospirae)丰 度 为9.8%，酸 杆 菌 门(Acidobacteria)丰度达到 1.7%。研究表明24，硝化螺旋菌门、酸杆菌门和放线菌门(Actinobacteria)更易于附着在滤料表面，使得这些条件致病菌更易被吸附在滤料及生物膜上，从而达到对军团菌、铜绿假单胞菌的控制。由图 6(b)可知，在属水平上硝化螺旋菌属(Nitrospira)丰度最高，达到了 9.8%，嗜酸菌属(Acidovorax)属于酸杆菌门，丰度为 1.6%，鞘脂单胞菌属(Sphingopyxis)丰度为 1.1%。生物膜中的嗜酸 菌 属(Acidovorax)与 鞘 氨 醇 单 胞 菌 属(Sphingomonas)的 reads 数分别为 286、117。Maria等25 研究表明，嗜酸菌属与鞘氨醇单胞菌属对嗜肺军团菌的可培养性具有拮抗作用。由于嗜肺军团菌是军团菌的一种，因此该嗜酸菌属与鞘氨醇单胞菌属的存在对军团菌的控制可以起到一定作用。生物膜慢滤中，生物膜中检测到了假单胞菌属(Pseudomonas)，占比为 0.4%。假单胞菌属包括铜绿假单胞菌、鼻疽假单胞菌、荧光假单胞菌等。Guerrieri 等26 研究表明，荧光假单胞菌可以分泌产生蛋白质类物质的细菌素，可杀死与荧光假单胞菌亲缘关系相近的敏感细菌，进而与嗜肺军团菌相互作用，产生拮抗作用。另外铜绿假单胞菌可通过产生群体感应分子 3 氧十二烷酰高丝氨酸内酯(3 oxo C12 HSL)来抑制军团菌的生长27，因此假单胞菌属可对军团菌的生长起到抑制作用。综上，变形菌门是优势菌门，形成胞外聚合物和多糖能将条件致病菌捕捉去除。硝化螺旋菌门、酸杆菌门与放线菌门可吸附条件致病菌于滤料及生物膜上，从而达到去除效果。假单胞菌属、嗜酸菌属、鞘氨醇单胞菌属与乳酸菌属均对条件致病菌的生长起到一定抑制的作用，有利于条件致病菌的去除。在生物膜中上述菌属比例较多，所以生物膜慢滤中的微生物作用相较于无生物膜慢滤对二级出水中条件致病菌控制效果更优。2.3.2消毒剂去除条件致病菌的作用机理生物膜慢滤出水中，加入 50 mg/L 苯甲酸(99.9%，Macklin 公司)后经 NaClO、UV 两种消毒方式处理，分别为8 mg/L(以有效氯质量浓度计)和40mJ/cm2。反应完全后，检测稳定产物对羟基苯甲酸的含量。由对羟基苯甲酸浓度的 5.87 倍计算出OH 浓度28，再根据对羟基苯甲酸的摩尔质量6421Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期138.12 g/mol 推算出水中OH 含量。在 NaClO 反应体系中未检测到OH，而 UV 反应体系产生了 0.0033 mmol/L 的OH。这表明NaClO 体系中不产生 OH，主要通过水解生成HClO 去除条件致病菌;而水分子在吸收 UV 后可生成一定量的OH，其氧化性仅次于氟，可迅速地去除水样中微生物29。OH 可以改变细胞通透性、氧化细胞产生的酶、破坏遗传物质，进而达到灭菌的效果。OH 可造成条件致病菌细胞通透性改变，细胞内容物外泄，渗透压失衡，细菌死亡。OH 氧化的酶有辅酶 A，辅酶 A 可被氧化生成二聚体辅酶A，促使细胞呼吸作用衰退，从而引起菌体、甚至芽孢死亡。此外OH 还可以作用于 DNA 链中的磷酸二酯键，使其断裂，从而使得 DNA 复制以及代谢调节机制遭到破坏30。UV 可以通过光化学反应及产生OH 灭活细菌。为检测 UV 体系产生的OH 去除慢滤出水中条件致病菌的贡献，在紫外辐射强度为 40 mJ/cm2时，加入过量叔丁醇(0.2 mmol/L，TBA，99.5%，Macklin 公司)抑制OH 的产生，检测抑制前后水中条件致病菌的拷贝数，结果见图 7。图 7OH 在去除慢滤出水中条件致病菌的作用Fig 7ole of OH in the removal of opportunisticpathogens in slow filtration water结果表明，仅 UV 处理慢滤出水，军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的丰度分别为(1 620 81)copies/mL、(7 1)copies/mL、(12 1)copies/mL。在 UV 体系中加入 0.2 mmol/L TBA 后，军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的丰度分别为(4 308 215)copies/mL、(11 1)copies/mL、(16 1)copies/mL。单独 UV 与“UV+0.2 mmol/L TBA”条件致病菌丰度有一定的变化，但变化不大，表明OH 对条件致病菌的灭活有一定的作用;但OH 浓度较小，OH自由基的氧化作用较小。UV 消毒主要通过光化学反应破坏条件致病菌核酸，抑制 DNA 复制31，去除水中的条件致病菌。3结论1)相同滤速下，生物膜慢滤对条件致病菌的去除效果优于慢滤。滤速越慢对条件致病菌的去除效果越好，最佳滤速为 5 cm/h，此时生物膜慢滤对二级出水中军团菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的去除率分别为 92.9%、94.0%和 65.7%，并且颗粒黏附态条件致病菌的去除效果优于自由悬浮态条件致病菌。2)NaClO 和 UV 消毒的最佳条件分别为 8.0mg/L(以有效氯质量浓度计)和 40 mJ/cm2。在最佳条件下，UV 较 NaClO 消毒对慢滤出水中的军团菌和铜绿假单胞菌的去除量更高;NaClO、UV 消毒处理慢滤出水中颗粒黏附态条件致病菌的去除量多于自由悬浮态条件致病菌的去除量。3)生物膜慢滤中，变形菌门是优势菌门，其与硝化螺旋菌门、酸杆菌门和放线菌门共同作用，更容易捕捉吸附条件致病菌。另外，在生物膜种群属水平上发现对条件致病菌的生长起到一定抑制作用的细菌，包括假单胞菌属、嗜酸菌属、鞘氨醇单胞菌属与乳酸菌属，且在生物膜中上述菌种比例较多，有利于条件致病菌去除。4)试验中，NaClO 消毒主要通过水解生成的HClO 完成对水中条件致病菌的去除。UV 消毒主要通过光化学反应完成对水中条件致病菌的灭活，OH 自由基的氧化作用较小。参考文献(eferences):1EDITION F Guidelines for drinking-water qualityJ WHO Chronicle，2011，38(4):104 108.2 李欢，赵建夫，王虹 饮用水输配系统中条件致病菌的健康风险和生长因素 J 中国给水排水，2017，33(10):41 45.LI H，ZHAO J F，WANG H Opportunistic pathogens indrinking water distribution systems:health risks andgrowth factors J China Water Wastewater，2017，33(10):41 45.3 VU D C，HIOAKI F，HIOYUKI Kemoval ofpepper mild mottle virus by full-scale microfiltration andslow sand filtration plants J npj Clean Water，2019，2(1):688 694.4 DOEA C C，CLAKE B A Chemically enhanced gravelpre-filtration for slow sand filters:advantages and pitfalls J Water Supply，2006，6(1):121 128.74212023 年 4 月孙丽华，等:生物膜慢滤 消毒对二级出水中条件致病菌的去除效能Apr，2023 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