隨著我國經濟快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化速度的加快, 城市污水處理廠的數量逐漸增加, 截至2016年年底, 我國已建成城市污水處理廠3 500座.污水中含有大量的細菌、真菌、致病菌、病毒和過敏原等, 污水處理過程中, 由于機械運轉、充氧等擾動水面, 使水中的微生物逸散到空氣中, 形成微生物氣溶膠.污水預處理、曝氣生化處理及污泥處理是污水處理廠微生物氣溶膠的主要逸散過程, Fathi等在生化池附近檢測到大量的細菌氣溶膠(741~2 817 CFU ·m-3), Li等在污泥濃縮池檢測到的細菌氣溶膠濃度最高(1 697 CFU ·m-3).污水處理廠微生物氣溶膠的逸散受多種環(huán)境因素的影響, 如光照、溫度、相對濕度、風速等.污水處理過程逸散的微生物氣溶膠通常包含多種微生物且粒徑較小, 極易通過吸入或皮膚接觸進入到人體, 對人體健康造成危害[8].隨著空氣的流動擴散到周邊, 導致區(qū)域性的影響.
SBR是一種典型的污水處理工藝, 廣泛用于污水處理.本研究在某座采用SBR工藝的城市污水處理廠設置采樣點, 監(jiān)測污水處理各工藝段微生物氣溶膠的逸散水平和種類, 解析污水處理廠微生物氣溶膠的主要來源, 研究溫濕度、光照、風速等環(huán)境因子對微生物氣溶膠的逸散水平的影響及相關性, 以期為有效削減和控制污水處理廠微生物氣溶膠提供科學依據.
1 材料與方法1.1 采樣點布設
本研究在長三角地區(qū)選擇某一采用SBR處理工藝的污水處理廠(HZJ), 研究污水處理廠微生物氣溶膠逸散的特征.該污水處理廠處理規(guī)模為5.5×104 m3 ·d-1, 服務區(qū)域17.15 km2.污水經過粗格柵后經水泵提升進入細格柵、曝氣沉砂池, 隨后進入生化池, 處理后的水經消毒池消毒后達標排放, 剩余污泥經帶式壓濾機脫水后外運.格柵間及污泥脫水間產生的臭味氣體經管道輸送至生物除臭反應器進行處理.采樣時的環(huán)境條件列于表 1.
表 1 采樣環(huán)境條件
采樣點包括粗格柵(Z2)、細格柵(Z3)、曝氣沉砂池(Z4)、生化處理池(Z5)、貯泥池(Z8)和污泥脫水間(Z9)以及上、下風向廠界(Z1、Z10)(圖 1).所有采樣點設置在距離地面1.5 m處, 在生化池水面(Z6)及距離水面3 m(Z7)處也設置采樣點.生物除臭反應器的采樣點(Z11)設置在排氣口.
圖 1
1.2 分析方法
利用總懸浮顆粒物(TSP)采樣器(TH-150, 武漢天虹, 中國)采集空氣中的微生物氣溶膠.濾膜材料為玻璃纖維, 可捕獲粒徑在0.1~6 μm范圍的粒子.氣體流速為100 L ·min-1, 采樣時間4 h.采樣后將濾膜取出, 放入樣品箱保存.將濾膜剪碎, 加入40 mL無菌水4℃振蕩2 h.取200 μL振蕩懸浮液涂布于LB培養(yǎng)基(奧博星, 中國), 30℃培養(yǎng)48 h.根據采樣體積和平板計數的結果, 利用式(1)計算空氣中微生物氣溶膠的濃度.
式中, c為空氣中微生物氣溶膠濃度(CFU ·m-3), N為細菌菌落數(CFU), V為采樣體積(m3).
使用Power Soil DNA Isolation Kit試劑盒(MOBIO, USA)提取細菌DNA, 并用1%瓊脂糖凝膠電泳(電壓120 V, 時間15 min)檢測DNA提取質量.利用引物338F和806R對細菌16S rRNA的V3~V4可變區(qū)進行PCR擴增, PCR產物經過純化、Tris-HCl洗脫和2%瓊脂糖電泳檢測后, 利用Illumina MiSeq平臺(Illumina, San Diego, USA)將純化后的擴增片段構建PE 2×300的文庫, 完成高通量測序(Illumina, MiSeq PE300平臺, USA).原始測序序列去雜后, 利用QIME軟件計算細菌群落豐度.采樣時的溫濕度、光照及風速分別采用手持式智能溫濕度記錄儀(179-TH, USA)、光照度計(DeltaOHM HD2302, Italy)和風速儀(DeltaOHM HD2303.0, Italy)進行監(jiān)測.利用SPSS 21.0軟件對微生物氣溶膠的逸散與環(huán)境因素之間的相關性進行分析.
2 結果與討論2.1 微生物氣溶膠逸散特征2.1.1 微生物氣溶膠逸散水平
污水處理各個工藝段均有細菌氣溶膠逸散, 濃度范圍為82~1 525 CFU ·m-3(圖 2).其中粗格柵(102~970 CFU ·m-3)、生化池(339~747 CFU ·m-3)以及污泥脫水間(605~1 525 CFU ·m-3)逸散得最多, 是該污水處理廠細菌氣溶膠的主要逸散源.在粗格柵工藝段設有格柵機, 利用金屬柵條攔截進水中較大的懸浮物及雜質.生化池采用微孔曝氣, 滿足好氧微生物所需要的氧量以及混合污水與活性污泥.由于格柵機的轉動和生化池充氧曝氣, 擾動水面形成大量的水滴或飛沫.水體中的微生物隨水滴或飛沫從水體表層進入空氣中, 形成微生物氣溶膠.該污水處理廠采用帶式壓濾機將污泥含水率減至80%以下, 在脫水過程中污泥中的微生物很容易逸散到空氣中.此外, 污泥脫水設施建在室內, 空間相對密閉, 通風性較差, 易于微生物氣溶膠在污泥脫水間空氣中的積累.以往的研究也顯示粗格柵、生化池和污泥脫水間是污水處理廠細菌氣溶膠的主要來源. Szyłak-Szydłowski等在粗格柵檢測到的細菌濃度為1.1×104 CFU ·m-3, Niazi等在生化池檢測到有1973 CFU ·m-3的細菌氣溶膠逸散, 而邱雄輝等在泥脫水間檢測到細菌氣溶膠濃度最高, 達到7 866 CFU ·m-3.
圖 2
值得注意的是, 在生物除臭反應器排氣口檢測到的細菌濃度僅為177 CFU ·m-3, 遠低于格柵間和污泥脫水間的細菌氣溶膠濃度.生物反應器處理的臭味氣體收集自格柵間和污泥脫水間, 進氣中硫化物和胺類的平均體積分數分別為2.60×10-6和2.22×10-6, 細菌氣溶膠平均濃度為1 274 CFU ·m-3.氣體經過除臭生物反應器的處理, 其中臭味物質的去除率平均為90.5%, 細菌氣溶膠的減少率平均為86.1%.本研究結果顯示生物除臭反應器在處理臭味氣體的同時, 也能夠有效削減污水處理過程逸散的微生物氣溶膠.
2.1.2 微生物氣溶膠的菌群結構特征
細菌群落結構分析結果顯示, 污水處理各工藝段微生物氣溶膠中Cyanobacteria為主要菌屬, 豐度為69.55%~91.63%.除Cyanobacteria外, Chroococcidiopsis、Sphingomonas及Massilia也是粗格柵微生物氣溶膠中豐度較高的菌屬.曝氣沉砂池檢測到的其它菌屬還包括Arcobacter、Aeromonas、Peptostreptococcaceae和Acinetobacter. Moraxellaceae和Chroococcidiopsis也是在生化池占比較高的菌屬, 豐度分別為3.68%和2.98%.污泥脫水間還檢測到Ferribacterium和Haliangium.這些豐度較高的細菌中, 如Aeromonas、Arcobacter、Moraxellaceae、Acinetobacter及Sphingomonas等是潛在致病菌, 通過吸入、吞咽以及皮膚接觸等途徑進入人體, 會引起人體呼吸道、腸道及皮膚疾病.在污水處理廠的下風向也有極少量的致病菌檢出(表 2).
表 2 污水處理各工藝段細菌氣溶膠種類/%
2.2 微生物氣溶膠的擴散
在生化池水面不同高度處設置采樣點, 研究細菌氣溶膠在生化池垂直方向的擴散.隨著高度的增加, 細菌氣溶膠的濃度和豐度均逐漸降低(圖 2和表 2), 生化池水面3 m處細菌濃度分別占生化池水面細菌濃度的24.2%(春季)和49.7%(夏季).主要微生物Chroococcidiopsis和Moraxellaceae在生化池水面到3 m處的垂直空間內, 豐度分別從3.68%、2.97%降至0.39%、0.84%(表 2).污水處理各工藝段逸散的微生物氣溶膠會隨風水平擴散到下風向, 低于10.0%的污水處理產生的細菌氣溶膠擴散到污水廠外.具體聯系污水寶或參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
2.3 微生物氣溶膠的逸散與環(huán)境因子之間的關系
污水處理各工藝段夏季逸散的細菌氣溶膠濃度明顯高于春季(圖 2).發(fā)現某污水處理廠細菌氣溶膠的濃度也呈現季節(jié)變化的特點, 與其他季節(jié)相比, 夏季檢測到的細菌氣溶膠濃度最高.環(huán)境因子如溫度、相對濕度、大氣壓強、光照強度、風速等會影響微生物氣溶膠的活性和在空氣中的濃度水平, 不同季節(jié)上述環(huán)境因子差別明顯.細菌氣溶膠的濃度水平與環(huán)境因素之間的關系列于表 3.結果顯示, 細菌氣溶膠的濃度與溫度(P < 0.01)及相對濕度(P < 0.01)呈正相關, 與風速(P < 0.05)呈負相關.在較高的溫濕度和較低的風速時, 空氣中細菌氣溶膠濃度較高.溫度和相對濕度是影響微生物氣溶膠在空氣中存活的兩個重要因素.在本研究中, 春季和夏季的平均溫度分別為28.3℃和35.6℃, 平均相對濕度分別為25.3%和58.3%.較高的溫度和相對濕度有利于細菌在空氣中的存活和增殖.空氣中的顆粒物會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域發(fā)生轉移, 即發(fā)生自然擴散, 擴散的速率與物質的濃度梯度成正比.因此, 細菌氣溶膠會從濃度較高的區(qū)域(污水處理工藝段)自然擴散到濃度較低的區(qū)域(下風向廠界), 風會加速細菌氣溶膠的擴散].夏季采樣時的平均風速(0.19 m ·s-1)低于春季(0.31 m ·s-1).較高的溫濕度和較低的風速, 使夏季各個處理工藝段逸散的細菌氣溶膠濃度高于春季.另外, 春夏兩個季節(jié)下風向廠界細菌氣溶膠的濃度均高于上風向廠界(圖 2).細菌群落結構結果分析顯示, 污水處理工藝段產生的Sphingomonas、Haliangium及Ferribacterium等細菌, 在下風向廠界空氣中被檢出; 但是, 在上風向廠界空氣中并未檢出這些細菌, 說明污水處理產生的這些微生物能夠隨風擴散到下風向廠界.
表 3 細菌氣溶膠濃度與環(huán)境因素之間的皮爾森相關性1)
2.4 風險評價
污水處理各工藝段逸散的細菌主要通過呼吸系統(tǒng)進入人體, 其中部分細菌為潛在致病菌.評價人體對細菌氣溶膠的暴露風險, 有助于相關部門明確污水廠污染物控制的優(yōu)先次序、加強風險管理、保障人民群眾健康.本研究中各處理工藝段逸散的生物氣溶膠中的細菌大多數屬于非致癌細菌.人體經呼吸對細菌氣溶膠的暴露風險可以利用式(2)和式(3)計算, 這種計算方法可以根據人體對污染物的不同接觸方式, 明確暴露與健康效應之間的定量關系.
式中, EC為細菌氣溶膠的暴露濃度(CFU ·m-3), c為細菌氣溶膠逸散濃度(CFU ·m-3), ET為呼吸暴露的時間(8 h ·d-1), EF為呼吸暴露頻率(250 d ·a-1), ED為暴露年限(25 a), AT為預測的平均壽命(77 a). RfC為參考濃度, Kalogerakis等指出當細菌總數超過500 CFU ·m-3時將會對人體有害, 所以本研究中RfC取值為500 CFU ·m-3. HQ為非致癌風險因子, 當HQ < 1時, 細菌氣溶膠對人體的非致癌風險可以忽略, 當HQ>1時, 細菌氣溶膠對人體存在非致癌風險.由表 4可知, 人體通過呼吸途徑對各個工藝段逸散的微生物氣溶膠的暴露風險較低, 非致癌因子均小于1.與其他處理工藝段相比, 粗格柵、生化池以及污泥脫水間的暴露風險較高; 與春季相比, 夏季的暴露風險顯著增加.
表 4 污水處理各工藝段微生物氣溶膠暴露風險
Li等評價某污水處理廠微生物氣溶膠暴露風險時, 也發(fā)現人體呼吸系統(tǒng)對曝氣池產生的細菌氣溶膠的暴露風險很低, 其非致癌因子遠小于1.隨著與曝氣池距離的增加, 人體呼吸系統(tǒng)的暴露風險會進一步降低. Uhrbrand等在監(jiān)測某污水處理廠細菌氣溶膠的逸散時得到類似的研究結果.在本研究中, 盡管根據每天暴露8 h計算得到的各處理工藝段微生物氣溶膠的暴露風險較小(HQ < 1), 但是對于長期在污水處理廠工作的職工, 污染物的累積會增加暴露風險.因此, 污水處理廠工作人員在上述污水處理工藝段操作時, 需要做好相應的防護.未來, 在污水處理過程中, 應采用適宜的方法如光催化氧化、紫外滅菌、生物過濾等削減和控制污水處理產生的微生物氣溶膠.
3 結論
(1) 污水處理各工藝段都有細菌氣溶膠逸散(82~1 525 CFU ·m-3), 粗格柵、生化池和污泥脫水間為主要逸散源.細菌氣溶膠的主要菌屬為Cyanobacteria (69.55%~91.63%).粗格柵空氣中檢測到的細菌還包括Chroococcidiopsis、Massilia和Sphingomonas; 曝氣沉砂池細菌氣溶膠還有Arcobacter、Aeromonas、Peptostreptococcaceae和Acinetobacte等細菌; Moraxellaceae和Chroococcidiopsis在生化池的占比較高, 污泥脫水間還檢測到Ferribacterium和Haliangium.其中Aeromonas、Arcobacter、Moraxellaceae、Acinetobacter以及Sphingomonas等為致病菌.
(2) 細菌氣溶膠的逸散受溫度、相對濕度、風速等因素影響, 在溫度、相對濕度適宜且平均風速較小的夏季, 污水處理各工藝段空氣中的細菌氣溶膠檢出更多.
(3) 雖然各處理工藝段微生物氣溶膠的暴露風險較小(HQ < 1), 但是污染物的累積會增加暴露風險.
(4) 本研究發(fā)現, 生物除臭反應器在處理臭味氣體的同時, 能夠有效削減污水處理過程產生的微生物氣溶膠.(來源：環(huán)境科學 作者：楊凱雄)
