2018, Vol. 39
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 安徽国祯环保节能科技股份有限公司, 合肥 230088
, HOU Hong-xun3 , WANG Ying-zhe3 , SHI Hao-ran3 , XU Guang-su1,2 , HAN Yun-ping1 , LIU Jun-xin1,2 , LI Lin1,2
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Anhui Guozhen Environmental Protection Technology Joint Stock Co., Ltd., Hefei 230088, China
随着我国经济快速发展及城镇化速度的加快, 城市污水处理厂的数量逐渐增加, 截至2016年年底, 我国已建成城市污水处理厂3 500座[1].污水中含有大量的细菌、真菌、致病菌、病毒和过敏原等, 污水处理过程中, 由于机械运转、充氧等扰动水面, 使水中的微生物逸散到空气中, 形成微生物气溶胶[2~5].污水预处理、曝气生化处理及污泥处理是污水处理厂微生物气溶胶的主要逸散过程, Fathi等[2]在生化池附近检测到大量的细菌气溶胶(741~2 817 CFU ·m-3), Li等[6]在污泥浓缩池检测到的细菌气溶胶浓度最高(1 697 CFU ·m-3).污水处理厂微生物气溶胶的逸散受多种环境因素的影响, 如光照、温度、相对湿度、风速等[2, 7].污水处理过程逸散的微生物气溶胶通常包含多种微生物且粒径较小, 极易通过吸入或皮肤接触进入到人体, 对人体健康造成危害[8].随着空气的流动扩散到周边, 导致区域性的影响.
SBR是一种典型的污水处理工艺, 广泛用于污水处理[9].本研究在某座采用SBR工艺的城市污水处理厂设置采样点, 监测污水处理各工艺段微生物气溶胶的逸散水平和种类, 解析污水处理厂微生物气溶胶的主要来源, 研究温湿度、光照、风速等环境因子对微生物气溶胶的逸散水平的影响及相关性, 以期为有效削减和控制污水处理厂微生物气溶胶提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 采样点布设本研究在长三角地区选择某一采用SBR处理工艺的污水处理厂(HZJ), 研究污水处理厂微生物气溶胶逸散的特征.该污水处理厂处理规模为5.5×104 m3 ·d-1, 服务区域17.15 km2.污水经过粗格栅后经水泵提升进入细格栅、曝气沉砂池, 随后进入生化池, 处理后的水经消毒池消毒后达标排放, 剩余污泥经带式压滤机脱水后外运.格栅间及污泥脱水间产生的臭味气体经管道输送至生物除臭反应器进行处理.采样时的环境条件列于表 1.
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表 1 采样环境条件 Table 1 Sampling environment conditions |
采样点包括粗格栅(Z2)、细格栅(Z3)、曝气沉砂池(Z4)、生化处理池(Z5)、贮泥池(Z8)和污泥脱水间(Z9)以及上、下风向厂界(Z1、Z10)(图 1).所有采样点设置在距离地面1.5 m处, 在生化池水面(Z6)及距离水面3 m(Z7)处也设置采样点.生物除臭反应器的采样点(Z11)设置在排气口.
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling points |
利用总悬浮颗粒物(TSP)采样器(TH-150, 武汉天虹, 中国)采集空气中的微生物气溶胶.滤膜材料为玻璃纤维, 可捕获粒径在0.1~6 μm范围的粒子.气体流速为100 L ·min-1, 采样时间4 h.采样后将滤膜取出, 放入样品箱保存.将滤膜剪碎, 加入40 mL无菌水4℃振荡2 h.取200 μL振荡悬浮液涂布于LB培养基(奥博星, 中国), 30℃培养48 h.根据采样体积和平板计数的结果, 利用式(1)计算空气中微生物气溶胶的浓度.
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(1) |
式中, c为空气中微生物气溶胶浓度(CFU ·m-3), N为细菌菌落数(CFU), V为采样体积(m3).
使用Power Soil DNA Isolation Kit试剂盒(MOBIO, USA)提取细菌DNA, 并用1%琼脂糖凝胶电泳(电压120 V, 时间15 min)检测DNA提取质量.利用引物338F和806R对细菌16S rRNA的V3~V4可变区进行PCR扩增, PCR产物经过纯化、Tris-HCl洗脱和2%琼脂糖电泳检测后, 利用Illumina MiSeq平台(Illumina, San Diego, USA)将纯化后的扩增片段构建PE 2×300的文库, 完成高通量测序(Illumina, MiSeq PE300平台, USA).原始测序序列去杂后, 利用QIME软件计算细菌群落丰度[10].采样时的温湿度、光照及风速分别采用手持式智能温湿度记录仪(179-TH, USA)、光照度计(DeltaOHM HD2302, Italy)和风速仪(DeltaOHM HD2303.0, Italy)进行监测.利用SPSS 21.0软件对微生物气溶胶的逸散与环境因素之间的相关性进行分析.
2 结果与讨论 2.1 微生物气溶胶逸散特征 2.1.1 微生物气溶胶逸散水平污水处理各个工艺段均有细菌气溶胶逸散, 浓度范围为82~1 525 CFU ·m-3(图 2).其中粗格栅(102~970 CFU ·m-3)、生化池(339~747 CFU ·m-3)以及污泥脱水间(605~1 525 CFU ·m-3)逸散得最多, 是该污水处理厂细菌气溶胶的主要逸散源.在粗格栅工艺段设有格栅机, 利用金属栅条拦截进水中较大的悬浮物及杂质.生化池采用微孔曝气, 满足好氧微生物所需要的氧量以及混合污水与活性污泥.由于格栅机的转动和生化池充氧曝气, 扰动水面形成大量的水滴或飞沫.水体中的微生物随水滴或飞沫从水体表层进入空气中, 形成微生物气溶胶.该污水处理厂采用带式压滤机将污泥含水率减至80%以下, 在脱水过程中污泥中的微生物很容易逸散到空气中.此外, 污泥脱水设施建在室内, 空间相对密闭, 通风性较差, 易于微生物气溶胶在污泥脱水间空气中的积累.以往的研究也显示粗格栅、生化池和污泥脱水间是污水处理厂细菌气溶胶的主要来源[3, 10~12]. Szyłak-Szydłowski等[13]在粗格栅检测到的细菌浓度为1.1×104 CFU ·m-3, Niazi等[14]在生化池检测到有1973 CFU ·m-3的细菌气溶胶逸散, 而邱雄辉等[15]在泥脱水间检测到细菌气溶胶浓度最高, 达到7 866 CFU ·m-3.
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图 2 污水处理各工艺段细菌气溶胶逸散水平 Fig. 2 Airborne bacterial concentration at each sampling point |
值得注意的是, 在生物除臭反应器排气口检测到的细菌浓度仅为177 CFU ·m-3, 远低于格栅间和污泥脱水间的细菌气溶胶浓度.生物反应器处理的臭味气体收集自格栅间和污泥脱水间, 进气中硫化物和胺类的平均体积分数分别为2.60×10-6和2.22×10-6, 细菌气溶胶平均浓度为1 274 CFU ·m-3.气体经过除臭生物反应器的处理, 其中臭味物质的去除率平均为90.5%, 细菌气溶胶的减少率平均为86.1%.本研究结果显示生物除臭反应器在处理臭味气体的同时, 也能够有效削减污水处理过程逸散的微生物气溶胶.
2.1.2 微生物气溶胶的菌群结构特征细菌群落结构分析结果显示, 污水处理各工艺段微生物气溶胶中Cyanobacteria为主要菌属, 丰度为69.55%~91.63%.除Cyanobacteria外, Chroococcidiopsis、Sphingomonas及Massilia也是粗格栅微生物气溶胶中丰度较高的菌属.曝气沉砂池检测到的其它菌属还包括Arcobacter、Aeromonas、Peptostreptococcaceae和Acinetobacter. Moraxellaceae和Chroococcidiopsis也是在生化池占比较高的菌属, 丰度分别为3.68%和2.98%.污泥脱水间还检测到Ferribacterium和Haliangium.这些丰度较高的细菌中, 如Aeromonas、Arcobacter、Moraxellaceae、Acinetobacter及Sphingomonas等是潜在致病菌, 通过吸入、吞咽以及皮肤接触等途径进入人体, 会引起人体呼吸道、肠道及皮肤疾病[16~19].在污水处理厂的下风向也有极少量的致病菌检出(表 2).
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表 2 污水处理各工艺段细菌气溶胶种类/% Table 2 Airborne bacterial taxa at each sampling point/% |
2.2 微生物气溶胶的扩散
在生化池水面不同高度处设置采样点, 研究细菌气溶胶在生化池垂直方向的扩散.随着高度的增加, 细菌气溶胶的浓度和丰度均逐渐降低(图 2和表 2), 生化池水面3 m处细菌浓度分别占生化池水面细菌浓度的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处的垂直空间内, 丰度分别从3.68%、2.97%降至0.39%、0.84%(表 2).污水处理各工艺段逸散的微生物气溶胶会随风水平扩散到下风向, 低于10.0%的污水处理产生的细菌气溶胶扩散到污水厂外.
2.3 微生物气溶胶的逸散与环境因子之间的关系污水处理各工艺段夏季逸散的细菌气溶胶浓度明显高于春季(图 2).文献[20]发现某污水处理厂细菌气溶胶的浓度也呈现季节变化的特点, 与其他季节相比, 夏季检测到的细菌气溶胶浓度最高.环境因子如温度、相对湿度、大气压强、光照强度、风速等会影响微生物气溶胶的活性和在空气中的浓度水平[21, 22], 不同季节上述环境因子差别明显.细菌气溶胶的浓度水平与环境因素之间的关系列于表 3.结果显示, 细菌气溶胶的浓度与温度(P < 0.01)及相对湿度(P < 0.01)呈正相关, 与风速(P < 0.05)呈负相关.在较高的温湿度和较低的风速时, 空气中细菌气溶胶浓度较高.温度和相对湿度是影响微生物气溶胶在空气中存活的两个重要因素[13].在本研究中, 春季和夏季的平均温度分别为28.3℃和35.6℃, 平均相对湿度分别为25.3%和58.3%.较高的温度和相对湿度有利于细菌在空气中的存活和增殖.空气中的颗粒物会从高浓度区域向低浓度区域发生转移, 即发生自然扩散, 扩散的速率与物质的浓度梯度成正比.因此, 细菌气溶胶会从浓度较高的区域(污水处理工艺段)自然扩散到浓度较低的区域(下风向厂界), 风会加速细菌气溶胶的扩散[23].夏季采样时的平均风速(0.19 m ·s-1)低于春季(0.31 m ·s-1).较高的温湿度和较低的风速, 使夏季各个处理工艺段逸散的细菌气溶胶浓度高于春季.另外, 春夏两个季节下风向厂界细菌气溶胶的浓度均高于上风向厂界(图 2).细菌群落结构结果分析显示, 污水处理工艺段产生的Sphingomonas、Haliangium及Ferribacterium等细菌, 在下风向厂界空气中被检出; 但是, 在上风向厂界空气中并未检出这些细菌, 说明污水处理产生的这些微生物能够随风扩散到下风向厂界.
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表 3 细菌气溶胶浓度与环境因素之间的皮尔森相关性1) Table 3 Pearson's correlation between airborne bacterial concentration and environmental factors |
2.4 风险评价
污水处理各工艺段逸散的细菌主要通过呼吸系统进入人体, 其中部分细菌为潜在致病菌.评价人体对细菌气溶胶的暴露风险, 有助于相关部门明确污水厂污染物控制的优先次序、加强风险管理、保障人民群众健康.本研究中各处理工艺段逸散的生物气溶胶中的细菌大多数属于非致癌细菌.人体经呼吸对细菌气溶胶的暴露风险可以利用式(2)和式(3)计算, 这种计算方法可以根据人体对污染物的不同接触方式, 明确暴露与健康效应之间的定量关系.
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(2) |
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(3) |
式中, EC为细菌气溶胶的暴露浓度(CFU ·m-3), c为细菌气溶胶逸散浓度(CFU ·m-3), ET为呼吸暴露的时间(8 h ·d-1), EF为呼吸暴露频率(250 d ·a-1), ED为暴露年限(25 a), AT为预测的平均寿命(77 a)[24]. RfC为参考浓度, Kalogerakis等[25]指出当细菌总数超过500 CFU ·m-3时将会对人体有害, 所以本研究中RfC取值为500 CFU ·m-3. HQ为非致癌风险因子, 当HQ < 1时, 细菌气溶胶对人体的非致癌风险可以忽略, 当HQ>1时, 细菌气溶胶对人体存在非致癌风险[26].由表 4可知, 人体通过呼吸途径对各个工艺段逸散的微生物气溶胶的暴露风险较低, 非致癌因子均小于1.与其他处理工艺段相比, 粗格栅、生化池以及污泥脱水间的暴露风险较高; 与春季相比, 夏季的暴露风险显著增加.
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表 4 污水处理各工艺段微生物气溶胶暴露风险 Table 4 Inhalation risks for bioaerosol exposure |
Li等[27]评价某污水处理厂微生物气溶胶暴露风险时, 也发现人体呼吸系统对曝气池产生的细菌气溶胶的暴露风险很低, 其非致癌因子远小于1.随着与曝气池距离的增加, 人体呼吸系统的暴露风险会进一步降低. Uhrbrand等[8]在监测某污水处理厂细菌气溶胶的逸散时得到类似的研究结果.在本研究中, 尽管根据每天暴露8 h计算得到的各处理工艺段微生物气溶胶的暴露风险较小(HQ < 1), 但是对于长期在污水处理厂工作的职工, 污染物的累积会增加暴露风险.因此, 污水处理厂工作人员在上述污水处理工艺段操作时, 需要做好相应的防护.未来, 在污水处理过程中, 应采用适宜的方法如光催化氧化、紫外灭菌、生物过滤等削减和控制污水处理产生的微生物气溶胶.
3 结论(1) 污水处理各工艺段都有细菌气溶胶逸散(82~1 525 CFU ·m-3), 粗格栅、生化池和污泥脱水间为主要逸散源.细菌气溶胶的主要菌属为Cyanobacteria (69.55%~91.63%).粗格栅空气中检测到的细菌还包括Chroococcidiopsis、Massilia和Sphingomonas; 曝气沉砂池细菌气溶胶还有Arcobacter、Aeromonas、Peptostreptococcaceae和Acinetobacte等细菌; Moraxellaceae和Chroococcidiopsis在生化池的占比较高, 污泥脱水间还检测到Ferribacterium和Haliangium.其中Aeromonas、Arcobacter、Moraxellaceae、Acinetobacter以及Sphingomonas等为致病菌.
(2) 细菌气溶胶的逸散受温度、相对湿度、风速等因素影响, 在温度、相对湿度适宜且平均风速较小的夏季, 污水处理各工艺段空气中的细菌气溶胶检出更多.
(3) 虽然各处理工艺段微生物气溶胶的暴露风险较小(HQ < 1), 但是污染物的累积会增加暴露风险.
(4) 本研究发现, 生物除臭反应器在处理臭味气体的同时, 能够有效削减污水处理过程产生的微生物气溶胶.
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