飲用水生物濾池中生物特性與凈水效果的試驗(yàn)研究

飲用水生物濾池中生物特性與凈水效果的試驗(yàn)研究

[Summary]分別采用磷脂法和流式細(xì)胞儀對(duì)生物濾池濾料表面的生物量進(jìn)行測(cè)定，采用TTC-脫氫酶法測(cè)定其生物活性，分析了生物量、生物活性沿水流方向的變化規(guī)律，同時(shí)探究了生物濾池對(duì)TOC的沿程去除效果。結(jié)果表明：流式細(xì)胞儀與磷脂法測(cè)得的生物量相關(guān)性良好，二者具有較好的一致性，其在生物濾池進(jìn)水端分布廣泛，而在出水端稀少，同時(shí)生物量、生物活性的大小沿水流方向均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。TOC沿水流方向沿程遞減，其受生物量、生物活性的大小影響較大，同時(shí)TOC的去除主要發(fā)生在進(jìn)水端22cm的范圍內(nèi)，而在22cm~92cm范圍內(nèi)有機(jī)物的去除效果不明顯。Keys：生物濾池；生物量；磷脂；細(xì)胞數(shù)；生物活性；AnexperimentalstudyonbiologicalcharactersandpurifyingefficiencyindrinkingwaterbiofilterHuZhiheng,(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Wuhan430223,China)Abstract：Thebiomassweredeterminedbythemethodsofphospholipidandthepopulationofcell,Viablemicrobialactivitywasdeterminedbydehydrogenaseactivity,andspatialviabilityofbiomassandmicrobialactivitywithmeidaheightweremeasuredinthereactor.TheremovalefficiencyofTOCatdifferentfilterdepthswasalsostudied.Theresultindicatesthatthedistributionofbiomassandmicrobialactivitywerenoteven.Biomassandmicrobialactivitytendtodecreasewiththeupflowcurrent.Neartheinlet,alargeproportionofbiomasswasincludedinthelower22cmofthemedia.Thebiomassandmicrobialactivityhassignificanteffectonorganiccarbonconcentration,duringtheperiodofstableoperation,TOCdecreasedalongwiththefilterbed,about53%ofTOCwasbiodegradedatthedepthof22cmofmedia,nofurtherremovalwasseenasthedeeperbedlayers.Keywords：biologicalfilter;biomass;phosphlipid;thepopulationofcell;microbialactivity;近年來(lái)利用生物濾池處理微污染水源水已成為給水處理中的研究熱點(diǎn)，生物濾池對(duì)微污染物的降解主要通過(guò)附著生長(zhǎng)在填料表面的微生物來(lái)完成，其中微生物的生物量和生物活性對(duì)反應(yīng)器的處理效能起著至關(guān)重要的作用，是表征生物特性的兩個(gè)重要參數(shù)。因此如何快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便地測(cè)定生物濾池中微生物的生物量與生物活性，對(duì)于研究生物濾池中微生物的特性具有重要意義。目前在飲用水生物處理中，對(duì)于微生物活性的測(cè)定已相對(duì)成熟穩(wěn)定，常用的檢測(cè)指標(biāo)有TTC-脫氫酶活性，ATP含量以及OUR[1]；而生物量的測(cè)定，其方法眾多，主要有平板計(jì)數(shù)法和磷脂法，以脂磷法應(yīng)用最為廣泛。但這兩種方法均存在測(cè)樣時(shí)間較長(zhǎng)（大于24h）的明顯缺點(diǎn)，同時(shí)Siebel等[2]發(fā)現(xiàn)自來(lái)水中的微生物僅有0.001%~2%的細(xì)菌可以通過(guò)平板進(jìn)行培養(yǎng)，于鑫[3]等也發(fā)現(xiàn)通過(guò)平板計(jì)數(shù)法測(cè)得的生物量?jī)H為磷脂法所測(cè)生物量的0.70%~5.75%，可見平板計(jì)數(shù)法測(cè)定的生物量數(shù)值并不真實(shí)、準(zhǔn)確；而磷脂法實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，須使用對(duì)人體有毒性的氯仿。本試驗(yàn)同時(shí)采用磷脂法、流式細(xì)胞儀對(duì)生物濾池中生物量進(jìn)行測(cè)定分析，采用TTC-脫氫酶法測(cè)定生物濾池濾料上微生物的活性，為生物濾池中微生物的生物特性研究提供參考，同時(shí)為生物量的快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便測(cè)定提供依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1試驗(yàn)裝置與進(jìn)水水質(zhì)生物濾池反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，如圖1所示。反應(yīng)器高1300mm，直徑20mm，承托板以上按級(jí)配直接裝填8~10mm的礫石，裝填高度為80mm，礫石以上裝直徑1~3mm的頁(yè)巖陶粒，裝填高度為940mm，承托板以上每隔100mm設(shè)取樣口，取樣口編號(hào)依次為1、2、3、4、5、6、7、8、9。設(shè)計(jì)水量Q=5L/d，水力負(fù)荷q=0.66m3/(m2·h)。圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1Schematicdiagramofthebiologicalaeratedfiherusedinthisexperiment根據(jù)一般微污染水的水質(zhì)狀況，試驗(yàn)采取配水的方式模擬微污染原水。濾池進(jìn)水用自來(lái)水配制，自來(lái)水在配制之前放置24小時(shí)以除去余氯，原水水質(zhì)見表1。穩(wěn)定運(yùn)行期間，生物濾池對(duì)原水中的NH4+-N、UV254、TOC平均去除率分別為66.34%、16.14%、34.18%。表1試驗(yàn)原水水質(zhì)Tab.1Rawwaterquality項(xiàng)目最小值最大值平均值水溫(℃)263128pH7.538.057.8TOC(mg/L)UV254(cm-1)0.0540.0890.064NH4+-N(mg/L)濁度(NTU)0.31.830.851.2試驗(yàn)方法生物濾池穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期，沿反應(yīng)器水流方向不同深度取生物填料與水樣，進(jìn)行生物量、生物活性和TOC的測(cè)定。填料表面的生物膜洗脫方法采用超聲波剝落，先用超純水洗去陶粒表面雜質(zhì)，再用經(jīng)滅菌的0.01mol/LPBS緩沖溶液2mL浸泡12min，20W低能超聲處理[4]，得到微生物膜懸浮液。測(cè)量完后再將分析所用陶粒用蒸餾水清洗干凈，烘干至恒重后稱重。1.3分析方法1.3.1常規(guī)指標(biāo)NH4+-N采用納式試劑分光光度法測(cè)定[5]；pH的測(cè)定用PHS-3C精密酸度計(jì)；UV254的測(cè)定采用DR5000分光光度計(jì)；TOC的測(cè)定采用島津TOC-LCPN/CPN總有機(jī)碳分析儀。1.3.2生物量磷脂法磷脂的測(cè)定方法見Reference[3]，制作的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2。樣品測(cè)定結(jié)果以nmolP/g填料表示，1nmolP約相當(dāng)于大腸桿菌(E.coli)大小的細(xì)胞108個(gè)。圖2磷脂標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2ThestandardcuryeofTPconcentration流式細(xì)胞儀流式細(xì)胞儀的基本原理是將待測(cè)顆粒(細(xì)菌或者哺乳動(dòng)物細(xì)胞)維持在液流狀態(tài)，然后依次單個(gè)通過(guò)激發(fā)光源(如488nm)，由于待測(cè)顆粒自身具有熒光特性或者與染料物質(zhì)結(jié)合后的產(chǎn)物，會(huì)顯示出熒光特性和散射光特性(前散射光和側(cè)散射光)，從而與非生物顆粒區(qū)分。如水中細(xì)菌數(shù)量測(cè)定時(shí)，可以利用染料(SYBRGreenI，SYTO-9或DAPI)與細(xì)菌DNA特異性結(jié)合時(shí)顯示出來(lái)的熒光特性和散射光特性與水中非生物顆粒區(qū)分，這樣可以快速(約10min)準(zhǔn)確地測(cè)定出水中細(xì)菌的數(shù)量。該方法測(cè)定水中細(xì)菌的檢測(cè)范圍為(1×103~2×105)cells/mL，當(dāng)濃度超過(guò)該范圍時(shí)需要進(jìn)行稀釋。流式細(xì)胞儀可快速分析水樣的細(xì)菌總數(shù)[6]、細(xì)胞尺寸大小[7]及表征細(xì)胞的生理特性(如細(xì)菌的活性和DNA含量等)[8]。測(cè)定時(shí)取500μL微生物膜懸浮液于具塞離心管中，離心管先經(jīng)渦旋混合器震動(dòng)5s，后在DHS恒溫金屬浴中預(yù)熱至35℃（5min），然后用10μLmL-1的SYBRGreenI(用二甲化硯1:100稀釋)染色，在35℃避光條件下培養(yǎng)10min[9]，后用流式細(xì)胞儀測(cè)定其細(xì)菌濃度（cells/mL），根據(jù)細(xì)菌濃度可以推知微生物膜懸浮液總細(xì)菌數(shù)，生物量的表示是采用單位干重濾料載體上的細(xì)菌數(shù)，表示以cells／g計(jì)，即單位干重的濾料表面上蛋白質(zhì)質(zhì)量。1.3.3生物活性采用TTC-脫氫酶法測(cè)定生物濾池濾料上微生物的活性，測(cè)定方法見Reference[10]，制作的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3。TTC-脫氫酶活性的表示是以單位干重濾料載體上的生物活性為單位，表示TTC-脫氫酶比生物活性，以μgTF/(gdw·h)計(jì)，即單位時(shí)間、單位干重的濾料表面上反應(yīng)生成的TF量。圖3TF濃度與其吸光值的關(guān)系Fig.3ThestandardcuryeofTFconcentration2結(jié)果與討論2.1生物濾池沿程生物量生物濾池中不同濾層深度的生物量見表2，由表可知，兩種方法測(cè)得的生物量具有相似的分布，生物量在濾層的不同深度差別較大。在濾層深度2cm處即生物濾池進(jìn)水端，磷脂法與流式細(xì)胞儀所測(cè)生物量最高，而在濾層深度92cm處即生物濾池出水端，其所測(cè)生物量最低，分別只有進(jìn)水端的10.02%、14.17%。同時(shí)磷脂法與流式細(xì)胞儀所測(cè)生物量的線性關(guān)系良好，其相關(guān)系數(shù)為0.9832，可見磷脂法與流式細(xì)胞儀所測(cè)生物量出現(xiàn)了較好的一致性。磷脂法、流式細(xì)胞儀測(cè)定生物量沿濾層深度變化曲線見圖4，由圖可知，兩種方法測(cè)得生物量具有相似的變化趨勢(shì)—沿水流方向逐漸降低。生物量從濾層深度12cm處開始大幅度下降，其分布自上而下呈明顯的線性遞減關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.8897、0.8176。出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是因?yàn)榉磻?yīng)器采用下向流，濾池上層與空氣接觸充分，溶解氧含量較高，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)條件相對(duì)于濾層中下部較好，使得異養(yǎng)菌有充足的養(yǎng)料得以大量繁殖，生物量相對(duì)較高。而在濾層中下部，原水中的有機(jī)物、溶解氧下降到較低水平，底物濃度和溶解氧缺乏抑制了微生物自身的增殖[11]，導(dǎo)致單位質(zhì)量填料上的生物量迅速降低。表2不同深度生物濾池生物量Tab.2Thebiomassatdifferentfilterdepthsinthereactor濾層深度(cm)磷脂法a(nmol/P)(n=6)流式細(xì)胞儀a(×107cells/g)(n=6)239.62±8.6734.80±8.591232.00±5.5425.60±6.343216.89±4.4711.90±3.955210.00±5.988.39±0.72728.90±1.676.66±0.31923.97±2.674.93±1.95a:平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差n:測(cè)量次數(shù)圖4磷脂法、流式細(xì)胞儀測(cè)定生物量沿濾層深度變化曲線Fig.4Changesofthebiomassalongthebiologicalfilter2.2生物濾池沿程生物活性生物濾池中不同濾層深度的生物活性見表3，由表可知，單位質(zhì)量填料上生物活性在生物濾池進(jìn)水端最大，而在出水端最小，且沿水流方向保持遞減的趨勢(shì)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大部分消耗在濾層上部，在原水流經(jīng)濾層中下部后，其含量已下降到較低水平，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏導(dǎo)致此時(shí)微生物代謝減弱，生長(zhǎng)速率減慢，此時(shí)不僅生物量出現(xiàn)較大幅度下降，生物活性也受到了限制。磷脂法、流式細(xì)胞儀測(cè)定生物量與生物活性的線性關(guān)系分別為0.9454、0.9778，線性相關(guān)性良好。但生物濾池中生物量高不一定就意味具有較高生物活性[12]，有研究顯示單位載體生物膜中微生物的活性除了與微生物量有關(guān)以外，還受到水中的溶解氧含量、pH值、水溫以及生物處理裝置的運(yùn)行情況等多種因素的影響，所以微生物活性與微生物量在數(shù)值上往往不成比例[13]。表3不同深度生物濾池生物活性Tab.3Microbialactivityatdifferentfilterdepthsinthereactor濾層深度(cm)脫氫酶活性a(μgTF/(g·h))(n=6)23.92±1.58122.92±1.16320.39±0.05520.04±0.03720.07±0.05920.07±0.08a:平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差n:測(cè)量次數(shù)2.3生物濾池沿程TOC穩(wěn)定運(yùn)行期生物濾池沿程TOC見圖4。由圖可知，TOC濃度沿水流方向保持遞減的趨勢(shì)，與磷脂法、流式細(xì)胞儀測(cè)定生物量、生物活性線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)分別為0.7674、0.8518、0.8306，可見有機(jī)物濃度受生物濾池的生物量、生物活性大小影響較大，這與朱小彪等人的研究相一致[14]，有機(jī)物濃度對(duì)于生物量和生物活性的大小有很大影響，有機(jī)物濃度較低時(shí)會(huì)成為微生物生長(zhǎng)的限制因子，導(dǎo)致生物量和生物活性都比較低。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，生物濾池對(duì)有機(jī)物的去除作用主要發(fā)生在進(jìn)水端22cm的范圍內(nèi)，在這段濾層內(nèi)，反應(yīng)器對(duì)TOC的去除率為52.66%，占總?cè)コ实?9.42%，而在22cm~92cm范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除率僅占總?cè)コ实?0.58%。這是由于進(jìn)水端22cm的范圍內(nèi)，有機(jī)物濃度相對(duì)較高、溶解氧較充足，微生物大量繁殖，生物量、生物活性均處于較高水平。故在生物濾池進(jìn)水端，微生物對(duì)有機(jī)物的生物降解作用非?？欤琓OC下降迅速。而在原水進(jìn)入濾層中下部后，有機(jī)物濃度已下降到一定程度，同時(shí)溶解氧濃度在不斷降低，底物濃度和溶解氧濃度成為反應(yīng)速率的限制因素[15]，導(dǎo)致在濾池22cm~92cm范圍內(nèi)，微生物的生物降解作用受到抑制，有機(jī)物的去除效果不明顯。圖5TOC沿濾池深度變化曲線Fig.5ChangesofTOCalongthebiologicalfilter3小結(jié)流式細(xì)胞儀所測(cè)生物量與磷脂法相關(guān)性良好，二者具有較好的一致性，其在生物濾池進(jìn)水端分布廣泛，而在出水端稀少，同時(shí)生物量、生物活性沿水流方向均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。TOC濃度沿水流方向保持沿程遞減趨勢(shì)，其對(duì)生物量、生物活性存在較大影響。同時(shí)TOC的去除主要發(fā)生在進(jìn)水端22cm的范圍內(nèi)，而在22cm~92cm范圍內(nèi)有機(jī)物的去除效果不明顯。Reference：桑軍強(qiáng),王志農(nóng),李福志,張錫輝.飲用水生物處理中微生物量和活性的測(cè)定方法[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2005,6(8):88-90.SiebelE,WangY,EgliT,etal.Correlationsbetweentotalcellconcentration,totaladenosinetriphosphateconcentrationandheterotrophicplatecountsduringmicrobalmonitoringofdrinkingwater[J].DrinkingWaterEngineeringandScience,2008,(1):1-6.于鑫,張曉健,王占生.飲用水生物處理中生物量的脂磷法測(cè)定[J].給水排水.2002,28(5):1-5.AleksandraMagicKnezevandDickvanderKooij.OptimisationandsignificanceofATPanalysisformeasuringactivebiomassingranularactivatedcarbonfiltersusedinwatertreatment[J].WaterResearch,2004,38:3971-3979.國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版,2002.HammesF,BergerC,KosterO,etal.Assessingbiologicalstabilityofdrinkingwaterwithoutdisinfectant-residualsinafull-scalewatersupplyststem[J].WaterSupply,2010,59(1):31-40.FelinM,AndreattaS,SommarugaR,etal.Suitabilityofflowcytometryforestimatingbacterialbiovolumeinnaturalplanktonsamples:comparisonwithmicroscopydata[J].AppliedandEnvironmentalMicrobiology,2007,73(14):4508-4514.WangY,HammesF,BoonN,etal.Isolationandcharacterizationoflownucleicacid(LNA)contentbacteria[J].TheISMEJourna1,2009,3(8):889-902.E.I.Prest,F.Hammes,S.kotzsch,etal.Monitoringmicrobiologicalchangesindrinking