臭氧-生物活性炭池反冲洗水中的微生物群落研究

2022-12-15孙天晓唐玉霖

净水技术 2022年12期

陈强，孙天晓，唐玉霖,*

(1.上海市自来水奉贤有限公司，上海 201400；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；3.水利部长三角城镇供水节水与水环境治理重点实验室，上海 200092)

水厂生产废水是指在水质净化过程中产生的废水，主要包括沉淀池或澄清池排泥水、砂滤池反冲洗废水及初滤水、生物活性炭池反冲洗废水及初滤水等。在水厂中，滤池反冲洗水占水厂总水量的2%～6%[1]，水量较大，回收利用对提高水厂产水量、节约水资源具有重要意义。与原水相比，滤池反冲洗水富集了大量的污染物，回用可能会给水厂带来风险。已有研究[2-4]对于反冲洗水的研究主要集中在理化、毒性指标和消毒副产物生成潜能等方面，结果表明反冲洗水回用不会造成出水水质指标的恶化。目前，大部分研究集中在常规处理砂滤池反冲洗水，对于深度处理工艺中生物活性炭池反冲洗水回用的研究多集中在物化指标上，对其生物特性及回用带来的生物风险研究较少。

生物风险对于饮用水安全保障至关重要，历史上由于饮用水中存在的细菌、病毒等多次引发了大规模水疾病暴发事件[5]。随着饮用水水质标准不断提高，水厂处理工艺逐渐由常规处理提升为深度处理工艺，臭氧-生物活性炭成为我国最主流的饮用水深度处理工艺，强化了对水中有机污染的去除[6-8]。颗粒活性炭的多孔结构为微生物的生长提供了理想的栖息地，微生物在炭滤池滤料上快速生长繁殖，形成具有强生物活性的复杂群落，生物量可达到609 ATP/ng[9]，微生物种类多，Shannon多样性指数达到5.84～7.06[10-11]。此外，在炭滤池的活性炭上还检测到致病细菌和无脊椎动物[12-13]。因此，滤池在反冲洗过程中，分析其回用的生物特性对保障饮用水安全至关重要。

本研究以上海市某臭氧-生物活性炭深度处理水厂中生物活性炭池和砂滤池反洗水为研究对象，重点检测不同季节的炭滤池和砂滤池反冲洗水中生物量、微生物群落多样性及时空分布特征，并对比分析反冲洗水中的生物群落结构。研究结果可为自来水厂的反冲洗水处理与回用提供指导和借鉴。

1 材料和方法

1.1 样品采集

研究在上海某臭氧-生物活性炭深度处理水厂进行，该水厂采用“预臭氧-混凝-沉淀-砂滤-后臭氧-生物活性炭-消毒”的处理工艺。其中砂滤池反冲洗周期为36～72 h，冲洗参数为气冲4 min、气水联合混冲4 min、最后水冲6 min。臭氧-生物活性炭池自2018年8月投产运行，至今已使用4年，冲洗周期为36～108 h，冬季反冲洗周期较长，冲洗参数为气冲200 s、水冲8 min。运行期间活性炭基本性能如表1所示。本研究取样时间为2020年9月—2021年9月，反冲洗取样时使用专一的取样勺取样，每次取样前将取样勺经酒精棉灼烧灭菌之后在水池上方取水。取样时间点为气冲2 min、混冲2 min和水冲第2、4 min，取砂滤池反冲洗水样。炭滤池反冲洗水在气冲2 min和水冲第1、3、5、7 min取样。取样后将样品转移至500 mL无菌采样袋，并用冰袋保存，带回实验室分析检测。

表1 炭滤池活性炭基本参数Tab.1 Basic Parameters of Activated Carbon in BAC Filter

1.2 检测方法

微生物量。取1 mL样品进行平板计数可培养细菌。R2A琼脂用作可培养细菌检测的培养基，水样用0.9%无菌盐水连续稀释并用于平板接种。将1 mL稀释样品均匀涂布于培养基上，然后在28 ℃下孵育3 d进行菌落计数。

微生物群落多样性。通过真空过滤装置将样品浓缩到0.22 μm孔径的硝化纤维膜上(Millipore，美国)，将膜暂时存放-80 ℃的环境下，以便进一步分析。使用FastDNA土壤试剂盒(MP Biomedicals，CA，美国)提取基因组DNA。通过显微分光光度法(NanoDrop-2000，Thermo Fischer Scientific，美国)测量DNA浓度和纯度。使用引物338F(5’-ACTCCTACGGGGAGGAGCAG-3’)和806R(5’GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)从提取的DNA中扩增细菌16S rRNA基因片段(V3～V4)。PCR产物鉴定时每个样本3个PCR重复，将3个重复的PCR产物混合并使用2%琼脂糖凝胶电泳检测产物。使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit进行建MiSeq库，Illumina MiSeq PE300平台进行测序，测序工作在上海美吉生物医药科技有限公司进行。

测序完成后，对测序得到的PE reads进行样本拆分，根据测序质量对双端Reads进行质控、过滤和拼接，获得质控拼接之后的优化数据[14-15]。通过序列降噪方法DADA2去除优化数据中存在的PCR扩增或测序错误，以获得真实的序列信息ASV(Amplicon Sequence Variant)[16]。ASV集是由关注的物种组成的一个集合，本研究基于ASV代表序列信息和丰度信息，进行后续的物种分类学分析、群落多样性分析、物种组成分析等。

1.3 数据分析

使用Majorbio在线平台(Cloud.Majorbio.com)用于数据统计分析[17]。使用条形图(门和纲水平)和热图(属水平)说明微生物群落结构。使用基于欧式(Bray-Curtis)距离的主坐标分析(PCoA)和相似性分析(ANOSIM)分析反冲洗水中微生物群落组成随季节变化的差异。

2 结果和讨论

2.1 反冲洗水生物量

生物量反映微生物的数量以及生长情况，生物量越高，同样情况下水体生物风险越高。采用R2A培养基得到的菌落总数，能较好地反映饮用水中微生物的水平，得到更为接近于实际状态的结果，菌落总数越高，生物量越高。图1为砂滤池和炭滤池反冲洗废水细菌菌落总数在不同季节随反冲时间的变化。砂滤池反冲洗水中的菌落总数冬季为3～680 CFU/mL，夏季含量显著增加，菌落总数为30 000～783 150 CFU/mL，夏季高温有利于细菌的生长。炭滤池反冲洗水中的菌落总数冬季高于夏季，这是因为滤池反冲洗间隔在夏季为3 d，而在冬季反冲洗间隔为7 d，炭滤池反冲洗水中的生物量在冬季较高。反冲洗可以有效去除滤料表面的生物量，反冲洗刚开始时，滤池反冲洗水中生物量较高，随着反冲洗时间的延长，两种反冲洗水中的生物量都有明显的下降趋势，初期冲洗水中的生物量均高于后期。

图1 反冲洗过程菌落总数Fig.1 Total Number of Colonies in the Backwash Process

2.2 微生物群落多样性

微生物群落组成可以反映微观优势微生物种类。为进一步了解深度处理水厂滤池反冲洗水中的微生物种类情况，研究采用16S基因测序技术对原水、砂滤池反冲洗废水、炭滤池反冲洗废水进行了细菌微生物群落分析。测试结果表明，原水、砂滤池反冲洗水和炭滤池反冲洗水水样中所有的物种被标记成1 175种不同ASV序列。图2为原水、砂滤池反冲洗水和炭滤池反冲洗水共有和特有的ASV数目，28种ASV序列同时存在于原水、砂滤池反冲洗水与炭滤池反冲洗水，955种ASV序列只出现在一种水样中。其中，原水与砂滤池反冲洗水共有ASV数目要远高于原水与炭滤池反冲洗水、砂滤池与炭滤池反冲洗水，表明原水与砂滤池反冲洗水在微生物群落组成方面具有更高的相似性。活性炭池中微生物的生长繁殖使得其反冲洗水中微生物群落组成复杂，与其他两种水样相似性较低。

图2 原水、砂滤池反冲洗水、炭滤池反冲洗水中ASV分布Fig.2 ASV Distribution in Raw Water,Backwash Water of Sand Filter and BAC Filter

为了得到每个ASV对应的物种分类信息，对ASV代表序列进行分类学分析，获得ASV在不同分类水平(域、界、门、纲、目、科、属、种)的注释信息[18]，如图3所示。原水中门水平中占比最高的优势菌属为拟杆菌门(Bacteroidota)，占比高的优势纲是拟杆菌纲(Bacteroidia)。而在砂滤池反冲洗水与炭滤池反冲洗水中门水平的优势菌种均为变形菌门(Proteobacteria)，其中主要以α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)为主[图3(b)]。水中的变形菌门大多能以铵盐、硝酸盐和氨基酸作为氮源，并能充分利用蛋白质等有机物进行水解，维持自身的生命活动，是炭滤池通过生物降解水中各类有机物的主要菌种之一。

在属水平上，两种反冲洗水中微生物群落组成的区别较大，如图4所示。在α-变形菌纲中，砂滤池反冲洗水中优势属为新鞘氨醇菌属(Novosphingobium)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)，炭滤池反冲洗水占比较高的优势属为念珠菌属(CandidatusParacaedibacter)、鞘氨醇单胞菌属、中度嗜热双突柄菌(Amphiplicatus)、短波单胞菌属(Brevundimonas)、丝状细菌属(Hyphomicrobium)、鞘氨醇杆菌(Sphingorhabdus)。在γ-变形菌纲中，砂滤池反冲洗水占比较高的优势属为假单胞菌属(Pseudomonas)，炭滤池反冲洗水中优势属极性单胞菌(Polaromonas)、军团菌属(Legionella)与砂单胞菌属(Arenimonas)。本研究关于微生物群落组成的研究与上向流炭滤池的研究结果基本一致[19-20]。

图4 不同水样中属水平细菌群落组成变化Fig.4 Changes of Bacterial Community Composition at the Genus Level in Different Water Samples

2.3 微生物群落季节变化

炭滤池和砂滤池反冲洗水在不同季节中微生物群落组成不同。砂滤池反冲洗水中，微生物群落组成随着季节变化区别不大，如图5(a)所示。但在炭滤池反冲洗水中微生物群落组成季节变化明显，图5(b)中变形菌门的相对丰度在冬季高于夏季，厚壁菌门的相对丰度在夏季显著高于冬季，其对高温有较强的耐受性。

图5 不同季节反冲洗水门水平上微生物群落组成Fig.5 Microbial Community Composition at the Phylum Level in Different Seasons

通过基于欧式距离(Bray-Curtis)主坐标分析(PcoA)分析活性炭池不同季节反冲洗水中的物种差异度，如图6所示。ANOSIM分析(R=0.87，P=0.007)表明，不同季节反冲洗水中微生物的结构和组成存在显著差异，说明微生物的生长特性随温度的变化而不同。

图6 不同季节反冲洗水微生物群落组成PCoA图Fig.6 PCoA Diagram of Bacterial Community Composition in Backwash Water in Different Seasons

2.4 反冲洗周期对微生物群落结构的影响

根据水厂的实际运行，进一步分析炭滤池反冲洗周期对微生物群落结构的影响。上海市《制水厂运行规程》(T/SWSTA 0002—2019)规定，炭滤池冲洗周期根据水头损失、滤后水浑浊度和运行时间确定，冬季冲洗周期宜为5～7 d，夏季宜为3～5 d，可根据时间情况进行调整。不同的反冲洗周期可能会影响滤池中的群落组成。因此，对炭滤池1、3、5、7 d的反冲洗水开展分析测试。图7为不同周期炭滤池反冲洗水在门水平上的物种差异，结果表明，群落组成在不同季节变化较大，但不同周期反冲洗水中的群落组成无明显变化规律。