李聪聪，周克梅，范 佩，刘 成,*，兰 童，杨遇春

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏南京 210098；3.南京水务集团有限公司，江苏南京 210043)

溶解性有机氮(DON)可以导致消毒过程中耗氯量增加、含氮类消毒副产物的生成[1-2]，且被认为是膜污染的重要组分[3]。课题组前期研究[4]结果表明，生物活性炭(BAC)是饮用水处理过程中控制DON的关键环节。BAC可以通过微生物降解和吸附去除可生物降解的有机物(BOM)、氨氮、微量有机物等污染物。然而，BAC的微生物代谢过程可引起DON浓度增加，DON特性也受到微生物生命活动影响，包括生长、代谢、次级化合物排泄、裂解产物的吸收和消耗[5]。鉴于不同使用时间BAC的生物膜特性存在显著差异，特别是生物量、生物膜厚度、微生物群落结构，将直接影响微生物代谢过程，导致炭池出水中的DON浓度和性质出现明显差异[6]。因此，本文选用4种不同使用时间的BAC，研究其净化过程中DON含量的变化及转化，确认其微生物学作用机制。该研究对优化饮用水BAC工艺去除DON效能，保证饮用水厂的水质安全和稳定具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 样品采集

试验使用BAC样品于2020年8月取自XC水厂BAC池，该水厂BAC池于2010年4月运行，并于2014年和2019年分别更换了两个炭池所用的BAC。所取BAC分别为0.3年BAC(0.3-yr BAC)、2.0年BAC (2.0-yr BAC)、5.0年BAC (5.0-yr BAC)和10.0年BAC (10.0-yr BAC)。采用4根直径为200 mm、高度为3 500 mm的有机玻璃柱作为BAC中试装置(其运行参数如表1所示)，进水为水厂臭氧接触池出水，连续运行，定期取样测定水质。2020年8月分析4个使用时间BAC的微生物指标。

表1 中试装置的运行参数Tab.1 Operation Parameters of Pilot Plant

1.2 测试指标及方法

DON：由实测溶解性总氮(TDN)与实测溶解性无机氮(DIN)种类之和的差值确定[3]。

激发发射矩阵(EEM)荧光光谱：使用发光光谱法(F-4500 FL分光光度计，日立，日本),在200～600 nm的扫描发射光谱中，EEM光谱以5 nm的增量采集。激发和发射狭缝保持在10 nm，扫描速度设置为12 000 nm/min，光电倍增管(PMT)电压设置为500 V用于微光检测。用蒸馏水作为空白记录光谱。采用Surfer13软件对EEM数据进行分析和处理。

傅里叶变换离子回旋共振质谱(fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry,FT-ICR MS):采用固相萃取柱萃取酸化水样，采用18种不同的萃取柱(Envicarb、PPL、ENV、HLB、C18、C18OH、C8、pH、CH、WAX、WCX、MAX、MCX、C2、CBA、CN-E、NH2、SI)进行萃取。用10 mL甲醇(来自德国默克公司的LC-MS级)和10 mL酸化超纯水(pH值为2.0)调整色谱柱。取100 mL酸化水样以2 mL/min左右的流速通过固相萃取柱，装样后用10 mL酸化超纯水冲洗固相萃取柱，10 mL甲醇洗脱。然后将200 μL甲基硫溶解的DON样品注入配备15.0 T超导磁场和电喷雾电离(ESI)源的Bruker SolariX FT-ICR MS中。数据分析选择最丰富峰值附近的双质量尺度扩展，然后手动识别每个峰值。

生物量：采用脂磷法测定附着在BAC上的生物量[7]。

生物活性：采用改良的比耗氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR) 法[8]。

胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)：采用改进的萃取方法提取EPS[9]，多糖测定采用硫酸-苯酚比色法，蛋白质采用改良的Lowry法测定[10]。

微生物种群分析：对0.3、2.0、5.0、10.0年BAC样本的微生物组成进行16S rRNA高通量测序。反冲洗前采集BAC样品。DNA提取和测序分析微生物群落分析在上海美吉有限公司的Illumina HiSeq平台上进行。

2 结果与讨论

2.1 不同年限BAC进出水DON浓度变化规律

图1显示炭池进出水DON浓度具有明显的季节性波动。夏季进水DON质量浓度最高(0.30～0.35 mg/L)，春、秋季次之(0.24～0.30 mg/L)，冬季最低(0.05～0.15 mg/L)，这是由于夏季较高的水温导致藻类过度增殖和DON的释放[3]。BAC对DON去除效果随使用年限而降低，使用年限为0.3、2.0、5.0、10.0年的BAC在一个反冲洗周期中对DON的去除率分别为39.69%～66.96%、10.10%～39.78%、-4.18%～29.63%、-20.88%～19.87%，使用年限为5.0年和10.0年的BAC出现了负去除现象。负去除情况在夏季较为明显，在反冲洗周期末，使用10.0年的BAC对DON去除率达到了-20.88%，且在一个反冲洗周期中出现负去除的时间点也较早。之前的研究[11]也发现了类似的现象，可能与BAC颗粒上生物量过度增殖以及部分微生物进入内源呼吸状态释放可溶性微生物代谢产物有关。

图1 不同季节下不同使用年限BAC反冲洗周期内对DON控制效能Fig.1 Control Efficiency of DON during BAC Backwash Cycles under Different Service Years in Different Seasons

2.2 炭池进出水EEM特性差异分析

图2 给出了相同进水条件下，不同使用年限BAC出水的EEM荧光光谱。可以看出经过BAC处理后，荧光峰C和D的强度显著降低，但荧光峰A和B则呈现不同的变化趋势：使用年限为0.3年和2.0年的BAC会不同程度地降低荧光峰A和B的强度，而使用5.0年和10.0年的BAC出水的荧光峰A强度明显增强且高于进水，荧光峰B强度发生微弱降低且涉及区域增大。结合各荧光峰所代表的物质成分可以认为使用年限较长的BAC在使用过程中会释放部分SMPs进入水中。而有研究[12]表明，SMPs包括多糖、蛋白质、核酸、腐植酸、黄腐酸、氨基酸和类固醇等氮含量较高的有机物，这可能是BAC处理过程中DON浓度升高的重要原因。

注：A—可溶性微生物代谢产物；B—芳香族蛋白；C—腐植酸类；D—黄腐酸类图2 不同使用年限的BAC在反冲洗周期末期进出水的EMM荧光光谱Fig.2 EMM Fluorescence Spectra of BAC Inflow and Treated Water at the End of Backwash Cycle under Different Service Years

图3 FT-ICR MS分析不同年限BAC出水中去除的、生成的、不变的DON分子特征变化Fig.3 FT-ICR MS Analysis of Changes in DON Molecular Characteristics Removed,Generated,and Unchanged in Treated Water by BAC under Different Service Years

2.3 炭池进出水DON分子特性

为了进一步阐明含氮化合物的组成特征，绘制了Van Krevelen图，以显示O/C和H/C之间的关系，并确定具体的DON结构类型(图3)。

炭池进出水中含氮有机物分子主要分布在碳水化合物类、脂质类、蛋白质/氨基糖、单宁酸类、木质素/CRAM类、不饱和碳氢化合物、稠环化合物类7个区域。4个使用年限的BAC可以有效去除诸如木质素/CRAM类、碳水化合物类、蛋白质/氨基糖类和脂质类的复杂DON成分，而生成的含氮化合物类型则存在一定差别：0.3年和2.0年BAC主要生成木质素/CRAM类和脂质类，而5.0年和10.0年BAC出水中的蛋白质/氨基糖、脂质类化合物含量增加。木质素/CRAM类化合物是半不稳定和难降解DON的主要成分之一，氮含量较低；脂质类、蛋白质/氨基糖是常见的生物活性化合物，被认为是微生物衍生的DON[13]。

2.4 不同使用年限BAC去除DON效能差异的内在机制分析

考虑到BAC处理前后DON的变化主要源于生物降解和代谢产物的差异，因此,进一步分析了生物量、生物活性、种群组成以及代谢产物，以期明确不同使用年限BAC对DON控制效能差异的原因及内在机制，具体结果如下。

2.4.1 生物膜特性

(1)生物量和生物活性

不同使用年限BAC颗粒上的生物量和SOUR在一个反洗周期内的结果如图4所示。由图4可知，BAC颗粒上的生物量在一个反冲洗周期内会呈现一定程度的增加，且增加量、增长速率与BAC使用年限有一定的相关性。整体来看，使用年限较低BAC生物量增加的绝对值较高。BAC颗粒上附着生物量的增加源于其对处理水中物质成分的吸收利用，其中包含部分含氮有机物和无机氮离子。按照一般微生物细胞内氮元素的占比为14%～16%考虑，从而通过生物量增值可以实现一定程度的氮元素去除，其中包含部分DON。

图4 一个反冲洗周期内BAC生物量和微生物活性变化Fig.4 Changes of BAC Biomass and Microbial Activity during a Backwash Cycle

图4的结果表明，BAC的生物活性在一个反冲洗周期内也呈现类似的规律。由于本研究中采用了SOUR来表征生物活性，其数值的变化更多地反映了好氧微生物的数量及其对进水中氧的利用率。相关研究[14]结果表明，一般条件下溶解氧的有效穿透深度为100～150 μm，而水厂使用7.5年BAC的生物膜厚度可达到200 μm[15]，导致内层生物膜处于厌氧或缺氧状态，这也导致BAC的SOUR及由它所表征的生物活性存在最大界限值，并在一定程度上影响了生物量的最大数值。

BAC颗粒上生物膜在使用过程中的增厚会在一定程度上影响到营养物质和溶解氧的扩散和供给，并进而影响生物降解效能、代谢途径及其代谢产物的种类和产率。使用年限较长的BAC其自身生物量、生物膜厚度较大，在使用过程中更易达到其临界值，导致其对水中营养基质的利用速率、代谢途径及其代谢产物的改变。

(2)BAC中EPS变化规律

EPS是微生物在生长过程中分泌的高分子聚合物的混合物，具体成分主要为蛋白质和多糖，对于生物膜的形成及维持生物膜的结构具有重要的作用。BAC净化过程中，EPS成分在特定条件下可能会进入到水中，并影响水质，因此，考察了处理过程中EPS含量和种类的变化情况，结果如图5所示。

由图5可知，在BAC使用过程中，EPS中的多糖含量基本保持稳定，而蛋白质含量则呈现一定的变化规律，且其变化情况与其使用年限具有一定的关系。就各使用年限BAC中蛋白质含量绝对值而言，其数值随使用年限而升高，10.0年使用年限的BAC中蛋白质质量分数最大达到2.32 mg/(g BAC)。由图5还可以看出，使用年限为0.3、2.0年的BAC生物膜EPS中的蛋白质比例在一个反冲洗周期中持续升高，而使用年限为5.0、10.0年的BAC的EPS中蛋白质含量则呈现先增加后降低的趋势，其中使用10.0年BAC生物膜中蛋白质含量至第3 d就达到最大值，之后出现下降趋势。蛋白质含量降低的部分可能通过直接被微生物降解利用和释放入水中，微生物降解的中间产物和直接释放入水体的蛋白质均会导致出水中DON含量增加，这可能也是导致使用年限较长的BAC处理过程DON含量增加的致因之一。

2.4.2 不同年限BAC微生物群落差异

BAC降解过程中对基质成分的利用与其微生物种群组成及比例有一定的关系，因此，进一步考察了不同使用年限的BAC颗粒上生物膜的微生物种群组成，结果如图6所示。图6(a)的结果表明，4个使用年限的BAC附着生物膜的微生物组成门类基本相似，主要有以变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和 浮霉菌门(Planctomycetcte)为主，总计相对丰度超过90%，且各门所占比例随使用年限呈现一定的变化。相较于使用0.3年的BAC，使用10年BAC生物膜的典型门[变形菌门、放线菌门 、厚壁菌门(Firmicutes)]的丰度分别从49.07%、0.571%、0.72%增加到60.01%、4.43%、3.76%，而这些门的微生物被认为可以促进蛋白质/氨基糖类DON分子生成。进一步针对典型的属水平上测定结果表明，腐螺旋菌科(Saprospiraceae)、黄杆菌属(Flavobacteria)、鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、Skermanella和红游动菌属(Rhodoplanes)的相对丰度随着BAC使用时间而增加，这些属的微生物均与蛋白质分解有关。其中，红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、Skermanella和红游动菌属(Rhodoplanes)为典型的发酵微生物，它们在缺氧条件下可以将大分子DON化合物水解为小分子[16]，这些微生物主要分布在活性炭孔隙结构和生物膜厚度内层。

图6 不同使用年限BAC微生物群落结构差异Fig.6 Differences in Structure of BAC Microbial Communities under Different Service Years

2.4.3 BAC对水中DON的控制效能及可能作用途径分析

综合上述结果可知，BAC对水中DON的控制效能及作用过程较复杂，与处理过程中活性炭的吸附性能、微生物生长特性及代谢途径紧密相关，可粗略分为去除和生成两个部分，两部分的具体分析如下。

DON的去除：基于水中含氮有机物的组成成分，其可以通过活性炭吸附、微生物的降解(氨化、亚硝化、硝化)以及同化作用等途径进行去除，且各途径在不同使用年限BAC净化过程中的贡献存在一定差异，并导致对DON控制效能的不同。

DON的生成：主要来自于微生物降解过程中代谢产物的生成和释放，净化过程中的DON生成量和释放量与活性炭颗粒上的生物种类、代谢途径、生物膜厚度及其变化情况直接相关。

BAC在不同使用年限时对DON的作用途径有一定差别。使用年限较短时，BAC的生物膜相对较薄、生物活性强、降解含氮有机物的微生物种类丰富，从而可以高效降低水中的含氮有机物并同化为微生物细胞，含氮类代谢产物的释放量较低，同时对DON具有较强的吸附去除作用，因此，对进水中的DON具有较好的去除效果；使用年限较长时，主体微生物种类丰度发生改变，且生物膜厚度显著增厚，可在较短时间内超过溶解氧和营养物质扩散的临界厚度，导致代谢过程中生成更多含氮类代谢产物进入水中，加之吸附作用较弱，导致DON整体去除效果较弱且易出现负去除现象。需要注意的是由于代谢过程中生成DON的组分与进水中的存在明显不同(图2、图3)，其消毒副产物生成势也有一定的差别，BAC处理对消毒副产物的控制效能尚需后续进一步细化研究。

3 结论

(1)BAC控制DON的效能随使用年限呈现下降的趋势，使用年限为0.3、2.0、5.0、10.0年的BAC在一个反冲洗周期中对DON的去除率分别为39.69%～66.96%、10.10%～39.78%、-4.18%～29.63%、-20.88%～19.87%。在夏季，使用年限超过5.0年的BAC和10.0年BAC在反冲洗周期后期出现负去除现象，去除率低至-20.88%。

(2)EEM和FTICR-MS分析结果表明，BAC工艺可以有效去除进水中的DON，但会生成脂质类、蛋白质/氨基糖类的SMPs，且生成量随使用年限呈现增加趋势。

(3)BAC的生物量、生物活性均随使用年限呈现一定的变化趋势。使用年限较长的BAC生物量较大，易导致生物膜厚度超过临界厚度，显著改变微生物的降解效率和代谢途径，导致EPS、SMPs等成分含量发生改变。

(4)BAC微生物群落随使用年限在门、属水平上均有一定程度的调整，变形菌门、厚壁菌门、放线菌门及 红假单胞菌属、Skermanella等门、属的微生物丰度随BAC使用年限明显增加，一定程度上影响了出水中DON的组分及含量。