孙丽华， 郗梓瑄， 刘烨辉， 张钼晞

(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室， 北京 100044； 2.北京建筑大学环境与能源工程学院， 北京 100044； 3.北京市交通委员会门头沟公路分局， 北京 102300)

城市污水厂二级出水再生回用是解决水资源危机的重要途径，然而城市污水厂二级出水中含有种类繁多的有机物、病原微生物等，若不加以处理，会对水环境和人类健康造成威胁。溶解性有机物不仅本身可能包含各种有害有机物，而且是许多重金属、持久性有机污染物的重要吸附载体[1]。病原微生物是再生水利用过程中导致人体健康风险的主要因素。条件致病菌是一类特殊的病原微生物，主要包括军团菌、铜绿假单胞菌等[2]。条件致病菌通常会在人的免疫力下降时引起人体感染发病[3]，可以导致庞蒂亚克热、退伍军人病、肺炎、外耳炎、囊性纤维化等一系列疾病。目前，由条件致病菌导致的人类健康问题受到普遍重视[4]。

因此，现采用慢滤-次氯酸钠(NaClO)消毒工艺处理污水厂二级出水，探究该工艺对二级出水中有机物和条件致病菌的去除效能，并对其影响因素进行分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用模拟二级出水，将实际生活污水依次经过1 mm、70 μm、40 μm的筛子进行过滤，筛去生活污水中的颗粒较大的杂质，之后用自来水(经48 h曝晒除氯)对其进行稀释，稀释倍数为10倍。模拟二级出水水质情况如表1所示。

表1 试验用水水质情况Table 1 Experimental water quality

1.2 试验装置与方法

慢滤试验装置如图1所示。慢滤滤柱总高度为65 cm，半径为40 mm，砾石有效填充高度为5 cm，粗砂有效填充高度为45 cm。由蠕动泵控制从滤柱顶部进水，距滤柱底部装有出水阀门，用以控制出水流速。试验过程中，生物膜慢滤采用人工接种方式挂膜。首先在柱2中投加一定量的活性污泥，然后再通入合成污水进行驯化，整个培养过程中的滤速为10 cm/h，对柱2进出水的CODcr浓度每两天进行检测，当上述污染物的去除率稳定时即认为生物膜已经成熟[12]。待生物膜成熟后，通入模拟二级出水进行实验，慢滤出水采用NaClO进行消毒，消毒反应时间为30 min。

图1 慢滤试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of slow filter experimental set-up

1.3 检测仪器与分析方法

溶解性有机物(dissolved organic compound，DOC)浓度检测采用总有机碳分析仪(vario TOC cube，elementar，德国)进行检测；三维荧光采用荧光分析仪光度计(Lumina型，Thermo，美国)进行检测，试验前将水样用0.45 μm的膜片进行过滤，以去除不溶性有机物，随后用荧光分析仪光度计对样品进行检测，设置发射波长(emission wavelength， EM)为200～450 nm，扫描步长为5 nm，激发波长(excitation wavelength， EX)为300～550 nm，扫描步长为1 nm；浊度采用便携式浊度仪(SGZ-200BS型，上海悦丰仪表有限公司，中国)进行检测；军团菌、铜绿假单胞菌的浓度采用荧光定量PCR仪(LightCycler480型，Rotkreuz，瑞士)进行检测；条件致病菌浓度检测过程中，取待测水样1 L，采用真空抽滤装置将水样中的菌种富集到0.22 μm的膜片上，使用DNA快速抽提试剂盒对膜片上的DNA进行提取，通过微量分光光度计(SMA4000型，美国)对所得DNA进行浓度和纯度的测定。

2 试验结果与分析

2.1 慢滤对水中有机物的去除效能

2.1.1 对溶解性有机物(DOC)的去除

试验过程中，对比了慢滤和生物膜慢滤在不同滤速条件下(5、10、20 cm/h)对水中DOC的去除效果，结果如图2所示。

由图2可知，模拟二级出水中DOC含量为11.4 mg/L，无生物膜慢滤在不同滤速条件下(5、10、20 cm/h)的滤后水中DOC浓度分别为7.8、8.2、8.3 mg/L，滤速对DOC的去除没有显著性影响，这是因为物理截留作用仅发生在过滤器表面，且与滤速无关[12]。在相同滤速下，生物膜慢滤对DOC的去除率高于无生物膜慢滤。其中，在5 cm/h的滤速条件下，无生物膜慢滤出水中对DOC的去除率为31.6%，而生物膜慢滤出水中DOC含量为4.8 mg/L，对DOC去除率为57.9%；在滤速为20 cm/h时，生物膜慢滤对DOC的去除效果最佳，滤后出水DOC浓度为3.6 mg/L，此时对DOC去除率为68.4%。

该结果说明生物膜慢滤中存在大量微生物。微生物在生物膜慢滤中可以分泌多聚糖等黏性物质将大分子有机物吸附去除，胞外酶可将吸附的大分子有机物分解为小分子有机物，微生物生长代谢需要小分子有机物提供物质能量，将部分小分子有机物分解成二氧化碳和水[13]，从而达到对DOC的去除。并且，滤速增加时，进水中更多的营养物质会被带到慢滤的更深层[14]，促进了深层次的生物膜成熟，使得对DOC的去除效果更好。

图2 不同慢滤柱在不同滤速下对DOC的去除情况Fig.2 Removal of DOC by different slow filtration columns at different filtration rates

2.1.2 对荧光特性有机物的去除

三维荧光光谱分析可将溶解性有机物进行分类，并通过荧光强度峰值进行量化。在滤速为20 cm/h的条件下，对不同慢滤柱的出水进行三维荧光检测，进一步探究慢滤与生物膜慢滤对溶解性有机物去除的影响，检测结果如图3和表2所示。

图3 不同慢滤柱出水的三维荧光光谱Fig.3 3D fluorescence spectra of effluent from different slow filter columns

表2 二级出水及不同慢滤柱出水中有机物荧光强度分布以及去除效果Table 2 Fluorescence intensity distribution and removal effect of organic matter in raw water and

如图3和表2所示，Ⅰ、II区分别代表代表酪氨酸类蛋白质有机物、色氨酸类有机物，二级出水这两区荧光强度很弱，说明二级出水中酪氨酸类蛋白质有机物、色氨酸类有机物含量很少。III、IV、V区分别代表富里酸类有机物、微生物副产物类有机物、腐殖酸类有机物，二级出水中3个区域荧光强度较为明显，峰强分别为128 948.8、661 939.6、4 208 238.6，说明二级出水中上述3种物质含量较多，且腐殖酸类有机物含量最多。

二级出水经慢滤处理后，对富里酸类有机物、微生物副产物类有机物、腐殖酸类有机物的去除率分别为2.9%、11.5%、8.9%，说明物理截留对上述3类有机物有一定的去除效果，且对微生物代谢副产物有机物的去除率最高。生物膜慢滤对各类有机物的处理效果均比慢滤更好，对富里酸类有机物、微生物副产物类有机物、腐殖酸类有机物的去除率分别为23.6%、32.3%、45.4%，说明微生物在去除不同溶解性有机物上发挥了重要的作用，并且在生物膜中异养微生物数量较多，从而降解了二级出水中的溶解性有机物。

2.2 慢滤对浊度的去除效果

根据散射光理论，浊度在一定程度上可作为水中颗粒物质的替代参数，并且是一个重要的综合性指标[15]。因此，在慢滤运行稳定后，控制滤速分别为5、10、20 cm/h，检测不同慢滤柱进出水的浊度，探究不同慢滤柱在不同滤速下对浊度去除的影响，结果如图4所示。

结果表明，二级出水中的浊度为7.0 NTU。慢滤和生物膜慢滤在不同滤速条件下，滤速越小，滤后水中的浊度值越低。其中，慢滤在5、10、20 cm/h的滤速下，出水中的浊度为1.9、2.5、2.8 NTU，对浊度的去除率分别为72.7%、64.0%、59.7%。这是因为滤速越小，水流对滤料及生物膜的冲击越小，颗粒物质越容易粘附在滤料及生物膜表面；滤速增大时，水流对滤料及生物膜的冲击越大，水流剪力可造成附着在滤料颗粒及生物膜表面的大分子颗粒物质及微生物脱落，最终使得出水浊度增加[16]。

在相同滤速下生物膜慢滤对浊度的去除率要高于无生物膜慢滤。在5 cm/h的滤速下慢滤出水浊度为1.9 NTU，生物膜慢滤出水中浊度为0.5 NTU。说明浊度的去除不仅仅是靠物理截留和物化颗粒粘附作用，生物膜还对浊度的去除有一定的影响，这是因为生物膜表面具有大量的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)，增强慢滤的絮凝作用，使水中的浊度颗粒更易被粘附去除[16]。

图4 不同慢滤柱对浊度的去除情况Fig.4 Removal of turbidity by different slow filter columns

2.3 生物膜慢滤-消毒对条件致病菌的去除效果

2.3.1 消毒剂投加量的确定

消毒剂的投加量可以直接影响到条件致病菌的灭活效果。在5 cm/h滤速条件下，将生物膜慢滤出水采用不同剂量NaClO(2、4、8、16 mg/L，以有效氯计)进行消毒，消毒前后水中军团菌和铜绿假单胞菌含量检测结果如图5所示。

由图5可以看出，经NaClO处理后，生物膜慢滤出水中的军团菌和铜绿假单胞菌浓度有所降低；并且随着NaClO投加量(以有效氯浓度计)增加，军团菌和铜绿假单胞菌浓度呈降低明显。这是因为NaClO加入水中后会生成HClO，低浓度HClO无法到达细胞质并导致 DNA 受损，而高浓度HClO可以穿透细胞壁进入细胞内部，与核酸和酶等发生氧化反应，较高程度地破坏DNA[17]。当有效氯浓度为8.0 mg/L时，水样中的军团菌、铜绿假单胞菌丰度分别为(2 680±134)、(9±1)copies/mL，去除率分别为73.0%、57.8%；当有效氯浓度增值16 mg/L时，条件致病菌浓度有所降低，但变化不大。因此，试验过程中，确定NaClO的最佳投加量为8.0 mg/L(以有效氯浓度计)。

2.3.2 生物膜慢滤-消毒对条件致病菌的去除

在最佳滤速5 cm/h、NaClO投加量8.0 mg/L(以氯计)条件下，对生物膜慢滤出水用NaClO进行消毒处理，军团菌和铜绿假单胞菌去除效能如图6所示。

图5 消毒剂投加量对条件致病菌去除的影响Fig.5 Influence of disinfectant dosage on removal of opportunistic pathogens

图6 生物膜慢滤-消毒组合工艺对条件致病菌的去除效能Fig.6 Removal efficiency of biofilm slow filtration-disinfection combined process on opportunistic pathogens

结果表明，生物膜慢滤-次氯酸钠消毒组合工艺对条件致病菌的去除有着较好的去除效能，这是生物膜慢滤和消毒共同作用的结果。生物膜慢滤-NaClO对二级出水中军团菌与铜绿假单胞菌去除率分别为96.3%、97.3%。条件致病菌通过迁移脱离水流流线而向滤料颗粒及生物膜表面靠近，进而被粘附在滤料表面及生物膜上，通过生物净化而被去除[18]；而没被慢滤去除的条件致病菌会被后续的消毒工艺灭活，NaClO加入慢滤出水中后可以破坏细胞壁、改变渗透压、与核酸和酶等进行反应，进而去除条件致病菌。

2.3.3 消毒剂对于不同存在形态条件致病菌的去除

有研究表明，水样中条件致病菌的存在形态可分为颗粒粘附态和自由悬浮态[19]，但目前消毒剂对不同形态条件致病菌去除情况鲜见研究。为了更深一步探究消毒剂对慢滤出水中不同存在形态条件致病菌去除的影响，将生物膜慢滤出水经8.0 mg/L NaClO(以氯计)消毒后，检测水样中不同形态军团菌、铜绿假单胞菌的丰度，结果如图7所示。

图7 消毒剂对慢滤出水中不同形态条件致病菌去除情况Fig.7 Removal of opportunistic pathogens in different forms of slow filtration water by disinfectant

由图7可知，二级出水中不同类型条件致病菌，颗粒态的含量高于自由态；生物膜慢滤出水中颗粒粘附态、自由悬浮态军团菌的含量分别为(5 670±170)、(4 270±128) copies/mL，生物膜慢滤出水中颗粒粘附态、自由悬浮态铜绿假单胞菌的含量分别(13.5±0.4)、(8.6±0.3) copies/mL；NaClO对生物膜慢滤出水中颗粒粘附态、自由悬浮态军团菌的去除率为79.2%、89.7%，对颗粒粘附态、自由悬浮态铜绿假单胞菌的去除率为61.5%、83.3%。这说明生物膜慢滤对不同形态条件致病菌都有很好的去除效果，NaClO消毒对不同存在形态的条件致病菌有一定的控制作用，但是相较于颗粒粘附态，NaClO对于自由悬浮态的条件致病菌去除率更高。这可能因为在条件致病菌形成颗粒粘附态的过程中，条件致病菌会在颗粒物上进行粘附生长，从而增强了颗粒粘附态条件致病菌的抗氯性[20]。

2.4 消毒剂对条件致病菌去除效果的影响因素

NaClO水解后会生成次氯酸(HClO)和氢氧化钠，其中HClO起主要消毒作用，而pH、温度是影响HClO处理效果的重要因素，因此试验研究pH和温度对NaClO灭活慢滤出水中条件致病菌的影响。

2.4.1 pH

向生物膜慢滤出水中投加稀硫酸、氢氧化钠来调节pH，使得生物膜慢滤出水中的pH分别为3、7、11，在NaClO的有效氯浓度为8.0 mg/L的条件下，分别检测水样中条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)和大肠杆菌的丰度，结果如图8所示。

由图8可知，较高pH水样中检测出的条件致病菌浓度较多，NaClO去除条件致病菌的效能降低。当pH=3时，NaClO处理后水样中军团菌、铜绿假单胞菌浓度分别为(2 540±127)、(8±1) copies/mL；当pH=11时，NaClO处理后水样中军团

图8 pH对NaClO去除慢滤出水中条件致病菌的影响Fig.8 The effect of pH on the removal of opportunistic pathogens from slow filtration water by NaClO

菌、铜绿假单胞菌浓度分别为(4 210±206)、(11±1) copies/mL。这是因为NaClO加入慢滤出水中后会发生水解，NaClO+H2O=HClO+NaOH，pH越低，水解生成的HClO越多；再者，HClO在水中存在着电离平衡HClO=H++ClO-，pH越低HClO的比例越高。由于HClO是NaClO灭菌的主要成分，可以渗入细胞并改变细胞渗透压，导致条件致病菌失活，故pH越低，NaClO对条件致病菌的处理效果越好[21-22]。

2.4.2 温度

试验过程中，调整生物膜慢滤出水温度分别为4、25、40 ℃，在NaClO最佳投加量的有效氯浓度为8.0 mg/L的条件下，分别检测水样中条件致病菌(军团菌、铜绿假单胞菌)的丰度，结果如图9所示。

由图9可知，较高温度水样中检测出的条件致病菌浓度较低，NaClO去生物膜慢滤出水中条件致病菌的效果增强。当慢滤出水温度为40 ℃时，NaClO处理后水样中军团菌、铜绿假单胞菌的浓度分别为(4 170±208)、(10±1) copies/mL；而当慢滤出水温度下降至4 ℃时，NaClO处理后水样中军团菌、铜绿假单胞菌的浓度分别为(2 240±112)、(7±1) copies/mL。这是因为较高温度下NaClO的氧化速率较快[23]，从而增强了条件致病菌的去除效果。

图9 温度对NaClO去除慢滤出水中条件致病菌的影响Fig.9 Effect of temperature on the removal of opportunistic bacteria in slow filtration water by NaClO

3 结论

(1)相同滤速下，生物膜慢滤对DOC的去除效果优于慢滤；滤速为20 cm/h时对DOC的去除效果最佳，此时生物膜慢滤对二级出水中DOC的去除率为68.4%；生物膜慢滤对各类有机物的处理效果均比慢滤好，对富里酸类有机物、微生物副产物类有机物、腐殖酸类有机物的去除率分别为23.6%、32.3%、45.4%。

(2)相同滤速下，生物膜慢滤对浊度的去除效果优于慢滤；滤速越小慢滤出水中浊度的去除效果越好。

(3)在NaClO最佳投加量8.0 mg/L(以有效氯浓度计)条件下，生物膜慢滤-次氯酸钠消毒组合工艺可以有效去除二级出水中的条件致病菌，对二级出水中军团菌与铜绿假单胞菌去除率分别为96.3%、97.3%，NaClO消毒对自由悬浮态条件致病菌的去除效果较颗粒态更优；并且，较低pH和较高水温有利于NaClO对水中条件致病菌的去除。