净水技术|生物活性炭对典型水媒病原菌的去除作用及其迁移特征|细菌|铜绿_04活性炭的净水作用

时间:2021年12月07日 08:41:26
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微生物是表征饮用水安全性的重要指标,饮用水中最常见、最普遍的风险来自由致病性细菌、病毒和寄生虫引起的传染病。由于目前我国水源污染的普遍性和严重性,生物活性炭工艺在水厂的应用日益广泛。研究表明,活性炭层中积累了大量附着微生物的生物颗粒,这些颗粒部分会随着水流进入出水,附着在活性炭颗粒上的细菌是水厂出水中微生物的重要来源,由于原水易受市政生活污水污染,普遍存在大肠杆菌等病原微生物,对于病原微生物进入活性炭滤池后,是否会穿透和繁殖,及是否会引起饮用水的安全风险,目前研究甚少。

本文选择了供水系统中常见的3种代表性病原菌,采用配水投加的方法,在中试装置上模拟研究受污染水冲击式地进入生物活性炭滤池后,病原菌在生物活性炭上的截流、释放及迁移特点,旨在分析生物活性炭对水质微生物风险的影响,为水厂遇到类似突发事件提供处理处置的科学依据。

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活性炭对病原菌的截流和去除作用

通过进水储罐投加到活性炭柱上的病原菌,一部分被活性炭吸附和截留,另一部分则穿透活性炭随出水流出。

图1 投加期间活性炭对3种不同病原菌的去除效果

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炭层上截留病原菌向水中的释放和迁移

图2 穿透活性炭柱的病原菌的含量变化趋势

活性炭柱出水中3种病原菌浓度的变化趋势基本一致,呈对数规律迅速下降。当水厂活性炭池进水受某些病原菌冲击性污染时,即使污染源被切断,在近半个月后,炭池出水仍然存在病原微生物暴露风险,需要特别加以关注。

根据活性炭出水中病原菌的浓度水平,可以将病原菌由活性炭向水体的迁移分为3个不同阶段,分别为初期、中期和末期。初期为冲击式污染后的12 h以内,水质安全风险极大;泄露中期为12~120 h;泄露末期为120~360 h。

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病原菌在炭层中的分布和迁移

图3 投加2 h时活性炭层上的病原菌含量分布

炭层上病原菌的迁移和繁殖情况 与炭柱出水中病原菌含量的变化趋势相似,3种病原菌在各炭层上的含量随活性炭柱运行时间的增加而急剧降低。说明,外加病原菌在贫营养的生物活性炭中无法生长繁殖,但是,铜绿假单胞菌的变化趋势与另外两种病原菌的变化趋势明显不同,其上、中、下层的峰值变化,呈现出明显的从上向下的迁移特征,而另外两种病原菌的含量呈现单向下降,没有出现峰值。

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病原菌泄露风险控制

如前所述,病原菌进入到活性炭柱,0.4 h后即在出水中检测出穿透。在没有反冲洗的情况下,活性炭柱出水中持续15 d检测出病原菌,说明存在比较大的水质微生物安全风险。事实上,水厂活性炭池都会定期进行反冲系,反冲洗周期为3~7 d,夏天反冲洗周期较短,冬季较长。但是,研究表明,反冲洗对活性炭上附着的微生物作用有限,一般在10%~20%,且被冲洗出去的主要是悬浮状态的微生物。因此,炭池反冲洗不能有效控制活性炭池出水的微生物风险。

由于水厂炭池出水后均有消毒工艺,采用水厂常用的消毒剂氯气对3种病原菌进行灭活试验,加氯量为0.5 mg/L。 试验结果表明,投加0.5 mg/L 的氯气,接触时间6 min以上,对试验的3种病原菌的灭活效果都在3 log以上,即达到99.9%以上。因此,及时发现风险,在后续工艺中强化消毒措施,完全能够有效控制因病原菌穿透活性炭池而发生的微生物风险。

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讨论

生物活性炭作为病原菌去除屏障的可行性

目前,国内大部分采用活性炭处理工艺的水厂将活性炭池置于砂滤池之后,且有些炭池前的臭氧工艺未正常使用或无臭氧工艺。研究结果表明,活性炭池对病原菌有一定的去除作用,但去除作用有限。对肠出血大肠菌去除效果最好, 去除率为0.73~1.07 log,平均值为0.83 log;铜绿假单胞菌的去除率为0.31~2.52 log,平均值为0.62 log;伤寒沙门氏菌去除率为0.41~0.81 log,平均值为0.56 log,后两种肠道杆菌的试验结果与Hijnen等对E. Coli的试验结果(去除率为0.1~1.1 log)基本一致。因此,当活性炭池进水受到病原菌的冲击式污染时,存在极大的穿透和暴露风险,且持续时间长,必须强化后续的消毒措施。

病原菌在活性炭中的生长和繁殖

Camper等的研究表明,活性炭表面所附着细菌群落的土著菌种对其他外来菌种存在抑制作用,使其在活性炭颗粒上的生长繁殖受到抑制,其对抗机制可能包括营养竞争、损伤以及产生化学物质抗菌。本研究中,病原菌投加前活性炭上生物量达到了108 CFU/(g活性炭)水平,以变形菌为优势菌群,导致营寄生、对营养要求高的肠道致病菌在贫营养的生物活性炭上不易存活和生长,因此,活性炭上截留的肠出血大肠菌和伤寒沙门氏菌量迅速衰减;铜绿假单胞菌为专性需氧的条件致病菌菌,对营养要求不高,适应能力较肠道菌强,因此,炭层上截留的细菌量下降较为缓慢,且出现了峰值迁移现象,但Yvonne等的研究认为,铜绿假单胞菌等病原菌在与生物活性炭炭层土著菌的营养竞争中仍处于劣势,不能存活而被淘汰,与本文的研究结果一致。因此,研究的3种病原菌在生物活性炭上都没有出现生长和繁殖的现象。

结论

(1)生物活性炭对水中铜绿假单胞杆菌(Pseudomonasaeruginosa)、伤寒沙门氏菌(Salmonella typhoid)和肠出血性大肠杆菌O157∶H7 (Enterohemorrhage E. Coli) 等3种病原菌都有一定的截留和去除作用,但去除作用很有限,平均去除率均不到1 log。

(2)被活性炭截留的病原菌主要分布在活性炭床的上层,中层和下层较少,且没有明显的密度差异。被截留的病原菌大部分在水流冲刷过程中逐步释放到水中,最终迁移到水相中的铜绿假单胞菌、伤寒沙门氏菌、肠出血大肠杆菌分别占各自投加总量的81.7%、55.1%与82.9%,其余部分在炭柱运行过程中自然衰亡。

(3)3种病原菌冲击性进入活性炭后,受土著微生物的竞争限制,都没有发生明显的生长和繁殖。

(4)活性炭池出现文中3种病原菌泄露问题时,强化炭池后出水的消毒工艺,能够有效控制水质微生物风险。

刘丽君1,李 拓2,张金松1

(1.深圳市水务有限公司,广东深圳 518031;2.广州市市政工程设计研究总院,广东广州 510600)

注:本文发表在《净水技术》2020年第2期“净水技术前沿与研究综述”

排版:西贝

校对:黎翔

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