, 赵元琛, 黄一荻, 夏圣骥
同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
收稿日期: 2019-06-27; 修回日期: 2019-08-23; 录用日期: 2019-08-23
基金项目: 国家科技重大专项(No.2017ZX07201002);常州市太湖流域水源饮用水安全保障技术与应用示范
作者简介: 梁心怡(1995-), 女, E-mail:lxyhitm@163.com
通讯作者（责任作者）: 夏圣骥, E-mail:xiashengji@tongji.edu.cn
摘要: 为了探究面向长江水源的臭氧-生物活性炭深度处理工艺的挂膜技术，进行了长江原水常州段的臭氧-生物活性炭挂膜中试研究.结果表明，在挂膜前期，由于炭柱的物理吸附作用逐渐饱和，炭柱对DOC（溶解性有机碳）、UV254和CODMn（高锰酸盐指数）的去除率逐渐降低，对氨氮几乎没有去除，在挂膜中后期，由于活性炭上生物膜逐渐成熟，生物降解起主导作用，有机物和氨氮去除率升高并趋于稳定.90 d后，炭柱对DOC、UV254和CODMn这3个有机物指标的去除率分别稳定在30.64%、57.50%和30.00%以上，氨氮去除率稳定在88.93%左右，认为挂膜成功.扫描电镜图显示活性炭表面出现丰富的菌胶团，同时高通量测序也验证了活性炭中丰富多样的微生物群落结构.
关键词:臭氧-生物活性炭挂膜长江水中试
Pilot-scale study on biofilm formation in ozone-biological activated carbon process treating raw water from the Yangtze River
LIANG Xinyi
, ZHAO Yuanchen, HUANG Yidi, XIA Shengji College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092
Received 27 June 2019; received in revised from 23 August 2019; accepted 23 August 2019
Abstract: In order to explore the biofilm formation technology of ozone-biological activated carbon advanced treatment process for Yangtze River water, pilot-scale ozone-biological activated carbon biofilm formation technology in Changzhou section of Yangtze River was studied. The results show that the removal rates of DOC, UV254 and CODMn by activated carbon decrease gradually and ammonia nitrogen is hardly removed in the early stage of biofilm formation because of the saturation of physical adsorption of activated carbon. In the middle and late stage of biofilm-forming, biodegradation plays a dominant role. The removal rates of organic matter and ammonia nitrogen increase and tend to be stable due to the maturation of biofilm on activated carbon. After 90 days, the removal rates of DOC, UV254 and CODMn by activated carbon are over 30.64%, 57.50% and 30.00% respectively, and the removal rate of ammonia nitrogen is about 88.93%. It is considered that the biofilm formation has been successful. Scanning electron microscopy shows that there are abundant microbial micelles on the surface of activated carbon, and high throughput sequencing also verifies the rich and diverse microbial community structure in activated carbon.
Keywords: ozone-biological activated carbonbiofilm formationYangtze Riverpilot study
1 引言(Introduction)近年来, 随着经济的发展带来的环境污染越发严重, 水体中出现了传统工艺难以去除的新兴污染物, 例如药物、个人护理品和内分泌干扰物等.另一发面, 随着水处理技术的发展和人民生活水平的提高, 人们对于饮用水的使用提出了更高的要求.传统的水处理工艺已难以满足新的要求, 因此深度水处理工艺(臭氧活性炭技术、膜技术)受到了越来越广泛的关注.
臭氧-生物活性炭工艺结合了臭氧的化学氧化作用、活性炭的物理吸附作用和生物降解作用.难降解的大分子有机物经臭氧氧化分解为小分子有机物, 从而可以被活性炭吸附并被微生物降解, 同时臭氧转化为氧气, 增加了水中的溶解氧, 利于微生物生长.臭氧生物活性炭工艺高效去除水中溶解性有机物和氨氮等污染物, 改善色度、嗅和味等多项水质感官指标, 提升水质, 已得到广泛研究与应用(陈义春等, 2015).嘉兴石臼漾水厂通过采用催化氧化-BAC深度处理技术, 使氨氮总去除率>95%, CODMn去除率达60%~ 80%(查人光等, 2007).太湖下游某水厂臭氧-生物活性炭深度处理工艺使CODMn、TOC和UV254去除率为19.2%、10.4%和23.0%, 并能有效去除多环芳烃和有机氯农药(兰亚琼等, 2018).
一般臭氧-生物活性炭工艺针对太湖水、嘉兴等地有机物含量高、营养物质多的水源, 而对于低有机负荷的长江水的应用较少, 本文进行了针对长江原水常州段的臭氧-生物活性炭挂膜中试研究, 形成了面向长江水源的臭氧-生物活性炭深度处理工艺的启动技术.
2 试验材料与方法(Materials and methods)2.1 试验装置臭氧-生物活性炭深度处理进水取自长江水常州段原水经过混凝、沉淀和过滤的出水, 进水经过臭氧氧化后进入生物活性炭滤池, 后续用砂滤池拦截.滤柱的内径为380 mm, 高为3 m, 活性炭层高为1.55 m, 承托层为石英砂, 厚为0.2 m.活性炭采用果壳颗粒炭.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 中试工艺流程 Fig. 1Process flow of pilot test |
2.2 进水水质挂膜期间炭柱进水水质如表 1所示.原水水质总体良好, 基本符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类标准, 部分指标在Ⅱ类标准以上.
表 1(Table 1)
| 表 1 进水水质指标 Table 1 The influent water quality parameter | ||||||||||||||
表 1 进水水质指标 Table 1 The influent water quality parameter
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2.3 试验方法挂膜期间炭柱进水流量为0.7 m3·h-1, 反应器运行总时间约35 min, 空床停留时间为15 min, 反冲洗强度为10~15 L·m-2·s-1, 反冲洗时间为10 min, 反冲洗周期为8 d, 采用上流式水冲洗, 臭氧投加量为0.5 mg·L-1, 挂膜期间每天取炭柱进出水检测相关指标.根据水质指标去除情况挂膜实验持续100 d, 挂膜前期46~55 d, 挂膜后期55~100 d.
浑浊度：WTW Turb555IR浑浊度分析仪；溶解氧：WTW Multi 3430多参数水质分析仪；CODMn：酸性高锰酸钾滴定法；UV254：UV765紫外-可见分光光度计；DOC：岛津TOC-L CPH总有机碳分析仪；SEM：Phenom Pro扫描电子显微镜.
扫描电子显微镜(SEM)是利用精细聚焦的电子束扫描样品表面, 从而获得其形貌信息的电子显微镜, 能产生样品表面的高分辨率图像.本实验采用荷兰Phenom Pro扫描电子显微镜(FE-SEM), 样品干燥并镀金后, 来观察膜的表面和断面形貌.
微生物群落结构的分析在实验开始后163 d取样, 取炭柱上中下层高度的微生物样品, 其中上层样品距活性炭柱表层5 cm, 中层样品距离65 cm, 下层样品距离125 cm.采用的方法是基于Illumina测序平台的高通量测序方法, 委托美吉生物进行检测分析.
首先根据实验要求从生物活性炭柱内取出样品, 完成基因组DNA抽提, 利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA.然后进行PCR扩增, 按指定测序区域, 合成带有barcode的特异引物.PCR采用TransGen AP221-02:TransStart Fastpfu DNA Polymerase, PCR仪采用ABI GeneAmp 9700型.全部样本按照正式实验条件进行, 每个样本3个重复, 将同一样本的PCR产物混合后用2%琼脂糖凝胶电泳检测, 参照电泳初步定量结果, 将PCR产物用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统进行检测定量, 相应比例的混合.随后进行Miseq文库构建和上机测序.
Miseq测序得到的PE reads首先根据overlap关系进行拼接, 同时对序列质量进行质控和过滤, 区分样本后进行OTU聚类分析.本文数据分析主要采用Alpha多样性分析, 是指一个特定区域或者生态系统内的多样性, 常用的度量标准有Chao、Shannon、Ace、Simpson.其中Chao和Ace用于计算菌群丰度, 值越高则表明群落丰富度越高.Simpson和Shannon用于计算菌群多样性, Simpson值越大, 表明群落多样性越低, Shannon值越大, 说明群落多样性越高(周常等, 2018).
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 对氨氮的去除由图 2可知, 原水的氨氮较低, 在0.07~0.22之间浮动, 在挂膜前期活性炭对氨氮几乎不去除, 这是因为活性炭主要吸附疏水性物质, 而氨氮是亲水性小分子, 因此活性炭不能很好实现物理吸附作用.随着挂膜时间延长, 活性炭表面逐渐形成生物膜, 出现硝化菌和亚硝化菌, 硝化作用开始发挥作用, 氨氮去除率逐渐升高, 稳定在88.93%左右, 几乎能去除全部氨氮.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 对氨氮的去除情况 Fig. 2Variation of NH3-N removal rates with running time |
3.2 对DOC的去除由图 3可知, 挂膜期间原水DOC在1.4~2.6之间浮动, 从挂膜开始至46 d挂膜前期炭柱对DOC的去除率呈下降趋势, 而在挂膜中后期46~100 d, 炭柱对DOC的去除率逐渐上升并有稳定趋势.出现这一现象的原因是挂膜前期依靠活性炭物理吸附溶解性有机物, 随着时间延长, 活性炭吸附作用逐渐饱和, 同时生物膜尚未成熟, 因此去除率呈下降趋势.而在挂膜后期, 生物膜逐渐成熟, 依靠生物降解作用去除DOC, 使DOC去除率逐渐升高并稳定在30.64%左右.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 对DOC的去除情况 Fig. 3Variation of DOC removal rates with running time |
3.3 对UV254的去除由图 4可知, 原水UV254在0.014~0.034之间浮动, 活性炭的多孔性结构, 使它对疏水性、紫外吸收强的苯类化合物和相对分子质量小的腐殖质类有机物有很好的吸附去除作用(贺道红等, 2006).挂膜期间对UV254的去除率和DOC去除率呈现一样的变化趋势.在挂膜前期, 对UV254的去除率高达70%, 之后随着活性炭吸附饱和, 去除率不断下降, 在挂膜后期, 依靠生物膜的降解作用协同物理吸附, 去除率逐渐上升并稳定在57.50%左右.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 对UV254的去除情况 Fig. 4Variation of UV254 removal rates with running time |
3.4 对CODMn的去除由图 5可知, 原水中CODMn在1.2~1.8之间浮动, 在挂膜前期, 由于活性炭物理吸附作用逐渐饱和, 对CODMn的去除率逐渐降低, 在挂膜后期, 活性炭生物降解起主导作用, 去除率逐渐升高达30%以上.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 对CODMn的去除情况 Fig. 5Variation of CODMn removal rates with running time |
3.5 不同阶段活性炭的表观形态挂膜不同阶段活性炭的扫描电镜图如图 6a~6f所示.由图 6a~6b可知, 原生活性炭表面有丰富密集的多孔结构, 验证了活性炭具有良好的吸附能力, 也解释了挂膜初期对DOC、UV254和CODMn良好的去除作用.图 6c~6d展示了挂膜中期的活性炭表面形态, 可见活性炭表面被大量有机物覆盖, 这也解释了由于活性炭吸附位点有限而使有机物吸附作用达到饱和, 去除率逐渐下降.图 6e~6f为挂膜后期的活性炭表面形态, 可见活性炭表面覆盖了大量絮状物, 彼此粘连重叠, 推断其可能为菌胶团, 即有机物与微生物的混合物.这也说明了挂膜后期由于生物降解作用加强, 有机物去除率升高.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 不同阶段活性炭的扫描电镜图 (a~b.新炭, c~d.中期, e~f.后期) Fig. 6Scanning electron microscope pictures of biological activated carbon in different periods |
3.6 微生物多样性分析挂膜后期微生物群落丰度如图 7a~7b所示, 由Chao指数可知, 炭柱微生物群落丰度中层>上层>下层, Ace指数显示的结果与Chao相一致.微生物群落多样性如图 7c~7d所示, 由Simpson指数可知, 炭柱微生物群落多样性上层>中层>下层, 而由Shannon指数可知, 群落多样性为中层>上层>下层, 综合来看可知上中层多样性高于下层.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 活性炭样品微生物群落的丰度指数Chao(a)、Ace(b)和多样性指数Shannon(c)、Simpson(d) Fig. 7Abundance index Chao (a), Ace (b) and diversity index Shannon (c) and Simpson (d) of microbial community in activated carbon samples |
挂膜后期共检测到30个门、70个纲、181个目、604个属和957个种级别的微生物, 活性炭不同高度样品在门、纲、目和属水平上的物种相对丰度如图 8a~8d所示.
图 8(Fig. 8)
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| 图 8 挂膜后期各活性炭柱样品的物种相对丰度 (a.门水平, b.纲水平, c.目水平, d.属水平) Fig. 8Relative community abundance of activated carbon samples at the later stage of film-forming |
在门分类水平上, 由图 8a所示, 活性炭上层的优势菌群为变形菌门和放线菌门, 分别占57.86%和16.97%, 中层的优势菌群为变形菌门和厚壁菌门, 分别占37.55%和23.14%, 下层的优势菌群为变形菌门和绿弯菌门, 分别占70.82%和9.14%.总体来看, 在不同高度变形菌门都占据了绝对优势.
在纲分类水平上, 由图 8b所示, 活性炭上层优势菌群为α-变形菌和γ-变形菌, 分别占29.17%和27.88%, 中层的优势菌群为γ-变形菌和杆菌, 分别占24.95%和17.48%, 下层的优势菌群为γ-变形菌和α-变形菌, 分别占46.61%和23.18%.
在目分类水平上, 由图 8c所示, 活性炭优势菌群为β-变形菌目、根瘤菌目、贝氏菌目和乳杆菌目.在属分类水平, 由图 8d所示, 活性炭优势菌群为未命名菌(norank_f_Beggiatoaceae)、乳酸杆菌属、未命名菌(norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis)和Candidatus_Nitrotoga.
3.7 挂膜成熟的指标表征张东等认为受污染原水的生物处理常用有机物去除率或氨氮去除率作为生物膜是否成熟的标志(张东等, 2001).在本次挂膜实验中, 原水中氨氮浓度较低, 单纯以氨氮去除率作为挂膜成功的指标是不可靠的, 因此应结合氨氮和有机物去除率多个指标一起分析.由图 2~5可知, 经过90 d左右, 氨氮去除率稳定在88.93%左右, 而同样经过90 d后, 对于DOC、UV254和CODMn这3个有机物指标的去除率分别稳定在30.64%、57.50%和30.00%以上.此外作为挂膜成功的另一个标志, 就是扫描电镜图显示活性炭表面出现丰富的菌胶团, 同时高通量测序也验证了活性炭中存在丰富的微生物群落结构.
4 结论(Conclusions)1) 挂膜期间, 炭柱对氨氮的去除率呈现逐渐升高的趋势, 这是由于硝化菌和亚硝化菌开始生长, 硝化作用逐渐形成.
2) 挂膜前期, 炭柱对DOC、UV254和CODMn的去除率不断降低, 这是由于前期活性炭物理吸附逐渐饱和, 挂膜后期去除率不断升高并趋于稳定, 这是因为活性炭上的生物膜逐渐成熟, 发挥生物降解作用去除有机物.
3) 经过90 d, 炭柱对DOC、UV254和CODMn这3个有机物指标的去除率分别稳定在30.64%、57.50%和30.00%以上, 氨氮去除率稳定在88.93%左右, 认为挂膜成功.
4) 90 d后, 扫描电镜图显示活性炭表面出现丰富的菌胶团, 同时高通量测序也验证了活性炭中存在以变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和绿弯菌门为优势菌群的微生物群落结构.
参考文献
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| 兰亚琼, 刘锐, 马正杰, 等. 2018. 臭氧-生物活性炭对微污染原水中典型持久性有机物的去除效果[J]. 环境科学, 2018, 39(12): 5541–5549. |
| 周常, 蔡广强, 张金松, 等. 2018. 湿热地区O3/BAC工艺的微生物多样性解析[J]. 中国给水排水, 2018, 34(11): 45–50. |
| 贺道红, 高乃云, 曾文慧, 等. 2006. 生物活性炭深度处理工艺挂膜研究[J]. 工业用水与废水, 2006, 37(2): 16–19.DOI:10.3969/j.issn.1009-2455.2006.02.004 |
| 张东, 许建华. 2001. 受污染原水的弹性填料生物接触氧化处理挂膜试验研究[J]. 重庆环境科学, 2001, 23(1): 59–61+75.DOI:10.3969/j.issn.1674-2842.2001.01.021 |
