中國西安城市污水處理廠微生物氣溶膠的排放特性1

1、中國西安城市污水處理廠微生物氣溶膠的排放特性Yangpeng Li，Liwei Yang，Qinglomg Meng，Xionghui Qiu，Yujie Feng1學(xué)校中國西安長安大學(xué)710054環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2重點實驗室中國西安教育部710054地下水文與生態(tài)干旱地區(qū)3國家重點實驗室中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)150090城市水資源與水環(huán)境摘要為了表征中國廣泛使用的城市污水處理廠中微生物氣溶膠的排放特征，安德森六階段沖擊器和培養(yǎng)方法被西安污水處理廠采用，以確定西安夏天污水處理廠氧化溝空氣中的真菌和放線菌的存活細(xì)菌的濃度和大小分布。結(jié)果表明，每一個的空氣中的微生物的濃度和粒度分布在污水處理過程中的

2、不同階段變化很大，污泥脫水間中細(xì)菌和放線菌的最高濃度分別為7866970 CFU/立方米和2139229 CFU/立方米，而氧化溝中真菌的最高濃度為2156119 CFU/立方米。粒度分布表明，對于空氣中的放線菌，細(xì)菌和真菌類似單峰圖案。另一個重要的發(fā)現(xiàn)是，大約52的空氣中的細(xì)菌，62的空氣中傳播的真菌和65的空氣中傳播的放線菌吸入的大小范圍（小于3.3微米），這表明大多數(shù)城市污水處理廠的微生物氣溶膠可以很容易地滲透到人類肺泡。最后，發(fā)現(xiàn)平均直徑不同的微生物氣溶膠個數(shù)的順序在每個相位是類似的，即空氣中的細(xì)菌空氣中真菌空氣中的放線菌。這意味著，從城市污水處理廠發(fā)出的空氣放線菌與細(xì)菌和真菌相比可能

3、對公眾健康和城市空氣質(zhì)量相比有顯著的影響。關(guān)鍵詞：城市污水處理廠;微生物氣溶膠;排放特性;粒度分布;放線菌。1. 簡介最近隨著城市化進(jìn)程的加快，在中國越來越多的城市污水處理廠（MSTP）已建成并投入運行。其結(jié)果是，許多城市污水處理廠及相關(guān)污水處理工程包圍新建住宅和購物區(qū)。在這種情況下，城市污水處理廠的選址問題不僅要考慮頻繁的惡臭方面，而且還有不明來歷的間歇性腸道疾病的相關(guān)綜合征在附近居民中出現(xiàn)（Stellacci等，2010）。在保護(hù)水環(huán)境處理污水的過程中，污水處理廠也已證明，已產(chǎn)生一些有害空氣污染物，例如微生物的氣溶膠，從而受到公共越來越多的關(guān)注(Pascual et al., 2003;

4、Fracchia et al., 2006; Heinonen-tanski et al., 2009)。污水是眾所周知的含有高數(shù)量的病原體如病毒，細(xì)菌和真菌。在處理過程中的許多階段難免會導(dǎo)致這些微生物的氣溶膠的產(chǎn)生，特別是在那些含有通氣和機械攪拌操作的階段中 (Fernando and Fedorak, 2005; Snchez-Monedero et al., 2008)。所以，從城市污水處理廠產(chǎn)生的微生物氣溶膠可能會對人體健康和空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響（Brandi et al., 2000; Thorn and Kerekes, 2001; Grisoli et al., 2009)。因此

5、，了解城市污水處理廠微生物氣溶膠排放特性的知識，對評估工廠工人和周圍居民存在潛在風(fēng)險是非常重要的。到目前為止，許多研究所已經(jīng)進(jìn)行了城市污水處理廠產(chǎn)生的微生物氣溶膠的話題，大部分現(xiàn)有的研究工作主要集中在兩個方面。一個是通過確定城市污水處理廠產(chǎn)生的微生物氣溶膠中存活微生物的組合物和濃度，另一個是集中使用不同的取樣和檢測方法研究排放和傳輸特性來評估生物風(fēng)險(Carducci et al., 2000; Dowd et al., 2000; Oppliger et al., 2005; Karra and Katsivela, 2007; Patentalakis et al., 2008)。不同研究

6、之間發(fā)現(xiàn)濃度的差異很大，這取決于某些影響因素，如種類與污水的處理能力、操作活動、現(xiàn)場位置和天氣狀況。在文獻(xiàn)中提出了一些可用的措施包括：浸沒通氣污泥消化（OHara，2005），空氣擴散器作為用于生物曝氣處理系統(tǒng)（Snchez-Monedero 等人，2008），在曝氣系統(tǒng)使用浮動球（Hung等人，2010），活性炭吸附（Li等人，2011A）和在室內(nèi)環(huán)境紫外線照射技術(shù)（Lee，2011）。微生物氣溶膠對人體健康的影響不僅取決于它們的濃度和種類，而且還取決于它們的大小分布。生物氣溶膠顆粒具有的不同空氣動力學(xué)直徑沉積在呼吸系統(tǒng)的不同位置，并導(dǎo)致各種呼吸系統(tǒng)疾?。═homas等人，2008; Lee

7、等人，2011）。因此，有必要研究城市污水處理廠微生物氣溶膠的尺寸分布。此外，現(xiàn)有的文獻(xiàn)主要集中在空氣中的細(xì)菌和真菌的特性，而很少有研究調(diào)查了在污水處理廠空氣的放線菌。事實上，一些研究關(guān)于農(nóng)業(yè)地區(qū)和城市的戶外環(huán)境中放線菌的量化（Fang等，2008;Martin 等人，2010）表明，放線菌分布在全世界的土壤中，腐爛的有機物質(zhì)和污水中，并促成了空氣污染和嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾?。˙yeon等人，2008）。因此，有必要研究城市污水處理廠產(chǎn)生氣載放線菌的排放特性。 目前研究的目的是為了獲得關(guān)于微生物氣溶膠的排放特性的綜合信息，特別是中國典型的廢水處理廠產(chǎn)生的放線菌的氣溶膠。為了這個目的，在中國選中具有

8、良好的處理效率和便宜的運行費用使具有氧化溝處理的西安污水處理廠?？諝庵械募?xì)菌，真菌，放線菌的濃度和尺寸分布在不同的處理階段通過使用安德森六階段沖擊器和培養(yǎng)方法進(jìn)行了測定。2. 材料與方法1) 工廠簡介 生物氣溶膠樣品的收集在中國西安東部一個具有氧化溝工藝的城市污水處理廠。這家工廠從2006年以來一直以個立方米/日處理能力進(jìn)行工作，為大約29萬居民提供服務(wù)。在這家工廠，入流的廢水進(jìn)行預(yù)處理通過格柵、曝氣沉砂池（AGC）和生物處理，然后在一個奧貝爾氧化溝進(jìn)行（OD）水平轉(zhuǎn)子曝氣，隨后進(jìn)入初次沉淀池和二次沉淀池（SST）。凈化的廢水最終通過流出物出口（EO）流入壩河。污泥經(jīng)離心在污泥脫水間（SDH）

9、增稠。2) 取樣在這項研究中采樣點被安排在不同的處理階段，如圖所示。1：AGC，OD，SST，SDH和EO。此外，一個背景點（BGS），其位于大約100m上風(fēng)向的植物是根據(jù)當(dāng)時風(fēng)向選擇為背景的空氣樣本（也示于圖1）。選擇采樣時間是2011年6月至8月的上午10時至12時，每個取樣在氣候條件相近的晴天進(jìn)行，以減少氣候變化引起測量的不確定性。在同一時間取樣的氣溶膠，風(fēng)速，環(huán)境溫度和相對濕度進(jìn)行了監(jiān)測。在采樣期間，室外溫度和相對濕度范圍分別為26.9至30.2和47-62。當(dāng)時的風(fēng)向是西南方0.6米/秒。本研究中一個安德森六階段沖擊器（Westech，英國）有6個直徑為93毫米玻璃培養(yǎng)皿，被用來收集

10、不同尺寸的生物氣溶膠樣品?？諝鈩恿W(xué)直徑在每個階段的范圍為：7.0微米（階段1），7.0-4.7微米（階段2），4.7-3.3微米（階段3），3.3-2.1微米（階段4），2.1-1.1微米（階段5）和1.1-0.65微米（階段6）。根據(jù)上述定義，顆粒吸入部分對應(yīng)于階段3-6之間的尺寸范圍。在每個采樣點，采樣器被安裝在地面上方1.5米和處理單位0.5-1.5米遠(yuǎn)處。所有戶外取樣都在順風(fēng)條件下，重復(fù)3次抽吸空氣每次以28.3升/分鐘的速率收集約10分鐘的樣品。 圖1.素描采樣點在中國西安城市污水處理廠。 AGC：曝氣沉砂池; OD：氧化溝; SST：二沉池; SDH：污泥脫水間; EO：流出物出

11、口; BGS：背景的網(wǎng)站; ：采樣點。3) 微生物培養(yǎng)這里所研究的空氣中存活微生物為細(xì)菌，真菌，放線菌，是從合適的培養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)皿中獲得的。采樣后，將瓊脂平板立即運送到實驗室用于培養(yǎng)。細(xì)菌在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基37下培養(yǎng)48小時。真菌在沙氏葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基28下培養(yǎng)72小時。放線菌在高斯的合成瓊脂培養(yǎng)基28下培養(yǎng)120小時。注意，為防止污染每次取樣前后必要的采用75乙醇消毒。培養(yǎng)后，將菌落計數(shù)通過陽性孔的校正方法（Andersen，1958年）由等式（1）修改菌落重疊。式中Pr，R和n分別表示經(jīng)修訂的菌落，進(jìn)行采樣菌落和篩孔數(shù)在采樣器的各個階段。空氣中的微生物的濃度是一般表示為總菌落形成單位（CFU/

12、立方米），然后計算如下：式中C為給出空氣中的微生物（CFU/立方米）的濃度，t為采樣時間，F(xiàn)是采樣流速。4) 統(tǒng)計分析報道的濃度結(jié)果的平均值和在每個取樣點得到的平板計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在各圖中的誤差線的形式表現(xiàn)。生物氣溶膠濃度的在不同地點的差異也通過t檢驗進(jìn)行比較，在其中0.05被認(rèn)為P值是統(tǒng)計學(xué)顯著。此外，該計數(shù)的中值直徑（CMD）在本研究中作為直徑除以總數(shù)成兩半，這可能直接從粒度分布的累積分?jǐn)?shù)曲線來獲得被定義的，即，對應(yīng)的直徑的比例0.5值。 圖2.各采樣點中空氣中的微生物氣溶膠樣品的濃度。3. 結(jié)果與討論1) 空氣中存活細(xì)菌，真菌和放線菌含量圖2顯示了所有采樣點中氣溶膠樣品空氣活細(xì)菌，真菌和

13、放線菌的濃度。它可以清楚地看出相比，他們的背景水平（細(xì)菌：106539 CFU /立方米，真菌：59987菌落形成單位/立方米，放線菌：47346 CFU/立方米）和背景點（P 0.05），在污水處理過程中的每個階段中檢測到的數(shù)字較高的存活的細(xì)菌，真菌，放線菌。其結(jié)果證實了一些作者所得的結(jié)論（Fracchia等;2006 。Karra等人，2007; Korzeniewska等，2009），即，污水處理過程是微生物氣溶膠的重要來源。此外，在污水處理過程中的不同階段研究空氣中每個微生物的濃度變化很大?？諝庹婢钠骄鶟舛仍谘趸瘻系姆秶鸀?156119 CFU / m3到流出物出口的范圍為82270

14、 CFU / m3。在污泥脫水間細(xì)菌濃度從7866970 CFU/立方米到污水出口處169696 CFU/立方米，而放線菌濃度為2139229 CFU/ m3到90254 CFU/立方米，在相同的位置。在流出物出口中發(fā)現(xiàn)的空氣存活微生物的最低濃度表明，生物處理后的流出物含有低量的微生物。可以發(fā)現(xiàn)二沉池附近的空氣中的微生物的數(shù)量通常較低（細(xì)菌：2755212 CFU/立方米，真菌：85041 CFU/ m3時，放線菌：949120 CFU/立方米），這意味著污水處理廠的沉淀池似乎不是微生物氣溶膠的一個主要來源。相反，氧化溝空氣中的微生物進(jìn)行檢測數(shù)值較大。與其他研究（帕斯夸等人，2003; Fra

15、cchia等人，2006; Li等人，2011）一樣，空氣中的微生物的濃度通常降低作為廢水為進(jìn)一步處理的標(biāo)志。我們OD微生物氣溶膠更高的結(jié)果支持 Brandi 等人 （2000年）和 Snchez-Monedero等人（2008）的發(fā)現(xiàn)。據(jù)報道，廢水的機械攪拌會增加空氣中的微生物的數(shù)目。有趣的是要注意在這次調(diào)查中檢測到的空氣微生物顯示出較高的濃度，高1-2個數(shù)量級，相比于以往城市污水處理廠的研究中具有相似的生物學(xué)過程（Brandi 等人，2000;Snchez-Monedero 等人2008; Grisoli等人，2009; Heinonen-tanski等人，2009; Li等人，2011B

16、）。這可能是由于在本研究中主要適用于處理過的水（2105個立方米/天）的體積大2-3個數(shù)量級。Brandi等人，（2000）證明空氣中的微生物的數(shù)量以及污水處理廠相關(guān)的污水在處理中的數(shù)量。另一個重要的原因可能是由于在這些工廠中使用不同的曝氣系統(tǒng)。關(guān)于 Snchez-Monedero 等人，（2008）報道，對生物氣溶膠釋放曝氣方法的影響是：空氣擴散器表面渦輪7微米）和階段1（7微米），并且每級分小于10。此外，如圖的結(jié)果。圖3（b）所示大約空氣中52%的細(xì)菌、62的真菌和65放線菌的可吸入的大小范圍（小于3.3微米），這暗示大部分空氣真菌和放線菌是單細(xì)胞或孔的圖案。雖然放線菌的總濃度比城市污水

17、處理廠的細(xì)菌相對較小，放線菌比細(xì)菌的可吸入餾分為更高。因此，就哮喘，肺炎和流感的高患病率有必要更多地關(guān)注從污水處理廠發(fā)出這樣高的可吸入的放線菌。尺寸范圍（微米）a）由尺寸數(shù)分布尺寸范圍（微米）（2） 頻數(shù)分布的尺寸圖3.中國西安城市污水處理廠空氣中微生物的尺寸分布。圖4呈現(xiàn)空氣中的細(xì)菌的在污水處理過程中的不同階段的尺寸分布?？梢钥闯隹諝庵械募?xì)菌的大小分布四個階段選擇有很大差異。在曝氣沉砂池，氧化溝和二次沉淀池的每個階段，空氣中的細(xì)菌的比例最高檢測在階段4（2.1-3.3微米）分別大約為30，31和30，而被發(fā)現(xiàn)的最低值在階段6（0.65-1.1微米）分別為2，7和8。但是在污泥脫水間比例最高（

18、26）和比例最低（8）分別出現(xiàn)在第3階段（3.3-4.7微米）和第1階段（7.0微米）。空氣中的細(xì)菌在從曝氣沉砂池、氧化溝、二沉池和污泥脫水間產(chǎn)生可吸入大小的分布分別為38、56、49和57。這意味著，氧化溝和污泥脫水間產(chǎn)生的可吸入微生物氣溶膠比曝氣沉砂池多。當(dāng)中氧化溝，二沉池和污泥脫水間產(chǎn)生的可吸入微生物氣溶膠的比例的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P0.05）。圖5呈現(xiàn)空氣真菌在污水處理過程中的不同階段的尺寸分布?？諝庹婢姆植几窬质窃谒膫€地點大致相同。在所有的四個階段，階段4（2.1-3.3微米）被發(fā)現(xiàn)空氣中真菌的比例最大，而最低的比例均被觀察到在所有四個階段的第1階段（7.0微米）和第6階段（0.6

19、5-1.1微米）。從曝氣沉砂池，氧化溝，二沉池和污泥脫水間產(chǎn)生空氣真菌可吸入尺寸的分布分別為66，67，58和65，這表明，可吸入空氣真菌的分布比例沒有在四個階段表現(xiàn)出明顯的變化。圖6是空氣中放線菌在污水處理過程中的不同階段的粒度分布圖。在氧化溝，最高的分布出現(xiàn)在第3階段（3.3-4.7微米）與空中放線菌的30.9。與此相反，在其它三個階段中，最高分布出現(xiàn)在階段4（2.1-3.3微米），分別為31.1，37.5，32.0。此外，在所有四個階段檢測中最低的分布是在第1階段（7.0微米）。在曝氣沉砂池，氧化溝，二沉池和污泥脫水間分別是9.1，11.8，8.0和9.8。曝氣沉砂池，氧化溝，二沉池和污

20、泥脫水間的空氣中放線菌的可吸入大小比例分別約占62，41，64和66。在曝氣沉砂池，二沉池和污泥脫水間可吸入微生物氣溶膠分布差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P0.05）圖4空氣中的細(xì)菌在不同污水處理階段的粒度分布圖5空氣真菌在不同的污水處理階段的.尺寸分布。圖6空氣中放線菌在不同的污水處理階段的粒度分布。表1給出在污水處理過程中的不同階段空氣中的微生物的計數(shù)平均直徑（CMD）的比較。在每個相不同的微生物氣溶膠的計數(shù)平均直徑順序被發(fā)現(xiàn)是類似，即，空氣中的細(xì)菌空氣真菌空氣中放線菌。這再一次表明從城市污水處理廠發(fā)出的空氣放線菌可能對公眾健康和城市空氣質(zhì)量與細(xì)菌和真菌相比有顯著影響?？諝庵械奈⑸镌诓煌挠嫈?shù)平均直

21、徑不同的原因可能是空氣中的細(xì)菌主要存在于簇或附著于顆粒，而空氣真菌、放線菌中可能存在主要是單細(xì)胞或孔圖案（Rajasekar和Balasubramanian，2011; Li等人，2012）。此外，每個微生物氣溶膠在不同的污水處理相的計數(shù)平均直徑是不同的。細(xì)菌，真菌和放線菌氣溶膠最大的計數(shù)平均直徑分別出現(xiàn)在曝氣沉砂池，氧化溝，而最小的值均在污泥脫水間。這意味著，從曝氣沉砂池和氧化溝生成微生物氣溶膠的計數(shù)平均直徑均高于污泥脫水間。從曝氣沉砂池和氧化溝生成微生物氣溶膠的尺寸一般比污泥脫水間大。這一事實可能是相對于污水處理廠相之間不同的活動造成的。在曝氣沉砂池中使用的劇烈鼓泡曝氣方式并在氧化溝使用水

22、平轉(zhuǎn)子曝氣方式似乎產(chǎn)生比在污泥脫水間離心操作相對較大的氣溶膠。在未來這應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步被研究。4. 結(jié)論相對于背景值，污水處理過程中的每個階段均檢測到了空氣中存活的的較高數(shù)量的細(xì)菌，真菌，放線菌，表明城市污水處理廠真的是微生物氣溶膠的重要來源。曝氣及污泥濃縮操作發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生較多微生物氣溶膠。在這項研究中檢測到不同的空氣中的微生物，類似的單峰分布格局中污水處理廠也被觀察到。大約52的空氣中的細(xì)菌、62的空氣中真菌和65的空氣中放線菌的人可吸入的大小范圍（小于3.3微米），這意味著，他們可能更容易達(dá)到支氣管及肺泡且會對健康造成不良影響。此外，抽檢結(jié)果顯示，在每一個不同的階段空氣中的微生物差異較大的是粒徑

23、分布。通常會發(fā)現(xiàn)，微生物氣溶膠在曝氣沉砂池和氧化溝的計數(shù)平均直徑由于不同的操作模式比在污泥脫水間大。在每個相不同的微生物氣溶膠的計數(shù)平均直徑順序被發(fā)現(xiàn)是類似，即，空氣中的細(xì)菌空氣真菌空氣中放線菌。這再一次表明從城市污水處理廠發(fā)出的空氣放線菌可能對公眾健康和比細(xì)菌和真菌城市空氣質(zhì)量更顯著的效果。在這項研究中確定的空氣中可行的細(xì)菌，真菌，放線菌發(fā)射特性對于了解其潛在的健康影響，對建立污水處理廠適當(dāng)?shù)目刂拼胧┓浅Ｓ杏谩?. 致謝筆者要答謝城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室（QA200806），流體動力國家重點實驗室和機電系統(tǒng)（GZKF-201026）和中央學(xué)院特別基金，長安大學(xué)基本科研（CHD2012

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