反滲透系統(tǒng)氯消毒預(yù)處理對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝產(chǎn)物分泌特性的影響

反滲透系統(tǒng)氯消毒預(yù)處理對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝產(chǎn)物分泌特性的影響

0ro膜生物污堵中國(guó)存在嚴(yán)重的水資源短缺和環(huán)境污染，這限制了社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。在反滲透工藝流程中，除反滲透膜單元外，還包括復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)，以防止膜污堵膜面的微生物會(huì)分泌一系列代謝產(chǎn)物，其中最重要的是胞外多聚物(extracellularpolymericsubstances,EPS)。EPS由多糖、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)組成，是生物膜的骨架結(jié)構(gòu)，決定生物膜的物理特性，包括物質(zhì)傳輸、吸附特性及穩(wěn)定性反滲透膜污堵會(huì)導(dǎo)致膜通量下降、進(jìn)水壓力上升、能源消耗增加等問(wèn)題，酸性副產(chǎn)物還會(huì)導(dǎo)致膜的生物降解目前，氯消毒是控制RO膜生物污堵常用的預(yù)處理方式。但是氯消毒對(duì)于控制反滲透膜污堵并不總是有效的，甚至有加重污堵的實(shí)例與氯消毒相比，從消毒副產(chǎn)物控制、運(yùn)行和投資費(fèi)用等來(lái)看，紫外線消毒是相對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)的消毒方式，近年來(lái)其在污水和再生水消毒中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛針對(duì)上述問(wèn)題，本研究全面探索了紫外線消毒對(duì)再生水中細(xì)菌的生長(zhǎng)特性、群落結(jié)構(gòu)和分泌特性的影響，從而為城市污水再生處理反滲透系統(tǒng)前處理工藝的選擇提供理論指導(dǎo)。1材料和方法1.1主要試劑及儀器實(shí)驗(yàn)試劑:水樣，取自北京某再生水廠膜生物反應(yīng)器(membranebio-reactor,MBR)工藝出水，取樣后置于10L桶中，在4℃條件下保存;R2A瓊脂，北京安鑫康科技有限公司;瓊脂粉，北京翰隆達(dá)科技發(fā)展有限公司;氯化鈉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司;改良型lowry法蛋白濃度測(cè)定試劑盒(ModifiedLowryProteinAssayKit)，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司;蒽酮，賽譜銳思(北京)科技有限公司;硫酸，北京藍(lán)弋化工產(chǎn)品有限責(zé)任公司;葡萄糖(分析純)，天津市鼎盛鑫化工有限公司。主要儀器:HPS-280生化培養(yǎng)箱;日立CR22G高速離心機(jī);島津TOCVCPH型總有機(jī)碳分析儀;酶標(biāo)儀(MDSpectraMaxM5);日立F7000型熒光分光光度計(jì)。1.2紫外線消毒系統(tǒng)mbr紫外線劑量的計(jì)算公式為其中:式中:a為1cm液層厚度時(shí)的吸收度，cm由式(1)可看出:通過(guò)控制紫外線照射時(shí)間可以調(diào)節(jié)紫外線消毒劑量。將20mLMBR工藝二級(jí)出水置于底面直徑為6cm的圓柱形玻璃皿中，其液層厚度為1cm。根據(jù)目前污水再生處理工藝中常用的紫外線劑量1.3分析1.3.1培養(yǎng)基初發(fā)期酶標(biāo)法檢測(cè)od將經(jīng)過(guò)不同劑量紫外線消毒后的水樣分別接種至300mL標(biāo)準(zhǔn)R2A培養(yǎng)基，在150r/min搖床上25℃條件下培養(yǎng)至穩(wěn)定期，此期間定期用酶標(biāo)儀測(cè)定各組的OD1.3.2微生物群落結(jié)構(gòu)的變化將培養(yǎng)至穩(wěn)定期的菌液離心去除培養(yǎng)基后送樣進(jìn)行16SrRNA高通量測(cè)序，分析紫外線消毒對(duì)再生水中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)測(cè)定結(jié)果繪制成的群落組成柱狀圖分析各組的群落結(jié)構(gòu)，根據(jù)測(cè)定的α多樣性指數(shù)(observedspecies、Shannon、Simpson指數(shù))分析其物種多樣性。1.3.3維熒光光譜分析將培養(yǎng)至穩(wěn)定期的菌液離心去除培養(yǎng)基并提取EPS，測(cè)定EPS總量(DOC)和各組分含量(蛋白質(zhì)、多糖)，以及其分子量分布，并進(jìn)行三維熒光光譜分析。將培養(yǎng)后洗去培養(yǎng)基的細(xì)菌稀釋成溶液進(jìn)行平膜實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)紫外線消毒前后細(xì)菌溶液對(duì)反滲透膜的污堵潛勢(shì)。1.4溫度測(cè)定方法為研究紫外線消毒后水中細(xì)菌經(jīng)培養(yǎng)后形成的溶液對(duì)反滲透膜污堵潛勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)室搭建平膜錯(cuò)流反滲透系統(tǒng)模擬裝置。操作條件為:將海德能Proc10型號(hào)反滲透膜(低壓膜)切割為直徑32mm、面積為8.04cm反滲透裝置所處溫度為室溫(在25℃左右波動(dòng))，利用傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)并采用計(jì)算機(jī)收集記錄。過(guò)水通量(J)基于Arrhenius方程由溫度數(shù)據(jù)修正，并按式(3)計(jì)算式中:J為t時(shí)刻的過(guò)水通量，m2結(jié)果與討論2.1細(xì)菌分離結(jié)果在不同紫外線劑量下，對(duì)MBR出水進(jìn)行消毒。將消毒后的水樣涂平板，檢測(cè)消毒效果，結(jié)果如表2所示。可知:未消毒水樣中存在大量細(xì)菌;紫外線劑量為20mJ/cm將各劑量紫外線消毒后的水樣接種至標(biāo)準(zhǔn)R2A培養(yǎng)基培養(yǎng)，水中細(xì)菌生長(zhǎng)曲線如圖1所示?？芍?由于紫外線消毒后接種細(xì)菌量減少，細(xì)菌生長(zhǎng)的遲滯期延長(zhǎng);且紫外線劑量為40,80mJ/cm2.2紫外線消毒對(duì)再生水中微生物多樣性的影響測(cè)定不同劑量紫外線消毒后再生水中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2所示。由圖2a可知:門水平上，在進(jìn)行較高劑量紫外線消毒(40,80mJ/cm由圖2b可知:綱水平上，在進(jìn)行較高劑量紫外線消毒(40,80mJ/cm由圖2c可知:屬水平上，在進(jìn)行較高劑量紫外線消毒(40,80mJ/cm以上結(jié)果表明，在較高紫外線劑量(40,80mJ/cm不同紫外線劑量下再生水中微生物α多樣性指數(shù)如圖3所示?？芍?與未經(jīng)過(guò)紫外線消毒的空白對(duì)照組相比，各實(shí)驗(yàn)組的observedspecies、Shannon、Simpson指數(shù)均有所降低。這說(shuō)明紫外線消毒降低了水中微生物的多樣性。該結(jié)果與氯消毒后微生物群落多樣性降低相似2.3反滲透膜菌液的制備紫外線消毒前后，細(xì)菌的EPS分泌量及EPS中蛋白、多糖含量如圖4所示?？芍?經(jīng)過(guò)低劑量(20mJ/cm測(cè)定EPS的三維熒光特性，結(jié)果如圖5所示。圖中Ⅰ區(qū)代表酪氨酸或色氨酸氨基酸，Ⅱ區(qū)代表酪氨酸或色氨酸蛋白質(zhì)，Ⅲ區(qū)代表多糖類物質(zhì)，Ⅳ區(qū)代表富里酸，Ⅴ區(qū)代表多環(huán)芳烴類腐殖酸，Ⅵ區(qū)代表聚羧酸鹽型腐殖酸將提取出的EPS溶液進(jìn)行分子量分布的測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。Lyko等紫外線消毒前后水中細(xì)菌經(jīng)培養(yǎng)后離心洗去培養(yǎng)基，將所得菌液稀釋至相同倍數(shù)，所得溶液的反滲透膜污堵潛勢(shì)如圖7所示?？芍?將MBR出水經(jīng)80mJ/cm3紫外線消毒對(duì)水中微生物的影響1)紫外線消毒后，存活細(xì)菌再培養(yǎng)時(shí)其生長(zhǎng)遲滯期變長(zhǎng)，穩(wěn)定期細(xì)菌