紫外線照射對高原污水處理的影響

尤俊豪 郭明哲 宗永臣 王 俊 傅椿惠 李遠威

(西藏農牧學院水利土木工程學院，西藏 林芝 860000)

西藏作為高海拔地區，具有強紫外線、低溫、低溶解氧的特殊地理環境，嚴重影響高原污水處理[1-2]。已有研究表明紫外線照射對有機污染物、細菌、病毒等有不同的影響,紫外線照射會對微生物的核蛋白與DNA產生破壞作用[3-5]。在查閱文獻后，發現多數紫外線照射試驗是從紫外線消毒的角度來研究，例如厲智成等[6]研究紫外線對再生水的消毒作用，劉超等[7]研究紫外線對城鎮污水處理廠的消毒效果。但很少從高原地區特殊的自然環境角度研究紫外線照射對污水處理效果的影響，特別以西藏為代表的高原地區關于紫外線照射對污水處理影響的研究又較少。

因此本次試驗以紫外線照射時間長短為變量條件，利用16srRNA基因序列測序、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)來研究紫外線照射對污水處理中污染物去除、微生物群落結構、活性污泥內部結構的影響，旨在揭示紫外線照射對污水處理由宏觀到微觀的響應機制，為提高高原污水處理效果提供理論參考。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示利用傳統A2/O工藝城市污水處理模擬裝置[8]，在厭氧池與缺氧池中都設有攪拌裝置，設定攪拌速度為110 rpm/min，在好氧池底部設有膜片式微孔曝氣頭為其供氧。用好氧池進行35天的污泥培養，當測得SV30(污泥沉降比)為28%和MLSS(活性污泥濃度)為3 716 mg/L時，開展試驗。試驗運行參數控制為厭氧池：缺氧池：好氧池的水力停留時間是1:1:2，總水力停留時間是21h，設計進水溫度為20℃，好氧池溶解氧控制為2.0 mg/L，硝化液回流比和污泥回流比分別控制為200%、100%。紫外線照射采用兩盞40W紫外線燈實現，照射位置距離好氧池水面20 cm，照射時間分別為0(對照組)、5、30、180 min，照射間隔時間和水質取樣時間為24h后，活性污泥樣品待每個工況結束后取樣送檢，紫外線照射時間控制為由短到長。本試驗直接采用西藏農牧學院辦公樓區生活污水為試驗用水，主要進水水質指標如表1所示。

表1 進水水質指標 單位：mg/L

1.2 水質指標測定

采用連續性進水模式，每個工況持續9天。所有水樣經靜置沉淀后取上清液，進行COD、NH3-N、TN、TP等污染物指標檢測，檢測方法參照水和廢水檢測分析方法[9]進行。

1.3 活性污泥微生物測序與鏡檢

活性污泥樣品送至上海美吉生物醫藥科技有限公司檢測，進行16SrRNA基因序列測序。16SrRNA是原核生物的核糖體中30S亞基的組成部分，長度約為1542 nt，具有高度的保守性和特異性。16SrRNA基因測序一般是利用MiSeq對16SrRNA基因的V3-V4可變區進行測序，以此來研究微生物群落結構[10]。

原子力顯微鏡(AFM)是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。近年來，AFM在分子生物學、材料科學、電化學等領域得到了廣泛的應用[11]。使用AFM檢測可獲得活性污泥內部微觀結構的變化，并利用軟件Gwyddion 對AFM圖像進行處理。同時獲取代表樣品表面粗糙度的均方根粗糙度(Rq)、粗糙度(Ra)。

2 結果與討論

2.1 紫外線照射對COD、NH3-N、TN、TP的去除效果影響

如圖2所示，COD有較高的去除率，整體去除率在80%～90%，這與甄卓文等[12]使用紫外線消毒處理醫院污水的研究結果相似。照射5 min與30 min的去除率波動幅度較大，而0 min與180 min的波動幅度小且去除率大致相似，其原因可能因為復合菌一開始對紫外線的照射有強烈的反應，但隨著照射時間的增加，反應強度逐漸趨于穩定。四組COD的平均去除率分別為86.01%、82.78%、82.21%、85.66%，隨照射時間增加去除率呈先減后增趨勢，平均增減的幅度小，0 min的去除率最高。表明復合菌對紫外線的照射有較強的抗性，同時也說明紫外線照射時間對COD的整體去除率影響不大，但短時間的照射會造成一定的波動。

圖2 不同紫外線照射時間下COD、NH3-N、TN、TP的去除效果

同樣，NH3-N的去除率幾乎都在80%以上，照射30 min的平均去除率最高，在照射180 min的后三天去除率下降幅度較大，但逐漸有所回升。

相對NH3-N的去除率趨勢，TN的去除率趨勢明顯的起伏幅度較大，且去除率整體低于NH3-N。從圖中可看出，5 min照射時段的TN去除率最低，平均去除率只有56.31%；30 min的平均去除率最高，平均去除率隨照射時間增加呈先減后增再減趨勢，與NH3-N的一樣。這說明反硝化菌和硝化菌對紫外線的照射都有反應，且對照射時間長短的反應趨勢一樣，但反硝化菌比硝化菌對紫外線輻射的敏感性更強。對于TN的去除率低的另一個原因可能是進水COD/TN過低，缺少碳源，影響反硝化反應。

對于TP的去除率可從圖中看出，照射5 min的最高，其次是180 min、0 min、30 min，隨照射時間增加，平均去除率呈先增后減再增趨勢。分析原因可能是聚磷菌在照射30 min時，活性被短暫抑制，但之后逐漸恢復。表明水體通過紫外線反應器一段時間后，會出現水中微生物含量回升現象[13]。從整體看出，紫外線的照射對TP的去除有一定的提升，這與安正陽等[14]研究結果一致。同時還發現TN的平均去除率趨勢與TP的平均去除率相反，分析原因可能是反硝化菌和聚磷菌存在對同一底物的競爭關系即碳源所導致[15-16]。

2.2 紫外線照射對微生物群落的影響

2.2.1 門群落結構

不同紫外線照射時間下，門水平下的微生物群落結構見圖3。

由圖3可知，主要優勢菌為Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae,這與污水處理中常見優勢菌門一致[17-18]，表明紫外線的照射并未改變主要優勢菌門的組成。Proteobacteria與Actinobacteria在0 min的占比均高于其他三組，Proteobacteria和Actinobacteria是屬于反硝化菌[19-20]。Bacteroidetes屬于硝化菌[21]，在照射5 min、30 min、180 min中的占比均高于0 min,在30 min中占比最高，這對應了NH3-N在30 min去除率最高。以上表明紫外線照射對反硝化菌有抑制作用，對硝化菌有促進作用。Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae是各種污水降解中普遍的菌門，在有機物降解和污染物去除中發揮重要作用，已有研究表明Firmicutes、Chloroflexi參與將磷酸鹽還原為磷化氫，而且Firmicutes能產生孢子從而在極端條件中生存[22-23]。三者均在5 min的占比最高，隨照射時間的增加，也均呈先增后減再增趨勢，這與TP的平均去除率趨勢一致，且三者在30 min、180 min的占比均小于0 min。說明適當的紫外線照射有利于促進聚磷菌生長。

圖3 不同照射時間下門水平微生物群落結構

2.2.2 屬群落結構

在屬水平下，前三的優勢菌屬是norank_f__AKYH767、norank_f__Saprospiraceae、Acinetobacter。norank_f__AKYH767在照射30 min的占比最高，最低是0 min。在查閱文獻后，并未發現關于norank_f__AKYH767的相關記載,但此菌屬的占比最高，表明在脫氮除磷中有重要的作用，具體功能有待研究，也反映出紫外線的照射對它有促進作用。norank_f__Saprospiraceae屬于嚴格好氧型細菌，具有能夠將復雜有機物(聚合物、蛋白等)降解為小分子碳源的能力[19，24]。norank_f__Saprospiraceae在照射30 min的占比最高，最低是0 min。Acinetobacter屬于典型的反硝化菌[25]，由圖4中看出，占比明顯降低，在照射30 min、180 min的樣本中幾乎沒有，最高是在照射0 min的樣本中。因此可得出紫外線照射對norank_f__Saprospiraceae有促進作用，對Acinetobacter有抑制作用。

圖4 不同照射時間下屬水平微生物群落結構

2.3 紫外線照射對活性污泥的影響

不同照射時間下的原子力顯微鏡(AFM)3D觀測圖見圖5,活性污泥顆粒粒徑分布見圖6。

紫外線照射30 min活性污泥顆粒-粒徑擬合見圖7，不同紫外線照射時間下，活性污泥表面粗糙度分布見表2。

圖7 活性污泥顆粒-粒徑擬合圖

為了解紫外線照射對活性污泥內部結構的影響，利用AFM對活性污泥的微觀結構進行了觀察與分析。通過表2看出，隨紫外線照射時間增加，均方根粗糙度Rq呈增加趨勢；其他三組的粗糙度Ra也均大于0 min，表明紫外線照射增加了活性污泥表面粗糙度。結合圖5與圖6看出，紫外線的照射使活性污泥顆粒產生了分化，在30 min的樣本中，活性污泥顆粒的粒數最多，顆粒粒徑的分布范圍最大；而在180 min的樣本中，活性污泥顆粒粒數減少，粒徑變小，且出現類似水滴狀的污泥顆粒形態。分析原因可能是長時間的紫外線照射使活性污泥體內的微生物造成了一定殺滅作用，而活性污泥主要由微生物及其胞外聚合物(EPS)和從廢水中吸附或者絮凝的無機顆粒和有機顆粒等物質組成[26-27]，微生物充當了組成活性污泥的骨架，當微生物數量減少，活性污泥則會坍塌形成類似水滴狀形態。在對比0 min的樣本可看出，經過紫外線照射的活性污泥的顆粒粒徑和粒數均大于未照射的，特別粒徑在0～0.1 μm的更為明顯。說明紫外線照射使活性污泥內部結構發生變化，原有活性污泥顆粒分解為更細小的顆粒，在經過一段運行時間后，這些細小的顆粒逐級碰撞黏附形成粒徑較大的活性污泥顆粒，但超過一定時間的照射(大于30 min)會對顆粒中的微生物產生抑制，減少細小顆粒的粒數和顆粒之間的凝聚，進而活性污泥粒徑有所減少。這說明了活性污泥在受到紫外線照射后，污泥顆粒會形成一個分解與凝聚的過程，進而影響活性污泥的粒徑大小。

圖5 不同照射時間下的AFM 3D觀測圖

圖6 不同照射時間活性污泥顆粒粒徑圖

表2 不同照射時長的粗糙度

在統計活性污泥顆粒粒徑與粒數受紫外線照射不同時間時，發現粒徑與粒數存在一定的規律性。通過對四組數據的擬合，如圖7所示(為30 min的擬合，由于版面原因就不展示其他三組的擬合效果)，用PsdVoigt2函數公式擬合，最佳擬合系數R2為0.9852，其余為0.9599、0.8249、0.8616。表明活性污泥的顆粒數與粒徑在受紫外線照射后存在一定的規律性。

3 結論

紫外線的照射對COD、NH3-N的去除率影響不大；對TN的去除率影響大，造成TN去除率波動較大；使TP的去除率有一定的提升。紫外線照射對反硝化菌有抑制作用，如Proteobacteria、ctinobacteria；對硝化菌Bacteroidetes、聚磷菌Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae有促進作用；對屬水平下的orank_f__Saprospiraceae有促進作用，Acinetobacter有抑制作用。紫外線照射使活性污泥表面粗糙度增加；紫外線照射影響活性污泥顆粒粒徑，使活性污泥存在一個顆粒分解-凝聚的過程，污泥粒徑相對未照射時有所增大。在紫外線照射后，活性污泥的粒徑與顆粒數的變化規律可用PsdVoigt2函數描述。