水廠生物活性炭工藝進(jìn)出水中DON變化及其成因分析

李聰聰，周克梅，范 佩，劉 成,*，蘭 童，楊遇春

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；3.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210043)

溶解性有機(jī)氮(DON)可以導(dǎo)致消毒過程中耗氯量增加、含氮類消毒副產(chǎn)物的生成[1-2]，且被認(rèn)為是膜污染的重要組分[3]。課題組前期研究[4]結(jié)果表明，生物活性炭(BAC)是飲用水處理過程中控制DON的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。BAC可以通過微生物降解和吸附去除可生物降解的有機(jī)物(BOM)、氨氮、微量有機(jī)物等污染物。然而，BAC的微生物代謝過程可引起DON濃度增加，DON特性也受到微生物生命活動影響，包括生長、代謝、次級化合物排泄、裂解產(chǎn)物的吸收和消耗[5]。鑒于不同使用時間BAC的生物膜特性存在顯著差異，特別是生物量、生物膜厚度、微生物群落結(jié)構(gòu)，將直接影響微生物代謝過程，導(dǎo)致炭池出水中的DON濃度和性質(zhì)出現(xiàn)明顯差異[6]。因此，本文選用4種不同使用時間的BAC，研究其凈化過程中DON含量的變化及轉(zhuǎn)化，確認(rèn)其微生物學(xué)作用機(jī)制。該研究對優(yōu)化飲用水BAC工藝去除DON效能，保證飲用水廠的水質(zhì)安全和穩(wěn)定具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 樣品采集

試驗(yàn)使用BAC樣品于2020年8月取自XC水廠BAC池，該水廠BAC池于2010年4月運(yùn)行，并于2014年和2019年分別更換了兩個炭池所用的BAC。所取BAC分別為0.3年BAC(0.3-yr BAC)、2.0年BAC (2.0-yr BAC)、5.0年BAC (5.0-yr BAC)和10.0年BAC (10.0-yr BAC)。采用4根直徑為200 mm、高度為3 500 mm的有機(jī)玻璃柱作為BAC中試裝置(其運(yùn)行參數(shù)如表1所示)，進(jìn)水為水廠臭氧接觸池出水，連續(xù)運(yùn)行，定期取樣測定水質(zhì)。2020年8月分析4個使用時間BAC的微生物指標(biāo)。

表1 中試裝置的運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operation Parameters of Pilot Plant

1.2 測試指標(biāo)及方法

DON：由實(shí)測溶解性總氮(TDN)與實(shí)測溶解性無機(jī)氮(DIN)種類之和的差值確定[3]。

激發(fā)發(fā)射矩陣(EEM)熒光光譜：使用發(fā)光光譜法(F-4500 FL分光光度計，日立，日本),在200～600 nm的掃描發(fā)射光譜中，EEM光譜以5 nm的增量采集。激發(fā)和發(fā)射狹縫保持在10 nm，掃描速度設(shè)置為12 000 nm/min，光電倍增管(PMT)電壓設(shè)置為500 V用于微光檢測。用蒸餾水作為空白記錄光譜。采用Surfer13軟件對EEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry,FT-ICR MS):采用固相萃取柱萃取酸化水樣，采用18種不同的萃取柱(Envicarb、PPL、ENV、HLB、C18、C18OH、C8、pH、CH、WAX、WCX、MAX、MCX、C2、CBA、CN-E、NH2、SI)進(jìn)行萃取。用10 mL甲醇(來自德國默克公司的LC-MS級)和10 mL酸化超純水(pH值為2.0)調(diào)整色譜柱。取100 mL酸化水樣以2 mL/min左右的流速通過固相萃取柱，裝樣后用10 mL酸化超純水沖洗固相萃取柱，10 mL甲醇洗脫。然后將200 μL甲基硫溶解的DON樣品注入配備15.0 T超導(dǎo)磁場和電噴霧電離(ESI)源的Bruker SolariX FT-ICR MS中。數(shù)據(jù)分析選擇最豐富峰值附近的雙質(zhì)量尺度擴(kuò)展，然后手動識別每個峰值。

生物量：采用脂磷法測定附著在BAC上的生物量[7]。

生物活性：采用改良的比耗氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR) 法[8]。

胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)：采用改進(jìn)的萃取方法提取EPS[9]，多糖測定采用硫酸-苯酚比色法，蛋白質(zhì)采用改良的Lowry法測定[10]。

微生物種群分析：對0.3、2.0、5.0、10.0年BAC樣本的微生物組成進(jìn)行16S rRNA高通量測序。反沖洗前采集BAC樣品。DNA提取和測序分析微生物群落分析在上海美吉有限公司的Illumina HiSeq平臺上進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同年限BAC進(jìn)出水DON濃度變化規(guī)律

圖1顯示炭池進(jìn)出水DON濃度具有明顯的季節(jié)性波動。夏季進(jìn)水DON質(zhì)量濃度最高(0.30～0.35 mg/L)，春、秋季次之(0.24～0.30 mg/L)，冬季最低(0.05～0.15 mg/L)，這是由于夏季較高的水溫導(dǎo)致藻類過度增殖和DON的釋放[3]。BAC對DON去除效果隨使用年限而降低，使用年限為0.3、2.0、5.0、10.0年的BAC在一個反沖洗周期中對DON的去除率分別為39.69%～66.96%、10.10%～39.78%、-4.18%～29.63%、-20.88%～19.87%，使用年限為5.0年和10.0年的BAC出現(xiàn)了負(fù)去除現(xiàn)象。負(fù)去除情況在夏季較為明顯，在反沖洗周期末，使用10.0年的BAC對DON去除率達(dá)到了-20.88%，且在一個反沖洗周期中出現(xiàn)負(fù)去除的時間點(diǎn)也較早。之前的研究[11]也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，可能與BAC顆粒上生物量過度增殖以及部分微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)釋放可溶性微生物代謝產(chǎn)物有關(guān)。

圖1 不同季節(jié)下不同使用年限BAC反沖洗周期內(nèi)對DON控制效能Fig.1 Control Efficiency of DON during BAC Backwash Cycles under Different Service Years in Different Seasons

2.2 炭池進(jìn)出水EEM特性差異分析

圖2 給出了相同進(jìn)水條件下，不同使用年限BAC出水的EEM熒光光譜。可以看出經(jīng)過BAC處理后，熒光峰C和D的強(qiáng)度顯著降低，但熒光峰A和B則呈現(xiàn)不同的變化趨勢：使用年限為0.3年和2.0年的BAC會不同程度地降低熒光峰A和B的強(qiáng)度，而使用5.0年和10.0年的BAC出水的熒光峰A強(qiáng)度明顯增強(qiáng)且高于進(jìn)水，熒光峰B強(qiáng)度發(fā)生微弱降低且涉及區(qū)域增大。結(jié)合各熒光峰所代表的物質(zhì)成分可以認(rèn)為使用年限較長的BAC在使用過程中會釋放部分SMPs進(jìn)入水中。而有研究[12]表明，SMPs包括多糖、蛋白質(zhì)、核酸、腐植酸、黃腐酸、氨基酸和類固醇等氮含量較高的有機(jī)物，這可能是BAC處理過程中DON濃度升高的重要原因。

注：A—可溶性微生物代謝產(chǎn)物；B—芳香族蛋白；C—腐植酸類；D—黃腐酸類圖2 不同使用年限的BAC在反沖洗周期末期進(jìn)出水的EMM熒光光譜Fig.2 EMM Fluorescence Spectra of BAC Inflow and Treated Water at the End of Backwash Cycle under Different Service Years

圖3 FT-ICR MS分析不同年限BAC出水中去除的、生成的、不變的DON分子特征變化Fig.3 FT-ICR MS Analysis of Changes in DON Molecular Characteristics Removed,Generated,and Unchanged in Treated Water by BAC under Different Service Years

2.3 炭池進(jìn)出水DON分子特性

為了進(jìn)一步闡明含氮化合物的組成特征，繪制了Van Krevelen圖，以顯示O/C和H/C之間的關(guān)系，并確定具體的DON結(jié)構(gòu)類型(圖3)。

炭池進(jìn)出水中含氮有機(jī)物分子主要分布在碳水化合物類、脂質(zhì)類、蛋白質(zhì)/氨基糖、單寧酸類、木質(zhì)素/CRAM類、不飽和碳?xì)浠衔铩⒊憝h(huán)化合物類7個區(qū)域。4個使用年限的BAC可以有效去除諸如木質(zhì)素/CRAM類、碳水化合物類、蛋白質(zhì)/氨基糖類和脂質(zhì)類的復(fù)雜DON成分，而生成的含氮化合物類型則存在一定差別：0.3年和2.0年BAC主要生成木質(zhì)素/CRAM類和脂質(zhì)類，而5.0年和10.0年BAC出水中的蛋白質(zhì)/氨基糖、脂質(zhì)類化合物含量增加。木質(zhì)素/CRAM類化合物是半不穩(wěn)定和難降解DON的主要成分之一，氮含量較低；脂質(zhì)類、蛋白質(zhì)/氨基糖是常見的生物活性化合物，被認(rèn)為是微生物衍生的DON[13]。

2.4 不同使用年限BAC去除DON效能差異的內(nèi)在機(jī)制分析

考慮到BAC處理前后DON的變化主要源于生物降解和代謝產(chǎn)物的差異，因此,進(jìn)一步分析了生物量、生物活性、種群組成以及代謝產(chǎn)物，以期明確不同使用年限BAC對DON控制效能差異的原因及內(nèi)在機(jī)制，具體結(jié)果如下。

2.4.1 生物膜特性

(1)生物量和生物活性

不同使用年限BAC顆粒上的生物量和SOUR在一個反洗周期內(nèi)的結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，BAC顆粒上的生物量在一個反沖洗周期內(nèi)會呈現(xiàn)一定程度的增加，且增加量、增長速率與BAC使用年限有一定的相關(guān)性。整體來看，使用年限較低BAC生物量增加的絕對值較高。BAC顆粒上附著生物量的增加源于其對處理水中物質(zhì)成分的吸收利用，其中包含部分含氮有機(jī)物和無機(jī)氮離子。按照一般微生物細(xì)胞內(nèi)氮元素的占比為14%～16%考慮，從而通過生物量增值可以實(shí)現(xiàn)一定程度的氮元素去除，其中包含部分DON。

圖4 一個反沖洗周期內(nèi)BAC生物量和微生物活性變化Fig.4 Changes of BAC Biomass and Microbial Activity during a Backwash Cycle

圖4的結(jié)果表明，BAC的生物活性在一個反沖洗周期內(nèi)也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。由于本研究中采用了SOUR來表征生物活性，其數(shù)值的變化更多地反映了好氧微生物的數(shù)量及其對進(jìn)水中氧的利用率。相關(guān)研究[14]結(jié)果表明，一般條件下溶解氧的有效穿透深度為100～150 μm，而水廠使用7.5年BAC的生物膜厚度可達(dá)到200 μm[15]，導(dǎo)致內(nèi)層生物膜處于厭氧或缺氧狀態(tài)，這也導(dǎo)致BAC的SOUR及由它所表征的生物活性存在最大界限值，并在一定程度上影響了生物量的最大數(shù)值。

BAC顆粒上生物膜在使用過程中的增厚會在一定程度上影響到營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧的擴(kuò)散和供給，并進(jìn)而影響生物降解效能、代謝途徑及其代謝產(chǎn)物的種類和產(chǎn)率。使用年限較長的BAC其自身生物量、生物膜厚度較大，在使用過程中更易達(dá)到其臨界值，導(dǎo)致其對水中營養(yǎng)基質(zhì)的利用速率、代謝途徑及其代謝產(chǎn)物的改變。

(2)BAC中EPS變化規(guī)律

EPS是微生物在生長過程中分泌的高分子聚合物的混合物，具體成分主要為蛋白質(zhì)和多糖，對于生物膜的形成及維持生物膜的結(jié)構(gòu)具有重要的作用。BAC凈化過程中，EPS成分在特定條件下可能會進(jìn)入到水中，并影響水質(zhì)，因此，考察了處理過程中EPS含量和種類的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在BAC使用過程中，EPS中的多糖含量基本保持穩(wěn)定，而蛋白質(zhì)含量則呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，且其變化情況與其使用年限具有一定的關(guān)系。就各使用年限BAC中蛋白質(zhì)含量絕對值而言，其數(shù)值隨使用年限而升高，10.0年使用年限的BAC中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大達(dá)到2.32 mg/(g BAC)。由圖5還可以看出，使用年限為0.3、2.0年的BAC生物膜EPS中的蛋白質(zhì)比例在一個反沖洗周期中持續(xù)升高，而使用年限為5.0、10.0年的BAC的EPS中蛋白質(zhì)含量則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中使用10.0年BAC生物膜中蛋白質(zhì)含量至第3 d就達(dá)到最大值，之后出現(xiàn)下降趨勢。蛋白質(zhì)含量降低的部分可能通過直接被微生物降解利用和釋放入水中，微生物降解的中間產(chǎn)物和直接釋放入水體的蛋白質(zhì)均會導(dǎo)致出水中DON含量增加，這可能也是導(dǎo)致使用年限較長的BAC處理過程DON含量增加的致因之一。

2.4.2 不同年限BAC微生物群落差異

BAC降解過程中對基質(zhì)成分的利用與其微生物種群組成及比例有一定的關(guān)系，因此，進(jìn)一步考察了不同使用年限的BAC顆粒上生物膜的微生物種群組成，結(jié)果如圖6所示。圖6(a)的結(jié)果表明，4個使用年限的BAC附著生物膜的微生物組成門類基本相似，主要有以變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和 浮霉菌門(Planctomycetcte)為主，總計相對豐度超過90%，且各門所占比例隨使用年限呈現(xiàn)一定的變化。相較于使用0.3年的BAC，使用10年BAC生物膜的典型門[變形菌門、放線菌門 、厚壁菌門(Firmicutes)]的豐度分別從49.07%、0.571%、0.72%增加到60.01%、4.43%、3.76%，而這些門的微生物被認(rèn)為可以促進(jìn)蛋白質(zhì)/氨基糖類DON分子生成。進(jìn)一步針對典型的屬水平上測定結(jié)果表明，腐螺旋菌科(Saprospiraceae)、黃桿菌屬(Flavobacteria)、鞘氨醇桿菌屬(Sphingobacterium)、紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)、Skermanella和紅游動菌屬(Rhodoplanes)的相對豐度隨著BAC使用時間而增加，這些屬的微生物均與蛋白質(zhì)分解有關(guān)。其中，紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)、Skermanella和紅游動菌屬(Rhodoplanes)為典型的發(fā)酵微生物，它們在缺氧條件下可以將大分子DON化合物水解為小分子[16]，這些微生物主要分布在活性炭孔隙結(jié)構(gòu)和生物膜厚度內(nèi)層。

圖6 不同使用年限BAC微生物群落結(jié)構(gòu)差異Fig.6 Differences in Structure of BAC Microbial Communities under Different Service Years

2.4.3 BAC對水中DON的控制效能及可能作用途徑分析

綜合上述結(jié)果可知，BAC對水中DON的控制效能及作用過程較復(fù)雜，與處理過程中活性炭的吸附性能、微生物生長特性及代謝途徑緊密相關(guān)，可粗略分為去除和生成兩個部分，兩部分的具體分析如下。

DON的去除：基于水中含氮有機(jī)物的組成成分，其可以通過活性炭吸附、微生物的降解(氨化、亞硝化、硝化)以及同化作用等途徑進(jìn)行去除，且各途徑在不同使用年限BAC凈化過程中的貢獻(xiàn)存在一定差異，并導(dǎo)致對DON控制效能的不同。

DON的生成：主要來自于微生物降解過程中代謝產(chǎn)物的生成和釋放，凈化過程中的DON生成量和釋放量與活性炭顆粒上的生物種類、代謝途徑、生物膜厚度及其變化情況直接相關(guān)。

BAC在不同使用年限時對DON的作用途徑有一定差別。使用年限較短時，BAC的生物膜相對較薄、生物活性強(qiáng)、降解含氮有機(jī)物的微生物種類豐富，從而可以高效降低水中的含氮有機(jī)物并同化為微生物細(xì)胞，含氮類代謝產(chǎn)物的釋放量較低，同時對DON具有較強(qiáng)的吸附去除作用，因此，對進(jìn)水中的DON具有較好的去除效果；使用年限較長時，主體微生物種類豐度發(fā)生改變，且生物膜厚度顯著增厚，可在較短時間內(nèi)超過溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散的臨界厚度，導(dǎo)致代謝過程中生成更多含氮類代謝產(chǎn)物進(jìn)入水中，加之吸附作用較弱，導(dǎo)致DON整體去除效果較弱且易出現(xiàn)負(fù)去除現(xiàn)象。需要注意的是由于代謝過程中生成DON的組分與進(jìn)水中的存在明顯不同(圖2、圖3)，其消毒副產(chǎn)物生成勢也有一定的差別，BAC處理對消毒副產(chǎn)物的控制效能尚需后續(xù)進(jìn)一步細(xì)化研究。

3 結(jié)論

(1)BAC控制DON的效能隨使用年限呈現(xiàn)下降的趨勢，使用年限為0.3、2.0、5.0、10.0年的BAC在一個反沖洗周期中對DON的去除率分別為39.69%～66.96%、10.10%～39.78%、-4.18%～29.63%、-20.88%～19.87%。在夏季，使用年限超過5.0年的BAC和10.0年BAC在反沖洗周期后期出現(xiàn)負(fù)去除現(xiàn)象，去除率低至-20.88%。

(2)EEM和FTICR-MS分析結(jié)果表明，BAC工藝可以有效去除進(jìn)水中的DON，但會生成脂質(zhì)類、蛋白質(zhì)/氨基糖類的SMPs，且生成量隨使用年限呈現(xiàn)增加趨勢。

(3)BAC的生物量、生物活性均隨使用年限呈現(xiàn)一定的變化趨勢。使用年限較長的BAC生物量較大，易導(dǎo)致生物膜厚度超過臨界厚度，顯著改變微生物的降解效率和代謝途徑，導(dǎo)致EPS、SMPs等成分含量發(fā)生改變。

(4)BAC微生物群落隨使用年限在門、屬水平上均有一定程度的調(diào)整，變形菌門、厚壁菌門、放線菌門及 紅假單胞菌屬、Skermanella等門、屬的微生物豐度隨BAC使用年限明顯增加，一定程度上影響了出水中DON的組分及含量。