污水處理廠微生物氣溶膠的污染特性研究

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的污水處理廠相繼開始實(shí)施。在污水處理過(guò)程中，污水處理廠也產(chǎn)生了一些有害的污染，因此已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的新空氣源。例如，廢水中的各種微生物以氣候平衡的形式在暴露和機(jī)械攪拌的影響下以氣候平衡的形式傳播到空氣中，形成微生物氣合團(tuán)，這可能會(huì)影響到空氣環(huán)境和污水處理廠的工人和周圍居民。因此，我們必須了解污水處理廠產(chǎn)生的微生物氣候平衡的污染特性，這對(duì)環(huán)境效應(yīng)和健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估具有重要的理論和實(shí)踐意義。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)污水處理產(chǎn)生的微生物氣溶膠的研究主要集中在3個(gè)方面:一是污水處理廠生成的細(xì)菌和真菌型微生物氣溶膠的種屬和濃度[6~9];二是污水處理工藝及運(yùn)行方式、氣象條件和采樣方式等因素對(duì)微生物氣溶膠生成的影響[10~14];三是污水處理廠生成的微生物氣溶膠的擴(kuò)散傳輸規(guī)律及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).然而,微生物氣溶膠對(duì)環(huán)境和人體健康的影響除了與其濃度和種類有關(guān),還與粒徑分布直接相關(guān).而目前在污水處理廠微生物氣溶膠粒徑分布方面的研究非常有限.另外,已有的文獻(xiàn)只涉及了細(xì)菌、真菌和病毒類氣溶膠,還沒有關(guān)于放線菌氣溶膠的報(bào)道.流行病學(xué)研究表明,放線菌也是空氣中常有的微生物,放線菌粒子進(jìn)入人體后,會(huì)導(dǎo)致顎骨腫瘤和肺部感染等疾病,甚至造成死亡[19~21].因此,污水處理廠產(chǎn)生的放線菌氣溶膠對(duì)人體健康的影響也不容忽視.鑒于此,筆者選取西安市一個(gè)典型城市污水處理廠為研究對(duì)象,對(duì)不同污水處理單元生成的細(xì)菌、真菌和放線菌這3類微生物氣溶膠進(jìn)行采樣分析,旨在獲得城市污水處理廠生成的微生物氣溶膠的濃度與粒徑分布等污染特征,為評(píng)估污水微生物氣溶膠引起的環(huán)境效應(yīng)和健康風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).1采樣與分析1.1采樣點(diǎn)樣的選取研究對(duì)象選取位于西安市東郊的西安市第三污水處理廠.該廠占地面積2.15×105m2,通過(guò)市政管網(wǎng)集納生活廢水,采用奧貝爾氧化溝工藝,處理能力為2×105m3·d-1,服務(wù)人口29萬(wàn)人.采樣點(diǎn)布置在污水處理廠的曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池、污泥脫水車間和出水口等5個(gè)污水處理單元以及廠區(qū)上風(fēng)向100m處的背景值點(diǎn),具體位置如圖1所示.各采樣點(diǎn)除了污泥脫水車間,均為室外采樣.曝氣沉砂池采用鼓風(fēng)曝氣,氧化溝采用水平轉(zhuǎn)刷曝氣,污泥脫水車間采用離心式脫水機(jī)處理污泥.采樣時(shí)間為2011年6~7月,采樣時(shí)段為10:00~13:00,每次采樣均選擇氣象條件相似的天氣進(jìn)行,以減小氣象因子對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響.采樣期間,室外氣溫范圍26.9~30.2℃,平均溫度27.9℃,主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng),平均風(fēng)速0.6m·s-1,平均相對(duì)濕度55.3%.采樣儀器采用Andersen六級(jí)撞擊式空氣采樣器(Westech,UK),粒子的空氣動(dòng)力學(xué)截留直徑分別為0.65、1.1、2.1、3.3、4.7和7.0μm.采樣流量為28.3L·min-1,樣品采集時(shí)間為10min,采樣時(shí)進(jìn)氣口距離地面約1.5m,每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)取樣3次.1.2培養(yǎng)和測(cè)定菌株活性微生物粒子數(shù)采用平皿培養(yǎng)和平板菌落計(jì)數(shù)法來(lái)檢測(cè)分析微生物的類別和濃度.每次采樣放入6個(gè)經(jīng)滅菌處理(121℃和30min)的93mm玻璃培養(yǎng)皿,每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)裝有30mL適應(yīng)于相應(yīng)微生物生長(zhǎng)的培養(yǎng)基.采樣完成后,迅速將培養(yǎng)皿取出、加蓋、倒置,然后放入培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng).細(xì)菌采用營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,37℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)48h;真菌采用沙氏培養(yǎng)基,28℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)72h;放線菌采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基,28℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)120h.每次采樣前后,使用75%的酒精對(duì)Andersen采樣儀的各級(jí)進(jìn)行消毒處理.為了避免培養(yǎng)皿上微生物粒子的重疊現(xiàn)象,采用式(1)的活性微生物粒子數(shù)校正公式:式中,Pr和r分別表示校正后菌落數(shù)和實(shí)際菌落數(shù);N為采樣器各級(jí)采樣孔數(shù).然后根據(jù)采樣時(shí)間t和采樣流量Q,由公式(2)可以得出各級(jí)空氣中微生物氣溶膠的數(shù)濃度:式中,c表示空氣微生物濃度,以菌落形成單位表示(CFU·m-3).2結(jié)果與討論2.1微生物氣溶膠濃度廠內(nèi)各個(gè)處理單元均檢測(cè)出細(xì)菌、真菌和放線菌,其氣溶膠濃度水平如圖2所示.其中每一個(gè)采樣點(diǎn)的濃度結(jié)果均由算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差組成.從圖2可以看出,各采樣點(diǎn)的細(xì)菌氣溶膠濃度從高到低依次為:污泥脫水車間[(7866±970)CFU·m-3]>氧化溝[(4328±347)CFU·m-3]>曝氣沉砂池[(3117±233)CFU·m-3]>終沉池[(2755±212)CFU·m-3]>出水口[(1696±96)CFU·m-3]>背景值[(1165±39)CFU·m-3].對(duì)于真菌氣溶膠,各采樣點(diǎn)的濃度從高到低的順序?yàn)?氧化溝[(2156±119)CFU·m-3]>污泥脫水車間[(1014±51)CFU·m-3]>曝氣沉砂池[(910±55)CFU·m-3]>終沉池[(850±41)CFU·m-3]>出水口[(822±70)CFU·m-3]>背景值[(599±87)CFU·m-3].而對(duì)于放線菌氣溶膠,其濃度由高到低表現(xiàn)為:污泥脫水車間[(2139±229)CFU·m-3]>氧化溝[(1705±96)CFU·m-3]>曝氣沉砂池[(1291±69)CFU·m-3]>終沉池[(949±120)CFU·m-3]>出水口[(902±54)CFU·m-3]>背景值[(473±46)CFU·m-3].顯然,對(duì)于污水處理廠各處理單元,檢測(cè)的3類微生物氣溶膠的濃度均大于各自的背景值,其中細(xì)菌和放線菌氣溶膠濃度最大值出現(xiàn)在污泥脫水車間,而真菌氣溶膠濃度的最大值均出現(xiàn)在氧化溝.同時(shí)還發(fā)現(xiàn),凡是有曝氣(比如氧化溝)和高速機(jī)械操作(污泥脫水車間)的處理單元,3類微生物氣溶膠的濃度都較高.根據(jù)文獻(xiàn)規(guī)定的我國(guó)室內(nèi)空氣環(huán)境中細(xì)菌濃度2500CFU·m-3的限值,污泥脫水車間的細(xì)菌濃度已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的3.1倍,超標(biāo)嚴(yán)重,而氧化溝的值略小于這個(gè)限值,這一方面表明高強(qiáng)度機(jī)械操作和曝氣是污水處理廠微生物氣溶膠的主要源,另一方面也說(shuō)明了室內(nèi)外空氣流通程度對(duì)細(xì)菌氣溶膠的濃度水平有十分重要的影響.由于目前國(guó)內(nèi)外沒有真菌和放線菌的濃度限值可供參考,這里未能對(duì)它們是否超標(biāo)進(jìn)行評(píng)估.2.2各處理單元的氣溶膠粒徑分布圖3為污水處理廠生成的3類微生物氣溶膠的粒徑分布.這里的濃度是各個(gè)處理單元生成的微生物氣溶膠的濃度之和.可以看到,污水廠生成的細(xì)菌、真菌和放線菌氣溶膠的粒徑分布均呈現(xiàn)負(fù)偏態(tài)分布,但是峰值對(duì)應(yīng)的粒徑范圍不同.其中,細(xì)菌與真菌氣溶膠濃度最高出現(xiàn)在2.1~3.3μm范圍,對(duì)應(yīng)的頻率分別為25.5%和29.8%;放線菌氣溶膠濃度最高出現(xiàn)在1.1~2.1μm范圍,對(duì)應(yīng)的頻率為33.8%.從圖3中還可以看出,3類微生物氣溶膠的粒徑主要分布在1.1~4.7μm,分別占細(xì)菌、真菌和放線菌氣溶膠總數(shù)的61.2%、67%和62.8%.這主要是由于污泥脫水車間和氧化溝這2個(gè)最主要的微生物氣溶膠源生成的氣溶膠粒徑絕大多數(shù)在1.1~4.7μm范圍.這一點(diǎn)還可以從圖4中更清楚地看到.另外,圖3的結(jié)果也表明在<1.1μm的氣溶膠中也存在著真菌.這是因?yàn)楸狙芯糠治鰴z測(cè)的是總真菌,即包括了個(gè)體微小的1μm左右的單細(xì)胞真菌或孢子,也包括了個(gè)體稍大的多細(xì)胞真菌.圖4統(tǒng)計(jì)了各污水處理單元生成的微生物氣溶膠的粒徑頻率分布.由圖4可見,污水處理廠各處理單元生成的細(xì)菌、真菌和放線菌氣溶膠的粒徑分布盡管也呈現(xiàn)偏正態(tài)分布,但是也存在著較大的差異.從圖4(a)可以看出,曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池和污泥脫水車間的細(xì)菌氣溶膠的粒徑分別集中在2.1μm以上、1.1~4.7μm、2.1μm以上和0.65~4.7μm,分別占總數(shù)的82.2%、65.9%、71.3%和83.8%,其中前三者的峰值都分布在2.1~3.3μm,而污泥脫水車間的峰值分布在3.3~4.7μm.從圖4(b)可以看出,曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池和污泥脫水車間生成的真菌氣溶膠的絕大多數(shù)都分布在1.1~3.3μm范圍,分別占總數(shù)的57.6%、50.7%、48.2%和55.9%.各污水處理單元的峰值均出現(xiàn)在2.1~3.3μm.從圖4(c)可以看出,曝氣沉砂池、終沉池、污泥脫水車間的放線菌氣溶膠均在1.1~2.1μm出現(xiàn)峰值,且此時(shí)的粒徑頻率較高,分別占總數(shù)的31.1%、37.5%、32.0%.氧化溝的峰值出現(xiàn)在3.3~4.7μm,占總數(shù)的30.9%.2.3有機(jī)溶膠粒徑的分布根據(jù)粒徑頻率分布,又計(jì)算得到了各個(gè)處理單元生成的3類微生物氣溶膠的中值直徑,如表1所示.可以觀察到,除氧化溝之外,每一處理單元上3類微生物氣溶膠中值直徑的高低順序是相同的,即細(xì)菌氣溶膠中值直徑>真菌氣溶膠中值直徑>放線菌氣溶膠中值直徑.這可能是因?yàn)榧?xì)菌主要吸附在塵埃粒子表面,而真菌和放線菌則是以單個(gè)孢子的形式存在于空氣中的緣故.另外還可以發(fā)現(xiàn),不同處理單元上同一類微生物氣溶膠的中值直徑也不相同.細(xì)菌、真菌和放線菌氣溶膠中值直徑最大值分別出現(xiàn)在曝氣沉砂池、氧化溝和氧化溝,最小值均在污泥脫水車間.這表明,曝氣沉砂池和氧化溝生成的微生物氣溶膠的粒徑普遍大于污泥脫水車間.這主要與曝氣沉砂池所采用的鼓風(fēng)曝氣方式以及氧化溝所采用的轉(zhuǎn)刷曝氣方式容易逸出較大的氣溶膠粒徑有關(guān).表1還給出了污水處理廠總的3類微生物氣溶膠的中值直徑,分別是細(xì)菌氣溶膠約為3.2μm,真菌氣溶膠約為2.8μm,放線菌氣溶膠約為2.3μm.根據(jù)肺氣體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的研究結(jié)果,2.1~3.3μm的氣溶膠粒子在人的支氣管沉積率最大,且粒徑越小越容易沉積.因此污水處理廠生成的放線菌相比細(xì)菌和真菌氣溶膠更容易進(jìn)入人體的支氣管,從而造成潛在的健康危害,這一點(diǎn)需要引起足夠的重視.2.4不同粒徑小麥粉氣溶膠的濃度減少率為了考察微生物氣溶膠濃度的空間變化,分別在氧化溝與曝氣沉砂池的下風(fēng)向1~10m處采樣,進(jìn)行對(duì)比分析.圖5為不同微生物粒子濃度的空間變化情況.從中可以看出,從下風(fēng)向1~10m處,>7.0μm的細(xì)菌、真菌和放線菌粒子的濃度減少非常明顯,而0.65~1.1μm的3類微生物粒子的濃度減少率均較小.這表明,不同粒徑大小的微生物氣溶膠的濃度減少率隨下風(fēng)向距離的變化情況不同,粒徑大的濃度減少率大,粒徑小的濃度減少率小.從3類微生物之間的比較來(lái)看,細(xì)菌氣溶膠的濃度減少率隨粒徑的變化而變化的程度最大,真菌次之,放線菌最小.3菌株氣溶膠粒徑分布(1)污水處理廠內(nèi)各個(gè)處理單元均檢測(cè)出細(xì)菌、真菌和放線菌微生物氣溶膠,但是它們?cè)诟魈幚韱卧臐舛戎荡嬖诤艽蟛町?其中細(xì)菌和放線菌氣溶膠濃度最大值出現(xiàn)在污泥脫水車間,而真菌氣溶膠濃度的最大值出現(xiàn)在氧化溝.污泥脫水車間的細(xì)菌氣溶膠濃度超過(guò)我國(guó)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定限值的3.1倍.(2)污水處理廠生成的細(xì)菌、真菌和放線菌氣溶膠的粒徑分布均呈正偏態(tài)分布,但粒徑分布的范圍各不相同.細(xì)菌和真菌氣溶膠粒徑分布的峰值出現(xiàn)在2.1~3.3