南水北调中线工程全线通水已3年有余, 南水水源水质虽优, 但其在长距离输送过程中, 由于沿途污染防控措施不足等原因, 容易滋生藻类、蛤类等, 进而有引发有机物二次污染的风险, 此类风险难控、不稳定且随温度变化较大, 对受水区饮用水处理工艺的设计、运行、管理提出了新的课题^[1]。

为有效应对长距离输水导致的风险, 受水区的北方某水厂作了很多尝试和探索。该水厂采用臭氧-生物活性炭深度处理工艺, 克服单纯活性炭在长期吸附过程中吸附容量有限的问题^[2], 以保障对有机物的去除。同时, 该水厂为防止生物活性炭层中微生物的泄漏, 将活性炭和石英砂顺序叠加, 但由于石英砂层容易堵塞, 需缩短反冲洗周期来实现对石英砂层的冲洗, 这与传统生物活性炭池又具有一定的差异性。

基于此, 研究水厂炭砂滤池对有机物的去除特性、生物种群结构及出水生物安全性, 对南水北调受水区有效应对南水的复杂性、保障供水安全具有重要意义。

该水厂产水量约41万m³/d, 自以南水作为原水以来, 已连续运行3年有余。原水经预加氯后依次进入格栅间、集水井, 经提升泵进入预臭氧接触池, 预氧化后进入机械加速澄清池, 采用聚氯化铝和三氯化铁混合作为混凝剂, 澄清池出水依次进入主臭氧接触池和炭砂滤池, 最后经紫外消毒或氯消毒后进入清水池。

水厂炭砂滤池共有24组48个滤池, 分为南系列12组、北系列12组。每组炭砂滤池的长、宽、高分别为14m、8m、6 m。炭砂滤池采用下向流运行方式, 来水先通过活性炭层、再流经石英砂层, 其中, 活性炭炭层高度600mm, 采用煤质颗粒活性炭, 呈柱状, 直径1.5mm, 长度1.25~2.5mm;石英砂层高度1 200mm, d₁₀为0.95~1.05mm, K₈₀<1.4, 运行时采用气水联合反冲洗方式, 反冲洗周期为夏季24h, 冬季36h。

高锰酸盐指数采用滴定法测定, 所采用水质分析方法依据国家标准方法 (GB 5749-2006) 。SU-VA₂₅₄是UV₂₅₄与DOC的比值, 其中UV₂₅₄为波长254nm的吸光度值 (cm^-1) , DOC为溶解性有机碳的值, 水样经0.45μm滤膜过滤后采用TOC测定仪获得。三氯甲烷和三卤甲烷由北京市自来水集团水质监测中心测定。

为研究炭砂滤池内活性炭表面菌群结构的变化, 分别取水厂南系列和北系列1#滤池炭层30cm处炭样表面微生物进行测序, 南系列命名为GNC, 相应冬季样品命名为DGNC;北系列命名为GBC, 相应冬季样品命名为DGBC。为进一步分析炭砂滤池出水的生物安全性, 夏季各取10L南系列和北系列滤池出水 (分别命名GNCC和GBCC) , 冬季取20L北系列滤池出水水样 (命名DBCC) , 均经0.22μm滤膜过滤, 过滤后的滤膜用于微生物多样性分析。

基因组DNA提取使用OMEGA公司E.Z.N.A Soil DNA试剂盒抽提基因组DNA, 得到的DNA用1%琼脂糖凝胶电泳检测。采用引物27F (5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′) 和533R (5′-TTACCGCGGCTGCTGGCAC-3′) 用于16SrRNA基因聚合酶链式反应 (PCR) 扩增。扩增产物进行高通量测序分析 (本次测序委托美吉生物公司完成) , 对各样品测序得到的有效序列数量均在3万条以上, 测序覆盖率均在99%以上, 具有较高的测序深度。

为比较臭氧的影响, 在夏季高温期7~8月间, 水厂炭砂滤池南系列前端主臭氧投加量为0.2~0.3mg/L, 北系列臭氧投加量为0 mg/L。从2个系列滤池出水对高锰酸盐指数的去除效能分析发现 (如图1所示) , 南系列滤池对高锰酸盐指数的平均去除量为0.25mg/L, 北系列滤池对高锰酸盐指数的平均去除量为0.21mg/L。

为解析炭砂滤池内生物膜群落结构与宏观处理效能的相关性, 借助高通量测序技术分析了不同物种组成的差异性。图2为组间差异显著性检验, 组间差异显著性检验是根据得到的样本群落丰度数据, 利用统计学方法检测不同样本微生物群落的丰度差异性, 并进行假设性检验评估差异的显著性。该图左侧纵轴表示门水平下的物种名称, 物种对应的柱子长度表示该物种在各样本中的相对丰度, 右侧为表征差异性大小的P值 (*表示0.01<P≤0.05, **表示0.001<P≤0.01, ***表示P≤0.001) 。从图中可见, 南系列炭样和北系列炭样在门水平上存在一定的差异性, 差异性显著的 (P值<0.05说明差异性显著) 是变形菌门 (GBC 68.81%、GNC 74.4%) 、绿弯菌门 (GBC 12.13%、GNC7.7%) 、拟杆菌门 (GBC 8.16%、GNC 7.14%) 、浮霉菌门 (GBC 4.1%、GNC 3.95%) 、蓝藻细菌 (GBC4.22%、GNC 2.59%) 、酸杆菌门 (GBC 1.49%、GNC 1.52%) 、硝化螺旋菌门 (GBC 0.32%、GNC0.94%) , 而放线菌门和尚未分类的菌门均含量较少, 差异性不显著。有研究表明^[3], 蓝藻细菌能产生一系列危及人类健康的藻毒素。由此可见, 臭氧的存在对蓝藻细菌有一定抑制作用, 可降低藻毒素污染风险。

在属水平上二者共有菌属153个, GNC独有的菌属为38个, GBC独有的菌属为13个。GNC和GBC 2个样品主要菌属的进化树 (选取分类水平前30的物种) 如图3所示, 图的左侧为系统发生进化树, 进化树的每条树枝代表一类物种, 树枝长度为2个物种间的进化距离, 即差异程度;右侧柱状图表示属于不同物种的序列在样品中所占的比例。

二者最主要的共有菌属为尚未分类的DSSF69, 该菌属属于鞘氨醇单胞菌科、α-变形菌纲, 从图中也可发现该菌属与鞘氨醇单胞菌亲缘关系较近。其次, 含有较大比例的是属于厌氧绳菌科的尚未分类的菌属 (norank_f_Anaerolineaceae) , 该菌科在产甲烷厌氧发酵过程中常见, 可降解碳水化合物和细胞材料等^[4]。分析认为, 因南系列滤池进水为臭氧接触氧化池出水, 使得滤池内部溶解氧高于北系列滤池, 促使GNC中厌氧绳菌属较GBC较少。此外, 生丝微菌属 (Hyphomicrobium) 和尚未分类的噬纤维菌科的菌属 (Cytophagaceae) 等也是优势菌属。在2个滤池中均含有硝化功能菌属 (Nitrosomonadaceae) , 说明炭砂滤池不仅能去除有机物, 也具有生物降解除氨氮的作用。

在滤池中还发现有少量的致病菌军团杆菌 (Legionella) 存在, 在GNC中含量较低, 仅有0.14%, 在GBC中含量较高, 含量为1.06%。GNC的进水为臭氧接触池出水, 说明臭氧可能对军团杆菌增殖有一定抑制作用, 能降低滤池致病菌滋生风险。

该水厂在运行过程中, 因进水藻类浓度较高, 需增加预氧化剂次氯酸钠投加量, 从而使得消毒副产物成为炭砂滤池去除的主要目标污染物。

分别于夏季、冬季对炭砂滤池出水三氯甲烷和三卤甲烷进行了监测分析。由图4和图5所示, 炭砂滤池对氯代消毒副产物有一定的去除效果, 在冬季、夏季两个不同监测期间, 滤池对三氯甲烷和三卤甲烷的平均去除率分别为18.12%和17.68%。总体而言, 滤池在冬季对消毒副产物的去除效果明显优于夏季。值得注意的是部分时间段滤池对消毒副产物的去除不稳定, 去除率较低甚至呈负去除。分析发现, 炭砂滤池出水比机械加速澄清池出水高的月份中, 炭池进水端消毒副产物浓度均较低, 可见当水溶液和活性炭出现逆浓度差的时候, 活性炭有释放目标污染物的风险。因此, 当进水端消毒副产物或前体物浓度出现波动时, 更应密切关注、调节炭砂滤池的运行工况。

为探讨冬季炭砂滤池去除消毒副产物较夏季明显增高的原因, 对夏季高温期和冬季低温期炭料表面生物群落结构的差异进行了研究。对冬季DG-BC、DGNC和夏季GBC、GNC样品中选择数量排名前30的物种 (按属划分) 做了群落Heatmap图分析 (见图6) 。从图中可明显看出, 夏季高温时期GBC和GNC属于另一个分支, 冬季低温时期DGBC和DGNC属于一个分支, 说明温度对菌群结构影响较大。具体从菌属组成方面有更为明显的体现, 特别是鞘氨醇单胞菌变化明显, 在夏季GBC和GNC中所占比例分别为1%和3%, 在冬季DGBC和DGNC中分别变为26%和29%, 比例骤增。研究表明, 鞘氨醇单胞菌对消毒副产物的主要前体物芳香化合物有特异的生物降解作用^[5,6]。此外, 甲基杆菌属 (Meganema) 在冬季时也明显增多;而夏季时的优势菌属为尚未分类的DSSF69, 在低温时丰度下降, GBC和GNC所占比例由夏季的37%和42%, 在冬季DGBC和DGNC分别变为21%和17%;属于厌氧绳菌科的尚未分类的菌属 (Anaerolineaceae) 、生丝微菌属 (Hyphomicrobium) 和硝化功能菌属 (Nitrospira和Nitrosomonadaceae) 变化较小。

为进一步探究滤池出水的生物安全性, 对冬季、夏季北系列炭砂滤池出水的微生物多样性做了Heatmap图分析。如图7所示, 整体而言, 受温度影响滤池出水生物多样性差异性较大, 夏季滤池出水微生物丰度较冬季大部分均有明显升高。冬季、夏季滤池出水中并未发现致病军团菌, 但由前2.1节所述可知, 在夏季活性炭层存在一定数量的军团杆菌 (Legionella) , 不排除在水力冲刷过程中带到出水端, 因此在夏季时要对滤池的出水生物安全性加以重视。

由于夏季温度较高, 生物增殖快, 因此对容易导致水中臭味的真菌多样性也进行了分析。如图8所示, 夏季出水端真菌种类较多, 食细菌线虫单宫属 (Monhysterida) 丰度为1.03%, 致病菌属曲霉菌 (Aspergillus) 含量较高, 丰度为5.82%, 还有较高丰度的纤毛虫 (Choreotrichia) , 丰度为8.36%, 属于藻类的隐藻属 (Cryptomonas) , 丰度为5.05%。

借助多级物种Sunburst图分析了真菌物种比例和分布, 如图9所示。该图通过多个同心圆由内向外直观地展现不同分组在不同分类学水平的物种比例和分布, 从里圈往外圈看, 依次是界、门、纲、目、科、属、种水平的物种组成, 可清晰看出箭头指向a区是含有较高丰度的物种norank_p_p1-31 (丰度为21.3%) 和箭头指向b区的物种g_Cryptophyceae在最里圈属于同一区块, 亦即二者均属于隐藻门, 可见滤池出水中真菌部分藻类所占比例较高, 而含量最高的是c区子囊菌门, 丰度为43.1%, 主要由肉座菌 (丰度为17.1%) 、尚未分类的煤炱目菌属 (丰度为20.2%) 和致病菌曲霉菌组成。

基于前述对炭砂滤池运行特性的分析和滤池内菌群生物安全性的研究, 得到如下结论:

(1) 高温高藻期, 可采用臭氧和炭砂滤池组合工艺, 该组合工艺可减少滤池出水致病菌和蓝藻, 对有机物的去除也有一定作用。高温期滤池出水有致病细菌军团菌和真菌曲霉菌出现, 藻类含量较多, 应予以重视。

(2) 炭砂滤池内微生物菌群结构受温度影响演替明显, 冬季低温期和夏季高温期差异性较大, 鞘氨醇单胞菌在低温期比例骤增, 与冬季滤池对消毒副产物去除效果较好具有相关性。

(3) 冬季军团菌在炭料上极少, 在炭砂滤池出水端并未发现, 说明活性炭和石英砂叠加的滤池的结构对提高出水生物安全性是有益的。此外, 建议冬季适当延长滤池反洗周期, 以利于降解有机物的功能菌附着在炭料上。