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《中國環(huán)境科學(xué)雜志》2014年第八期

1材料與方法

1.1污水水樣污水水樣取自上海市Q污水廠沉砂池出水段,用25L滅菌聚乙烯塑料桶盛裝后15min內(nèi)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

1.2活性污泥系統(tǒng)

1.2.1反應(yīng)器設(shè)計(jì)主體裝置為2個(gè)相同的圓柱形有機(jī)玻璃反應(yīng)器(圖1),內(nèi)徑14cm,高度26cm,有效容積3.85L,采用磁力攪拌器攪拌,增氧泵曝氣.系統(tǒng)以SBR的方式運(yùn)行.

1.2.2反應(yīng)器啟動及運(yùn)行反應(yīng)器的接種污泥取自上海Q污水廠回流污泥,將污泥接種于2個(gè)反應(yīng)器內(nèi),至反應(yīng)器體積的1/3左右,再加入Q污水廠沉砂池出水至頂端刻度線.保持?jǐn)嚢韬推貧獠⒚刻旄鼡Q一次進(jìn)水.定期監(jiān)測反應(yīng)器混合液污泥濃度(MLSS)和污泥沉降比(SV);當(dāng)MLSS>1000mg/L,SV在30%左右后認(rèn)為污泥馴化完畢.將兩反應(yīng)器污泥混合液充分混合攪拌后均分至A、B兩個(gè)反應(yīng)器中.運(yùn)行期間,兩反應(yīng)器的運(yùn)行周期均設(shè)置為8h,攪拌器轉(zhuǎn)速為100r/min,DO濃度保持在2~3mg/L,污泥齡均為8d,周期內(nèi)進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水4個(gè)反應(yīng)階段運(yùn)行時(shí)間兩反應(yīng)器保持一致且分別為2,448,25,5min,通過調(diào)節(jié)進(jìn)水水力負(fù)荷,使得2個(gè)反應(yīng)器的污泥負(fù)荷分別為0.24和0.4kgCOD/(kgMLSS⋅d).按照上述反應(yīng)條件運(yùn)行5周,期間定期監(jiān)測出水COD、濁度等指標(biāo),確保反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

1.3取樣及水質(zhì)分析在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行5周后開始取樣,取樣點(diǎn)包括進(jìn)水,2個(gè)反應(yīng)器活性污泥混合液、出水以及剩余污泥,取樣量均為50mL.立即監(jiān)測其污泥濃度(MLSS)、pH值、濁度、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、總氮(TN)總磷(TP)等指標(biāo),剩余水樣置于4℃保存以用于后續(xù)抗藥細(xì)菌的檢測.pH值采用便攜式pH計(jì)(pH340i,WTW)測定;濁度采用便攜式濁度儀(2100P,HACH)測定;COD采用COD快速測定儀(DR2800,HACH)測定;SS、NH4+-N、NO3-N、TN、TP和MLSS采用國標(biāo)中規(guī)定的方法進(jìn)行測定.

1.4抗性異養(yǎng)菌檢測采用細(xì)菌平板計(jì)數(shù)(標(biāo)準(zhǔn))的方法檢測磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)目.向滅菌冷卻后的營養(yǎng)培養(yǎng)基(牛肉膏3g/L,蛋白胨10g/L,NaCl5g/L,瓊脂15g/L,pH7.2±0.2)中加入一定量的抗生素試劑,使培養(yǎng)基中的磺胺嘧啶濃度達(dá)到512mg/L.培養(yǎng)基中磺胺嘧啶的濃度根據(jù)CLSI(2011版)[13]中規(guī)定的各種常見病原菌對磺胺嘧啶具有抗藥性的標(biāo)準(zhǔn)中最大值確定.分別取一系列濃度梯度稀釋后的水樣(或泥樣)1mL加至含有上述培養(yǎng)基的皮式培養(yǎng)皿中混合,待冷卻凝固后放入恒溫培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)24h,統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)在20~300CFU/mL的培養(yǎng)皿,確定磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)目.每個(gè)梯度濃度的樣品均設(shè)置3個(gè)平行樣本.此外,將1mL同樣梯度稀釋操作的上述水樣加入不含磺胺嘧啶的營養(yǎng)培養(yǎng)基中同時(shí)進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù)操作,用來反映水樣中的異養(yǎng)菌總數(shù)目.

1.5數(shù)據(jù)分析

1.5.1磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌比例該比例由磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌數(shù)除以相應(yīng)的總異養(yǎng)菌數(shù)得到.

1.5.2磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌凈比生長速率采用凈比生長速率來描述污泥負(fù)荷對磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌生長的影響.凈比生長速率采用式(1)計(jì)算.inineenetwwddxVQXQXXVQXt=−+µ−(1)式中:µnet為磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌凈比生長速率,d1;ddxt為磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度變化率,CFU/d;X為SBR混合液中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Xin為進(jìn)水中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Xe為出水中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Xw為剩余污泥中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Qin為日進(jìn)水量,L/d;Qw為日排泥量,L/d;Qe為日排水量,L/d;V為反應(yīng)器有效體積,L.1.5.3統(tǒng)計(jì)分析統(tǒng)計(jì)分析測試采用SPSS19.0進(jìn)行.利用t-分布來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的顯著性差異,檢驗(yàn)過程在顯著性水平為0.05下進(jìn)行.

2結(jié)果與討論

2.1污泥負(fù)荷對活性污泥系統(tǒng)中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度分布的影響反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間主要水質(zhì)參數(shù)見表1.可以看出,盡管兩反應(yīng)器的污泥負(fù)荷不同,但它們在好氧條件下進(jìn)行的有機(jī)物降解、硝化反應(yīng)等都較為充分,說明兩反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定,且均處于較優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行,且兩個(gè)系統(tǒng)對常規(guī)指標(biāo)的去除效果相近,并未因污泥負(fù)荷不同而有明顯差異.不同污泥負(fù)荷的兩反應(yīng)器系統(tǒng)中各點(diǎn)位磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度和相對豐度(以所占百分比表示)見圖2.進(jìn)水中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌的濃度為(4250±250)CFU/mL,所占百分比為17.6%±2.6%,由于磺胺類藥物價(jià)格低廉在水產(chǎn)和家禽養(yǎng)殖使用較廣泛[14],較高濃度的磺胺類抗生素在我國包括污水廠和其他水環(huán)境中也都有檢出[15],這可能導(dǎo)致微生物對磺胺類抗生素的較高抗藥率.在活性污泥混合液樣品中,低污泥負(fù)荷樣品抗藥細(xì)菌的豐度相比進(jìn)水無明顯改變,濃度為(5000±1000)CFU/mL,而污泥負(fù)荷為0.4的樣品濃度顯著提高(P<0.05),達(dá)到(40000±10000)CFU/mL,為低污泥負(fù)荷樣品的8倍.在其他運(yùn)行條件一致的情況下,污泥負(fù)荷有利于磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌在活性污泥系統(tǒng)中的增殖.污水經(jīng)處理后反應(yīng)器出水細(xì)菌濃度明顯降低(P<0.05),去除率分別達(dá)97.6%和97.0%,但活性污泥系統(tǒng)無法完全去除水中的抗藥細(xì)菌,出水中仍含有較高濃度的磺胺嘧啶抗藥異養(yǎng)菌,而且濃度隨著污泥負(fù)荷的升高而顯著升高.高污泥負(fù)荷下出水抗藥細(xì)菌的排放濃度是低污泥負(fù)荷的10倍.這表明常規(guī)工藝出水是環(huán)境中潛在的抗藥細(xì)菌儲存庫,后續(xù)進(jìn)一步降低抗藥細(xì)菌風(fēng)險(xiǎn)的處理方法(如氯消毒、紫外消毒)仍十分必要.剩余污泥樣品由于污泥的濃縮細(xì)菌的濃度大大提高,抗藥菌濃度也顯著高于其他點(diǎn)位,剩余污泥是污水處理系統(tǒng)中抗藥細(xì)菌排放的重要方式.對比不同負(fù)荷下抗藥細(xì)菌的濃度發(fā)現(xiàn),較高負(fù)荷系統(tǒng)中的抗藥細(xì)菌濃度(101667±7368)CFU/mL仍高于低負(fù)荷(61667±12583)CFU/mL,但此時(shí)兩者的相對豐度相差不大(分別為18.7%和17.4%)且和進(jìn)水相比無顯著差距.綜合分析污泥負(fù)荷對磺胺嘧啶抗藥細(xì)菌豐度的影響,發(fā)現(xiàn)負(fù)荷提高使抗藥菌在活性污泥、出水和剩余污泥中的濃度均提高.這種提高可能主要是由于負(fù)荷提高加快了污泥生長,使抗藥細(xì)菌在活性污泥系統(tǒng)中的濃度也相應(yīng)提高,但從抗藥細(xì)菌的相對豐度看,各點(diǎn)位磺胺嘧啶抗藥細(xì)菌百分比均不隨污泥負(fù)荷的提高而發(fā)生顯著改變(P>0.05),表明污泥負(fù)荷不會顯著改變活性污泥系統(tǒng)磺胺嘧啶抗藥細(xì)菌的抗藥特性.

2.2污泥負(fù)荷對磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌生長及排放的影響采用凈比生長速率和細(xì)菌產(chǎn)量兩項(xiàng)指標(biāo)來反映系統(tǒng)中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌的生長狀況.從表2可以看出,高負(fù)荷下耐磺胺嘧啶異養(yǎng)菌的凈比生長速率略高于低污泥負(fù)荷,而產(chǎn)量顯著高于后者,表明污泥負(fù)荷的提高有利于磺胺嘧啶抗藥細(xì)菌的生長,這也導(dǎo)致高負(fù)荷下系統(tǒng)中包括混合液、出水和剩余污泥各點(diǎn)位的細(xì)菌濃度均高于低污泥負(fù)荷.相比之下兩反應(yīng)器中異養(yǎng)菌總數(shù)的比生長速率分別為0.35和0.38d1,不同污泥負(fù)荷下異養(yǎng)菌總數(shù)的生長速率和產(chǎn)量均高于抗磺胺嘧啶異養(yǎng)菌,可能是因?yàn)榭剐约?xì)菌只占總異養(yǎng)菌的一部分,因而產(chǎn)量低于后者,這也導(dǎo)致在混合液中抗性細(xì)菌的比例有所降低.低污泥負(fù)荷下磺胺嘧啶抗藥菌的排放比高達(dá)28.4,說明在負(fù)荷較低的條件下絕大部分抗藥菌都是通過剩余污泥的方式排放,其在出水中的排放量只占極小的比例,負(fù)荷提高后,通過出水排放的抗藥細(xì)菌量顯著提高,已經(jīng)接近剩余污泥中的排放量(排放比1.1),成為抗藥細(xì)菌排放的主要方式之一,隨著負(fù)荷進(jìn)一步提高,排放比將進(jìn)一步降低,但進(jìn)一步增加負(fù)荷可能會影響生物處理工藝對常規(guī)污染物的去除效果,使出水水質(zhì)下降。高污泥負(fù)荷反應(yīng)器由于出水抗藥性細(xì)菌的排放量顯著增加,其排放總量也顯著升高,從5.9×106CFU/d變?yōu)?.8×107CFU/d,但由于此時(shí)水力負(fù)荷是低污泥負(fù)荷下的4倍,相同水力負(fù)荷下,高污泥負(fù)荷的抗性細(xì)菌排放量反而有顯著降低(P<0.05),從抗藥細(xì)菌風(fēng)險(xiǎn)控制的角度來看,負(fù)荷提高更有利于抗藥細(xì)菌的控制.另外,高污泥負(fù)荷下排水將成為抗藥性細(xì)菌排放的重要形式,就我國目前對污水生物處理工藝出水和剩余污泥的后續(xù)處理來看,一般污水廠出水還都會經(jīng)過深度處理或消毒處理后排放,通常對包括抗藥細(xì)菌在內(nèi)的各類微生物有比較好的殺滅效果;而剩余污泥處理過程復(fù)雜,處理費(fèi)用較高,一般污水廠不會對其進(jìn)行十分完善的處理,經(jīng)過常規(guī)的濃縮、穩(wěn)定、脫水過程后,污泥的抗藥性風(fēng)險(xiǎn)可能并未有較明顯降低,因而小污泥負(fù)荷處理污水不利于抗藥性風(fēng)險(xiǎn)的控制.另一方面,發(fā)展低排泥量的處理工藝,如采用氧化溝或MBR工藝等,可能有助于控制抗藥性風(fēng)險(xiǎn).當(dāng)然,本研究僅以磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌為例考察了其在活性污泥系統(tǒng)中的歸趨行為,其他常見抗性細(xì)菌在污水生物處理工藝的歸趨特性以及可能影響抗藥細(xì)菌分布的其他運(yùn)行條件,如曝氣條件,污泥齡,水力停留時(shí)間等需要在以后的研究中進(jìn)一步探討.

3結(jié)論

3.1污泥負(fù)荷增大[0.4kgCOD/(kgMLSS⋅d)]使活性污泥系統(tǒng)中混合液、出水和剩余污泥中磺胺嘧啶抗藥異養(yǎng)菌的濃度顯著提高,分別是低污泥負(fù)荷[0.24kgCOD/(kgMLSS⋅d)]下的8倍、10倍和1.7倍;但污泥負(fù)荷改變對抗藥細(xì)菌的相對豐度無顯著影響.

3.2污泥負(fù)荷的提高有利于活性污泥系統(tǒng)中磺胺嘧啶抗藥細(xì)菌的生長,凈比生長速率和細(xì)菌產(chǎn)量分別由0.32d1和2.3×106CFU/d提高至0.33d1和3.1×106CFU/d.

3.3較低污泥負(fù)荷下抗藥細(xì)菌主要通過剩余污泥形式排放,排放比(泥/水)為28.4;負(fù)荷提高后,通過出水排放抗藥細(xì)菌的比例顯著提高,排放比(泥/水)達(dá)1.1.

3.4處理單位污水,2種污泥負(fù)荷反應(yīng)器磺胺嘧啶抗藥細(xì)菌排放量分別為3.3×106CFU/L和2.6×106CFU/L,提高污泥負(fù)荷有利于活性污泥系統(tǒng)抗藥性風(fēng)險(xiǎn)的控制.

作者：袁青彬郭美婷楊健單位：同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院