耐氯芽孢菌对供水系统水质安全的影响及工程控制措施

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氯因其杀菌高效、稳定性好、成本低等特点,在饮用水处理中已有百余年的使用历史,至今仍是世界范围内使用最为广泛的消毒剂,为供水安全作出了重要贡献。虽然氯消毒能够有效灭活绝大多数病原菌,但部分细菌对氯具有较强的耐受性、甚至在余氯存在的条件下仍能生长,这部分细菌被称为耐氯菌。近年来,我国南方某市饮用水厂中多次发生季节性菌落总数超标风险,均由耐氯菌引起。部分耐氯菌具有致病性,对饮用水安全构成严重威胁。因此,如何控制耐氯菌的生长繁殖、降低菌落总数超标风险,是目前饮用水安全保障亟需解决的问题。本研究针对由耐氯菌引起的季节性水质风险问题,采用高通量测序技术对供水系统中细菌群落进行解析,并对芽孢的分布规律进行研究,以明确耐氯菌的组成与分布规律;以饮用水厂中分离出的3种芽孢形成菌作为典型耐氯菌,分析其生物学特性;在以上研究的基础上,进行耐氯菌控制技术研究,并以我国南方某水厂改造工程为依托,将形成的关键技术进行工程应用。研究结果显示:供水系统中细菌群落指数、菌落总数和芽孢数整体上雨季高于旱季,且其沿水处理工艺过程整体呈下降趋势,但在砂滤池和炭滤池出水中存在升高现象,水处理工艺过程中对细菌群落指数、菌落总数和芽孢数起到削减作用的工艺单元包括混凝沉淀、臭氧化、超滤和消毒。耐氯菌属从水源到水厂逐渐增多,致病性耐氯菌属主要包括分枝杆菌属(Mycobacterium)和芽孢杆菌属(Bacillus);非致病性耐氯菌属主要包括鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)和甲基杆菌属(Methylobacterium)。陶瓷超滤膜能够实现对3种典型耐氯菌(蜂房芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和梭形芽孢杆菌)的完全截留去除。此外,梭形芽孢杆菌与其芽孢的细胞表面疏水性,及对氯(Cl2)和二氧化氯(Cl O2)的耐受性均最高。Cl2和Cl O2预氧化能有效刺激芽孢形成菌转化为芽孢,且芽孢在强化混凝沉淀工艺中能够被强化去除。单独使用紫外(UV)高效灭活芽孢形成菌所需的UV剂量较高,但基于UV的高级氧化技术(UV-AOPs),特别是UV与单过硫酸氢钾(UV/PMS),及UV与Cl2组合工艺(尤其是UV-Cl2)均能有效强化对芽孢形成菌的灭活。UV单独灭活时,灭活后菌体细胞表面产生轻微褶皱,体积缩小,且细胞内部结构紊乱,局部产生低电子密度水肿区,但菌体细胞结构仍完整,未有细胞内容物泄漏。而UV-AOPs、UV与Cl2组合工艺灭活后,菌体细胞则遭到不同程度的破坏,细胞壁和细胞膜破损,菌体细胞皱缩明显,甚至出现明显凹陷,且细胞呈中度或重度水肿,胞内出现大面积低电子密度水肿区,甚至呈坏死、崩解状态,导致细胞内容物泄漏,且泄漏量与灭活率呈正比。在我国南方某水厂,建立了集强化常规处理、臭氧-炭砂滤池深度处理、UV-Cl2组合消毒于一体的耐氯菌控制技术应用工程。工程改造后,出厂水中菌落总数和芽孢数基本无检出;相较于改造前,微生物安全保障水平大幅提升。出厂水106项指标均符合《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2006的规定,同时亦满足更为严苛的深圳市地方标准《生活饮用水水质标准》DB 4403/T60-2020的要求。工程的基建成本为5 563 128.21万元,新增单位制水成本0.057 2元/m3,具备经济可行性。本研究提出的耐氯菌控制方法,可为国内其他地区类似水质问题的解决提供借鉴,为饮用水生物安全性保障提供理论指导和技术支撑。
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