紫外线照射对高原污水处理的影响

尤俊豪 郭明哲 宗永臣 王 俊 傅椿惠 李远威

(西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000)

西藏作为高海拔地区，具有强紫外线、低温、低溶解氧的特殊地理环境，严重影响高原污水处理[1-2]。已有研究表明紫外线照射对有机污染物、细菌、病毒等有不同的影响,紫外线照射会对微生物的核蛋白与DNA产生破坏作用[3-5]。在查阅文献后，发现多数紫外线照射试验是从紫外线消毒的角度来研究，例如厉智成等[6]研究紫外线对再生水的消毒作用，刘超等[7]研究紫外线对城镇污水处理厂的消毒效果。但很少从高原地区特殊的自然环境角度研究紫外线照射对污水处理效果的影响，特别以西藏为代表的高原地区关于紫外线照射对污水处理影响的研究又较少。

因此本次试验以紫外线照射时间长短为变量条件，利用16srRNA基因序列测序、原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)来研究紫外线照射对污水处理中污染物去除、微生物群落结构、活性污泥内部结构的影响，旨在揭示紫外线照射对污水处理由宏观到微观的响应机制，为提高高原污水处理效果提供理论参考。

1 试验方法

1.1 试验装置

如图1所示利用传统A2/O工艺城市污水处理模拟装置[8]，在厌氧池与缺氧池中都设有搅拌装置，设定搅拌速度为110 rpm/min，在好氧池底部设有膜片式微孔曝气头为其供氧。用好氧池进行35天的污泥培养，当测得SV30(污泥沉降比)为28%和MLSS(活性污泥浓度)为3 716 mg/L时，开展试验。试验运行参数控制为厌氧池：缺氧池：好氧池的水力停留时间是1:1:2，总水力停留时间是21h，设计进水温度为20℃，好氧池溶解氧控制为2.0 mg/L，硝化液回流比和污泥回流比分别控制为200%、100%。紫外线照射采用两盏40W紫外线灯实现，照射位置距离好氧池水面20 cm，照射时间分别为0(对照组)、5、30、180 min，照射间隔时间和水质取样时间为24h后，活性污泥样品待每个工况结束后取样送检，紫外线照射时间控制为由短到长。本试验直接采用西藏农牧学院办公楼区生活污水为试验用水，主要进水水质指标如表1所示。

表1 进水水质指标 单位：mg/L

1.2 水质指标测定

采用连续性进水模式，每个工况持续9天。所有水样经静置沉淀后取上清液，进行COD、NH3-N、TN、TP等污染物指标检测，检测方法参照水和废水检测分析方法[9]进行。

1.3 活性污泥微生物测序与镜检

活性污泥样品送至上海美吉生物医药科技有限公司检测，进行16SrRNA基因序列测序。16SrRNA是原核生物的核糖体中30S亚基的组成部分，长度约为1542 nt，具有高度的保守性和特异性。16SrRNA基因测序一般是利用MiSeq对16SrRNA基因的V3-V4可变区进行测序，以此来研究微生物群落结构[10]。

原子力显微镜(AFM)是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。近年来，AFM在分子生物学、材料科学、电化学等领域得到了广泛的应用[11]。使用AFM检测可获得活性污泥内部微观结构的变化，并利用软件Gwyddion 对AFM图像进行处理。同时获取代表样品表面粗糙度的均方根粗糙度(Rq)、粗糙度(Ra)。

2 结果与讨论

2.1 紫外线照射对COD、NH3-N、TN、TP的去除效果影响

如图2所示，COD有较高的去除率，整体去除率在80%～90%，这与甄卓文等[12]使用紫外线消毒处理医院污水的研究结果相似。照射5 min与30 min的去除率波动幅度较大，而0 min与180 min的波动幅度小且去除率大致相似，其原因可能因为复合菌一开始对紫外线的照射有强烈的反应，但随着照射时间的增加，反应强度逐渐趋于稳定。四组COD的平均去除率分别为86.01%、82.78%、82.21%、85.66%，随照射时间增加去除率呈先减后增趋势，平均增减的幅度小，0 min的去除率最高。表明复合菌对紫外线的照射有较强的抗性，同时也说明紫外线照射时间对COD的整体去除率影响不大，但短时间的照射会造成一定的波动。

图2 不同紫外线照射时间下COD、NH3-N、TN、TP的去除效果

同样，NH3-N的去除率几乎都在80%以上，照射30 min的平均去除率最高，在照射180 min的后三天去除率下降幅度较大，但逐渐有所回升。

相对NH3-N的去除率趋势，TN的去除率趋势明显的起伏幅度较大，且去除率整体低于NH3-N。从图中可看出，5 min照射时段的TN去除率最低，平均去除率只有56.31%；30 min的平均去除率最高，平均去除率随照射时间增加呈先减后增再减趋势，与NH3-N的一样。这说明反硝化菌和硝化菌对紫外线的照射都有反应，且对照射时间长短的反应趋势一样，但反硝化菌比硝化菌对紫外线辐射的敏感性更强。对于TN的去除率低的另一个原因可能是进水COD/TN过低，缺少碳源，影响反硝化反应。

对于TP的去除率可从图中看出，照射5 min的最高，其次是180 min、0 min、30 min，随照射时间增加，平均去除率呈先增后减再增趋势。分析原因可能是聚磷菌在照射30 min时，活性被短暂抑制，但之后逐渐恢复。表明水体通过紫外线反应器一段时间后，会出现水中微生物含量回升现象[13]。从整体看出，紫外线的照射对TP的去除有一定的提升，这与安正阳等[14]研究结果一致。同时还发现TN的平均去除率趋势与TP的平均去除率相反，分析原因可能是反硝化菌和聚磷菌存在对同一底物的竞争关系即碳源所导致[15-16]。

2.2 紫外线照射对微生物群落的影响

2.2.1 门群落结构

不同紫外线照射时间下，门水平下的微生物群落结构见图3。

由图3可知，主要优势菌为Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae,这与污水处理中常见优势菌门一致[17-18]，表明紫外线的照射并未改变主要优势菌门的组成。Proteobacteria与Actinobacteria在0 min的占比均高于其他三组，Proteobacteria和Actinobacteria是属于反硝化菌[19-20]。Bacteroidetes属于硝化菌[21]，在照射5 min、30 min、180 min中的占比均高于0 min,在30 min中占比最高，这对应了NH3-N在30 min去除率最高。以上表明紫外线照射对反硝化菌有抑制作用，对硝化菌有促进作用。Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae是各种污水降解中普遍的菌门，在有机物降解和污染物去除中发挥重要作用，已有研究表明Firmicutes、Chloroflexi参与将磷酸盐还原为磷化氢，而且Firmicutes能产生孢子从而在极端条件中生存[22-23]。三者均在5 min的占比最高，随照射时间的增加，也均呈先增后减再增趋势，这与TP的平均去除率趋势一致，且三者在30 min、180 min的占比均小于0 min。说明适当的紫外线照射有利于促进聚磷菌生长。

图3 不同照射时间下门水平微生物群落结构

2.2.2 属群落结构

在属水平下，前三的优势菌属是norank_f__AKYH767、norank_f__Saprospiraceae、Acinetobacter。norank_f__AKYH767在照射30 min的占比最高，最低是0 min。在查阅文献后，并未发现关于norank_f__AKYH767的相关记载,但此菌属的占比最高，表明在脱氮除磷中有重要的作用，具体功能有待研究，也反映出紫外线的照射对它有促进作用。norank_f__Saprospiraceae属于严格好氧型细菌，具有能够将复杂有机物(聚合物、蛋白等)降解为小分子碳源的能力[19，24]。norank_f__Saprospiraceae在照射30 min的占比最高，最低是0 min。Acinetobacter属于典型的反硝化菌[25]，由图4中看出，占比明显降低，在照射30 min、180 min的样本中几乎没有，最高是在照射0 min的样本中。因此可得出紫外线照射对norank_f__Saprospiraceae有促进作用，对Acinetobacter有抑制作用。

图4 不同照射时间下属水平微生物群落结构

2.3 紫外线照射对活性污泥的影响

不同照射时间下的原子力显微镜(AFM)3D观测图见图5,活性污泥颗粒粒径分布见图6。

紫外线照射30 min活性污泥颗粒-粒径拟合见图7，不同紫外线照射时间下，活性污泥表面粗糙度分布见表2。

图7 活性污泥颗粒-粒径拟合图

为了解紫外线照射对活性污泥内部结构的影响，利用AFM对活性污泥的微观结构进行了观察与分析。通过表2看出，随紫外线照射时间增加，均方根粗糙度Rq呈增加趋势；其他三组的粗糙度Ra也均大于0 min，表明紫外线照射增加了活性污泥表面粗糙度。结合图5与图6看出，紫外线的照射使活性污泥颗粒产生了分化，在30 min的样本中，活性污泥颗粒的粒数最多，颗粒粒径的分布范围最大；而在180 min的样本中，活性污泥颗粒粒数减少，粒径变小，且出现类似水滴状的污泥颗粒形态。分析原因可能是长时间的紫外线照射使活性污泥体内的微生物造成了一定杀灭作用，而活性污泥主要由微生物及其胞外聚合物(EPS)和从废水中吸附或者絮凝的无机颗粒和有机颗粒等物质组成[26-27]，微生物充当了组成活性污泥的骨架，当微生物数量减少，活性污泥则会坍塌形成类似水滴状形态。在对比0 min的样本可看出，经过紫外线照射的活性污泥的颗粒粒径和粒数均大于未照射的，特别粒径在0～0.1 μm的更为明显。说明紫外线照射使活性污泥内部结构发生变化，原有活性污泥颗粒分解为更细小的颗粒，在经过一段运行时间后，这些细小的颗粒逐级碰撞黏附形成粒径较大的活性污泥颗粒，但超过一定时间的照射(大于30 min)会对颗粒中的微生物产生抑制，减少细小颗粒的粒数和颗粒之间的凝聚，进而活性污泥粒径有所减少。这说明了活性污泥在受到紫外线照射后，污泥颗粒会形成一个分解与凝聚的过程，进而影响活性污泥的粒径大小。

图5 不同照射时间下的AFM 3D观测图

图6 不同照射时间活性污泥颗粒粒径图

表2 不同照射时长的粗糙度

在统计活性污泥颗粒粒径与粒数受紫外线照射不同时间时，发现粒径与粒数存在一定的规律性。通过对四组数据的拟合，如图7所示(为30 min的拟合，由于版面原因就不展示其他三组的拟合效果)，用PsdVoigt2函数公式拟合，最佳拟合系数R2为0.9852，其余为0.9599、0.8249、0.8616。表明活性污泥的颗粒数与粒径在受紫外线照射后存在一定的规律性。

3 结论

紫外线的照射对COD、NH3-N的去除率影响不大；对TN的去除率影响大，造成TN去除率波动较大；使TP的去除率有一定的提升。紫外线照射对反硝化菌有抑制作用，如Proteobacteria、ctinobacteria；对硝化菌Bacteroidetes、聚磷菌Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae有促进作用；对属水平下的orank_f__Saprospiraceae有促进作用，Acinetobacter有抑制作用。紫外线照射使活性污泥表面粗糙度增加；紫外线照射影响活性污泥颗粒粒径，使活性污泥存在一个颗粒分解-凝聚的过程，污泥粒径相对未照射时有所增大。在紫外线照射后，活性污泥的粒径与颗粒数的变化规律可用PsdVoigt2函数描述。