污水处理厂不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科细菌分布特征及影响因素

高爱丽, 王旭一, 黄 青, 隋 心, 杨 唐, 程丽华, 姜 波, 惠晓亮,张展鹏, 高晓东

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院, 青岛 266520; 2.青岛首创瑞海水务有限公司, 青岛 266000)

生物气溶胶是指富含细菌、真菌、放线菌和病毒等生物组分,并以相对稳定和分散的形式存在于气相中的胶体体系[1-4]。污水处理厂是大气环境中生物气溶胶重要的源和汇之一[5]。在分离、曝气、搅拌和污泥脱水等驱动作用下,混合液悬浮固体以生物气溶胶的形式突破水汽界面逸散至大气环境[6-10]。受生物气溶胶的影响,污水处理厂工作人员易出现“污水厂工人综合征”,同时周边居民也更易感染呼吸系统和消化系统疾病[11-13]。

粒径分布是生物气溶胶重要的性质之一,其与生物气溶胶颗粒物在人体呼吸系统的沉积位置紧密相关[14-16]。同时,不同粒径生物气溶胶在大气环境中的存在和扩散能力不同,也极易受到环境因素和污染逸散源特性的影响[9,17-18]。肠杆菌科细菌是毒理学和流行病学上常见的革兰氏阴性杆菌,包括大肠埃希氏菌属、沙门氏菌属、志贺菌属、克雷伯氏菌属和肠杆菌属等潜在致病菌,可能引起人类呼吸系统、消化系统和泌尿系统等感染[19]。相关研究已证明肠杆菌科微生物在污水处理厂生物气溶胶总悬浮颗粒物中的存在[9,20-21];但对于其粒径分布和影响因素尚缺乏深入的研究。

基于此,以江苏省某城镇污水处理厂为研究对象,在不同季节采集了不同处理单元生物气溶胶颗粒;分析不同粒径生物气溶胶负载的肠杆菌科微生物浓度,探究环境因素对其粒径分布的影响。以期为污水处理厂生物气溶胶风险评估和控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样点位

试验在江苏省某城镇污水处理厂开展,选取2020年至2021年4个季节进行采样。该水厂处理规模为7.5万m3/d,主体采用厌氧-缺氧-好氧工艺处理生活污水。如图1所示,在厂界内,分别在细格栅、缺氧池、好氧池和污泥脱水间设置采样点;在污水处理厂周边,根据不同季节采样当天的风向于距离厂界大于500 m处设置上下风向采样点,同时注意避免其他污染源的干扰。

图1 采样点示意Fig.1 Schematic diagram of sampling points

1.2 样品采集与处理

利用安德森六级撞击式采样器(N6, Thermo Fisher Scientific Inc. Waltham, MA, USA)采集不同粒径生物气溶胶颗粒物,肠杆菌科微生物的收集介质为MacConkey选择性培养基。安德森六级撞击式采样器的切割粒径为0.65、1.10、2.10、3.30、4.70和7.00 μm[22];其中,空气动力学直径小于3.30 μm的气溶胶颗粒物定义为可吸入性片段[23]。每个采样点进行3次平行采集,平行样本每4 h采集一次,采样流量为28.3 L/min,每次收集时间为2 min,每个季节各采样点收集到6种不同粒径的生物气溶胶样本,共计432个样本。收集后,在35 ℃条件下培养24 h。菌落计数采用正孔校正法进行修订,最终结果以3次测定的算术平均值计,单位为CFU/m3[22]。

1.3 气象条件测定

采样期间,利用风速仪(HD2303, Delta OHM, Italy)和辐照度计(HD2302.0, Delta OHM, Italy)分别测定风速和光照强度;利用温湿度计(WD-35612, Oakton Instruments, Germany)测定相对湿度和温度。不同季节采样期间的气象条件数据如表1所示。

表1 采样期间的气象参数

1.4 数据分析

所得数据利用Excel 2019软件进行处理,相关柱形图和折线图通过Origin 2022进行绘制。通过因素向前选择及蒙特卡洛模拟,探究了相对湿度、温度、风速和光照强度对污水处理厂不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科浓度的影响程度;其中,利用Lambda-1和Lambda-A分别指示边际效应和条件效应中不同因素对结果差异性的相对重要性。同时,采用冗余分析将不同因素对结果的影响进行可视化。因素向前选择及蒙特卡洛模拟、冗余分析利用CANOCO 5.0软件进行。通过非参度量多维统计分析(non-metric multidimensional scaling,NMDS)定性比较不同样本肠杆菌科粒径分布的多样性,采用相似性百分数检验(similarity percentage analysis,SIMPER)和相似性分析(analysis of similarity,ANOSIM)定量比较样本不同分组的肠杆菌科粒径分布相似性和差异性。所有显著性检验设定阈值为P<0.05。

2 结果与讨论

2.1 生物气溶胶负载肠杆菌科总浓度

从不同季节角度,各采样点均在冬季检测到最高的生物气溶胶负载肠杆菌科的总浓度,其次是春季、秋季和夏季,如图2所示。以污泥脱水间为例,在春季、夏季、秋季和冬季生物气溶胶负载肠杆菌科的总浓度分别为1 255、986、1 109和1 507 CFU/m3。春季、夏季、秋季和冬季各采样点生物气溶胶负载肠杆菌科的总浓度平均值为1 004、822、909和1 162 CFU/m3。

图2 污水处理厂不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科分布特征Fig.2 Distribution characteristics of Enterobacteriaceae loaded by size-segregated bioaerosols from wastewater treatment plants

在不同处理单元角度均监测到了生物气溶胶中肠杆菌科不同程度的富集(见图2)。以往研究表明,格栅间的固液分离和缺氧池的搅拌所产生的对水面不同程度的搅动导致了生物气溶胶的排放[24];好氧池曝气产生的气泡升至水汽界面并破裂,生物组分突破水汽界面形成生物气溶胶[16];而污泥脱水间利用离心脱水机进行污泥脱水,污泥颗粒在离心力的作用下形成生物气溶胶[24]。在本研究中,污泥脱水间具有最高的生物气溶胶负载肠杆菌科的总浓度平均值(1 214 CFU/m3),其次分别是好氧池(1 088 CFU/m3)、细格栅(962 CFU/m3)和缺氧池(884 CFU/m3)。

在各个季节,污水处理厂厂界内及下风向均具有比上风向控制点更高的生物气溶胶肠杆菌科总浓度(见图2)。以春季为例,上风向、污水处理厂厂界内和下风向生物气溶胶肠杆菌科总浓度分别为696、1 079和1 010 CFU/m3。这些结果反映了污水处理厂生物气溶胶的逸散对周边环境的影响。

2.2 不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科浓度

进一步地,对>7.00 μm、4.70～7.00 μm、3.30～4.70 μm、2.10～3.30 μm、1.10～2.10 μm和0.65～1.10 μm生物气溶胶负载肠杆菌科浓度进行了分析(见图2)。不同季节各采样点负载肠杆菌科的生物气溶胶主要粒径范围为1.10～4.70 μm,占比65.54%～85.84%。不同季节和处理单元负载肠杆菌科生物气溶胶的可吸入性片段浓度趋势与总浓度趋势具有一致性。在春季和夏季,污泥脱水间具有最高的可吸入性片段相对比例,分别为67.49%和65.11%;在秋季和冬季,缺氧池和细格栅分别具有最高的可吸入性片段相对比例,分别为66.63%和73.06%。整体上,上风向、污水处理厂厂界内和下风向负载肠杆菌科的生物气溶胶可吸入性片段浓度分别为414、667和583 CFU/m3,对应比例分别为53.76%、63.93%和62.19%。相比于上风向,污水处理厂下风向具有更高的负载肠杆菌科的生物气溶胶可吸入性片段浓度和相对比例。以上结果说明了污水处理厂生物气溶胶的逸散对污水处理厂工人及周边居民存在不容忽视的呼吸暴露风险。

2.3 肠杆菌科粒径分布的相似性

将所有检测的样品按照样本的季节来源分为春季、夏季、秋季和冬季;按照样本的位置来源分为上风向、细格栅、缺氧池、好氧池、污泥脱水间和下风向。根据不同样本中不同粒径负载肠杆菌科的NMDS结果(见图3(a)),同一样本源的样本分散,且不同样本组之间具有不同程度的重叠。

图3 污水处理厂不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科的相似性Fig.3 Similarity of Enterobacteriaceae loaded by size-segregated bioaerosols from wastewater treatment plants

不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科的SIMPER和ANOSIM结果如图3(b)所示。整体上,污水处理厂不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科的分布特征存在显著的季节性差异(Global test:R=0.423,P=0.014)和处理单元间差异(Global test:R=0.276,P=0.041)。从季节组间角度,春季与冬季之间、夏季与秋季之间的结果差异性不显著(Pairwise test:P>0.05);从处理单元组间角度,细格栅、缺氧池、好氧池和污泥脱水间两两之间均存在显著性的差异(Pairwise test:P<0.05)。说明了相比于时间尺度,空间尺度上的肠杆菌科粒径分布存在更显著的差异,可能是由于不同处理单元生物气溶胶来源(即污水或污泥)性质不同所导致[16,18]。值得注意的是,上风向和污水处理厂生物气溶胶负载肠杆菌科的粒径分布特征存在显著性的差异(Global test:R=0.328,P=0.023)。沿着风向,经过污水处理厂之后,生物气溶胶负载肠杆菌科的粒径分布特征在下风向和上风向存在显著性的差异(差异度=59.27%,P<0.05),而其在下风向和污水厂之间差异不显著(差异度=32.17%,P>0.05)。以上结果从相似性的角度定性和定量反映了污水处理厂不同粒径生物气溶胶的逸散对周边环境的影响。

2.4 影响因素分析

因素向前选择和蒙特卡洛模拟表明,所选取的4种因素共解释了38%的污水处理厂生物气溶胶中肠杆菌科的粒径分布结果差异性,如表2所示。相对湿度、温度、风速和光照强度均对污水处理厂不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科的分布存在显著影响(P<0.05)。其中,根据Lambda-A和P值,可以发现相对湿度是最主要的影响因素。

表2 不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科影响因素向前选择和蒙特卡洛模拟结果

不同因素对生物气溶胶负载肠杆菌科粒径分布影响的冗余分析(redundancy analysis,RDA)如图4所示。肠杆菌科的总浓度、可吸入性片段浓度以及各粒径浓度,均与相对湿度成正比,而与温度、风速和光照强度成反比。研究表明,较高的相对湿度和较低的温度益于生物气溶胶中细菌等微生物的生存[24-25],这可能是导致冬季检测到最高的生物气溶胶负载肠杆菌科总浓度的主要原因;较高的风速会稀释生物气溶胶颗粒物的浓度[26];较高的光照强度,可能对应较高的紫外线辐射,对微生物起到了一定的灭活作用[27]。

图4 不同因素对不同粒径生物气溶胶负载肠杆菌科的影响Fig.4 Effects of different factors on Enterobacteriaceae loaded by size-segregated bioaerosols

当前,国内外关于污水处理厂生物气溶胶中细菌和潜在致病菌的排放尚无明确的标准[28]。但污水处理厂排放的生物气溶胶,尤其是可吸入性片段负载的肠杆菌科等潜在致病菌,可能引起的健康风险不容忽视。常见的污水处理厂生物气溶胶控制技术[29],包括化学消毒、过滤、热处理、紫外线照射、微波辐射、静电场和光催化等,其在控制可吸入性片段负载潜在致病菌方面的可行性和有效性有待进一步研究。未来研究也需进一步探究污水处理厂生物气溶胶负载潜在致病菌通过水汽界面的微观过程,定量分析其释放率及排放通量[28,30]。

3 结论

1) 从不同季节角度,冬季具有最高的生物气溶胶负载肠杆菌科的总浓度平均值(1 162 CFU/m3),其次是春季(1 004 CFU/m3)、秋季(909 CFU/m3)和夏季(822 CFU/m3);从处理单元角度,污泥脱水间具有最高的生物气溶胶负载肠杆菌科的总浓度平均值(1 214 CFU/m3),其次分别是好氧池(1 088 CFU/m3)、细格栅(962 CFU/m3)和缺氧池(884 CFU/m3)。

2) 不同季节各采样点负载肠杆菌科的生物气溶胶主要粒径范围为1.10～4.70 μm;相比于上风向,污水处理厂下风向具有更高的负载肠杆菌科的生物气溶胶可吸入性片段浓度和相对比例。

3) 生物气溶胶负载肠杆菌科的粒径分布特征在下风向和上风向存在显著性的差异(差异度=59.27%,P<0.05),而其在下风向和污水厂之间差异不显著(差异度=32.17%,P>0.05)。

4) 所分析的影响因素共解释了38%的污水处理厂生物气溶胶中肠杆菌科的粒径分布结果差异性,而相对湿度是其中最主要的影响因素。