中国西安城市污水处理厂微生物气溶胶的排放特性1

1、中国西安城市污水处理厂微生物气溶胶的排放特性Yangpeng Li，Liwei Yang，Qinglomg Meng，Xionghui Qiu，Yujie Feng1学校中国西安长安大学710054环境科学与工程学院2重点实验室中国西安教育部710054地下水文与生态干旱地区3国家重点实验室中国哈尔滨工业大学150090城市水资源与水环境摘要为了表征中国广泛使用的城市污水处理厂中微生物气溶胶的排放特征，安德森六阶段冲击器和培养方法被西安污水处理厂采用，以确定西安夏天污水处理厂氧化沟空气中的真菌和放线菌的存活细菌的浓度和大小分布。结果表明，每一个的空气中的微生物的浓度和粒度分布在污水处理过程中的

2、不同阶段变化很大，污泥脱水间中细菌和放线菌的最高浓度分别为7866970 CFU/立方米和2139229 CFU/立方米，而氧化沟中真菌的最高浓度为2156119 CFU/立方米。粒度分布表明，对于空气中的放线菌，细菌和真菌类似单峰图案。另一个重要的发现是，大约52的空气中的细菌，62的空气中传播的真菌和65的空气中传播的放线菌吸入的大小范围（小于3.3微米），这表明大多数城市污水处理厂的微生物气溶胶可以很容易地渗透到人类肺泡。最后，发现平均直径不同的微生物气溶胶个数的顺序在每个相位是类似的，即空气中的细菌空气中真菌空气中的放线菌。这意味着，从城市污水处理厂发出的空气放线菌与细菌和真菌相比可能

3、对公众健康和城市空气质量相比有显著的影响。关键词：城市污水处理厂;微生物气溶胶;排放特性;粒度分布;放线菌。1. 简介最近随着城市化进程的加快，在中国越来越多的城市污水处理厂（MSTP）已建成并投入运行。其结果是，许多城市污水处理厂及相关污水处理工程包围新建住宅和购物区。在这种情况下，城市污水处理厂的选址问题不仅要考虑频繁的恶臭方面，而且还有不明来历的间歇性肠道疾病的相关综合征在附近居民中出现（Stellacci等，2010）。在保护水环境处理污水的过程中，污水处理厂也已证明，已产生一些有害空气污染物，例如微生物的气溶胶，从而受到公共越来越多的关注(Pascual et al., 2003;

4、Fracchia et al., 2006; Heinonen-tanski et al., 2009)。污水是众所周知的含有高数量的病原体如病毒，细菌和真菌。在处理过程中的许多阶段难免会导致这些微生物的气溶胶的产生，特别是在那些含有通气和机械搅拌操作的阶段中 (Fernando and Fedorak, 2005; Snchez-Monedero et al., 2008)。所以，从城市污水处理厂产生的微生物气溶胶可能会对人体健康和空气质量造成严重影响（Brandi et al., 2000; Thorn and Kerekes, 2001; Grisoli et al., 2009)。因此

5、，了解城市污水处理厂微生物气溶胶排放特性的知识，对评估工厂工人和周围居民存在潜在风险是非常重要的。到目前为止，许多研究所已经进行了城市污水处理厂产生的微生物气溶胶的话题，大部分现有的研究工作主要集中在两个方面。一个是通过确定城市污水处理厂产生的微生物气溶胶中存活微生物的组合物和浓度，另一个是集中使用不同的取样和检测方法研究排放和传输特性来评估生物风险(Carducci et al., 2000; Dowd et al., 2000; Oppliger et al., 2005; Karra and Katsivela, 2007; Patentalakis et al., 2008)。不同研究

6、之间发现浓度的差异很大，这取决于某些影响因素，如种类与污水的处理能力、操作活动、现场位置和天气状况。在文献中提出了一些可用的措施包括：浸没通气污泥消化（OHara，2005），空气扩散器作为用于生物曝气处理系统（Snchez-Monedero 等人，2008），在曝气系统使用浮动球（Hung等人，2010），活性炭吸附（Li等人，2011A）和在室内环境紫外线照射技术（Lee，2011）。微生物气溶胶对人体健康的影响不仅取决于它们的浓度和种类，而且还取决于它们的大小分布。生物气溶胶颗粒具有的不同空气动力学直径沉积在呼吸系统的不同位置，并导致各种呼吸系统疾病（Thomas等人，2008; Lee

7、等人，2011）。因此，有必要研究城市污水处理厂微生物气溶胶的尺寸分布。此外，现有的文献主要集中在空气中的细菌和真菌的特性，而很少有研究调查了在污水处理厂空气的放线菌。事实上，一些研究关于农业地区和城市的户外环境中放线菌的量化（Fang等，2008;Martin 等人，2010）表明，放线菌分布在全世界的土壤中，腐烂的有机物质和污水中，并促成了空气污染和严重的呼吸系统疾病（Byeon等人，2008）。因此，有必要研究城市污水处理厂产生气载放线菌的排放特性。 目前研究的目的是为了获得关于微生物气溶胶的排放特性的综合信息，特别是中国典型的废水处理厂产生的放线菌的气溶胶。为了这个目的，在中国选中具有

8、良好的处理效率和便宜的运行费用使具有氧化沟处理的西安污水处理厂。空气中的细菌，真菌，放线菌的浓度和尺寸分布在不同的处理阶段通过使用安德森六阶段冲击器和培养方法进行了测定。2. 材料与方法1) 工厂简介 生物气溶胶样品的收集在中国西安东部一个具有氧化沟工艺的城市污水处理厂。这家工厂从2006年以来一直以个立方米/日处理能力进行工作，为大约29万居民提供服务。在这家工厂，入流的废水进行预处理通过格栅、曝气沉砂池（AGC）和生物处理，然后在一个奥贝尔氧化沟进行（OD）水平转子曝气，随后进入初次沉淀池和二次沉淀池（SST）。净化的废水最终通过流出物出口（EO）流入坝河。污泥经离心在污泥脱水间（SDH）

9、增稠。2) 取样在这项研究中采样点被安排在不同的处理阶段，如图所示。1：AGC，OD，SST，SDH和EO。此外，一个背景点（BGS），其位于大约100m上风向的植物是根据当时风向选择为背景的空气样本（也示于图1）。选择采样时间是2011年6月至8月的上午10时至12时，每个取样在气候条件相近的晴天进行，以减少气候变化引起测量的不确定性。在同一时间取样的气溶胶，风速，环境温度和相对湿度进行了监测。在采样期间，室外温度和相对湿度范围分别为26.9至30.2和47-62。当时的风向是西南方0.6米/秒。本研究中一个安德森六阶段冲击器（Westech，英国）有6个直径为93毫米玻璃培养皿，被用来收集

10、不同尺寸的生物气溶胶样品。空气动力学直径在每个阶段的范围为：7.0微米（阶段1），7.0-4.7微米（阶段2），4.7-3.3微米（阶段3），3.3-2.1微米（阶段4），2.1-1.1微米（阶段5）和1.1-0.65微米（阶段6）。根据上述定义，颗粒吸入部分对应于阶段3-6之间的尺寸范围。在每个采样点，采样器被安装在地面上方1.5米和处理单位0.5-1.5米远处。所有户外取样都在顺风条件下，重复3次抽吸空气每次以28.3升/分钟的速率收集约10分钟的样品。 图1.素描采样点在中国西安城市污水处理厂。 AGC：曝气沉砂池; OD：氧化沟; SST：二沉池; SDH：污泥脱水间; EO：流出物出

11、口; BGS：背景的网站; ：采样点。3) 微生物培养这里所研究的空气中存活微生物为细菌，真菌，放线菌，是从合适的培养琼脂培养皿中获得的。采样后，将琼脂平板立即运送到实验室用于培养。细菌在营养琼脂培养基37下培养48小时。真菌在沙氏葡萄糖琼脂培养基28下培养72小时。放线菌在高斯的合成琼脂培养基28下培养120小时。注意，为防止污染每次取样前后必要的采用75乙醇消毒。培养后，将菌落计数通过阳性孔的校正方法（Andersen，1958年）由等式（1）修改菌落重叠。式中Pr，R和n分别表示经修订的菌落，进行采样菌落和筛孔数在采样器的各个阶段。空气中的微生物的浓度是一般表示为总菌落形成单位（CFU/

12、立方米），然后计算如下：式中C为给出空气中的微生物（CFU/立方米）的浓度，t为采样时间，F是采样流速。4) 统计分析报道的浓度结果的平均值和在每个取样点得到的平板计数的标准偏差。在各图中的误差线的形式表现。生物气溶胶浓度的在不同地点的差异也通过t检验进行比较，在其中0.05被认为P值是统计学显著。此外，该计数的中值直径（CMD）在本研究中作为直径除以总数成两半，这可能直接从粒度分布的累积分数曲线来获得被定义的，即，对应的直径的比例0.5值。 图2.各采样点中空气中的微生物气溶胶样品的浓度。3. 结果与讨论1) 空气中存活细菌，真菌和放线菌含量图2显示了所有采样点中气溶胶样品空气活细菌，真菌和

13、放线菌的浓度。它可以清楚地看出相比，他们的背景水平（细菌：106539 CFU /立方米，真菌：59987菌落形成单位/立方米，放线菌：47346 CFU/立方米）和背景点（P 0.05），在污水处理过程中的每个阶段中检测到的数字较高的存活的细菌，真菌，放线菌。其结果证实了一些作者所得的结论（Fracchia等;2006 。Karra等人，2007; Korzeniewska等，2009），即，污水处理过程是微生物气溶胶的重要来源。此外，在污水处理过程中的不同阶段研究空气中每个微生物的浓度变化很大。空气真菌的平均浓度在氧化沟的范围为2156119 CFU / m3到流出物出口的范围为82270

14、 CFU / m3。在污泥脱水间细菌浓度从7866970 CFU/立方米到污水出口处169696 CFU/立方米，而放线菌浓度为2139229 CFU/ m3到90254 CFU/立方米，在相同的位置。在流出物出口中发现的空气存活微生物的最低浓度表明，生物处理后的流出物含有低量的微生物。可以发现二沉池附近的空气中的微生物的数量通常较低（细菌：2755212 CFU/立方米，真菌：85041 CFU/ m3时，放线菌：949120 CFU/立方米），这意味着污水处理厂的沉淀池似乎不是微生物气溶胶的一个主要来源。相反，氧化沟空气中的微生物进行检测数值较大。与其他研究（帕斯夸等人，2003; Fra

15、cchia等人，2006; Li等人，2011）一样，空气中的微生物的浓度通常降低作为废水为进一步处理的标志。我们OD微生物气溶胶更高的结果支持 Brandi 等人 （2000年）和 Snchez-Monedero等人（2008）的发现。据报道，废水的机械搅拌会增加空气中的微生物的数目。有趣的是要注意在这次调查中检测到的空气微生物显示出较高的浓度，高1-2个数量级，相比于以往城市污水处理厂的研究中具有相似的生物学过程（Brandi 等人，2000;Snchez-Monedero 等人2008; Grisoli等人，2009; Heinonen-tanski等人，2009; Li等人，2011B

16、）。这可能是由于在本研究中主要适用于处理过的水（2105个立方米/天）的体积大2-3个数量级。Brandi等人，（2000）证明空气中的微生物的数量以及污水处理厂相关的污水在处理中的数量。另一个重要的原因可能是由于在这些工厂中使用不同的曝气系统。关于 Snchez-Monedero 等人，（2008）报道，对生物气溶胶释放曝气方法的影响是：空气扩散器表面涡轮7微米）和阶段1（7微米），并且每级分小于10。此外，如图的结果。图3（b）所示大约空气中52%的细菌、62的真菌和65放线菌的可吸入的大小范围（小于3.3微米），这暗示大部分空气真菌和放线菌是单细胞或孔的图案。虽然放线菌的总浓度比城市污水

17、处理厂的细菌相对较小，放线菌比细菌的可吸入馏分为更高。因此，就哮喘，肺炎和流感的高患病率有必要更多地关注从污水处理厂发出这样高的可吸入的放线菌。尺寸范围（微米）a）由尺寸数分布尺寸范围（微米）（2） 频数分布的尺寸图3.中国西安城市污水处理厂空气中微生物的尺寸分布。图4呈现空气中的细菌的在污水处理过程中的不同阶段的尺寸分布。可以看出空气中的细菌的大小分布四个阶段选择有很大差异。在曝气沉砂池，氧化沟和二次沉淀池的每个阶段，空气中的细菌的比例最高检测在阶段4（2.1-3.3微米）分别大约为30，31和30，而被发现的最低值在阶段6（0.65-1.1微米）分别为2，7和8。但是在污泥脱水间比例最高（

18、26）和比例最低（8）分别出现在第3阶段（3.3-4.7微米）和第1阶段（7.0微米）。空气中的细菌在从曝气沉砂池、氧化沟、二沉池和污泥脱水间产生可吸入大小的分布分别为38、56、49和57。这意味着，氧化沟和污泥脱水间产生的可吸入微生物气溶胶比曝气沉砂池多。当中氧化沟，二沉池和污泥脱水间产生的可吸入微生物气溶胶的比例的差异无统计学意义（P0.05）。图5呈现空气真菌在污水处理过程中的不同阶段的尺寸分布。空气真菌的分布格局是在四个地点大致相同。在所有的四个阶段，阶段4（2.1-3.3微米）被发现空气中真菌的比例最大，而最低的比例均被观察到在所有四个阶段的第1阶段（7.0微米）和第6阶段（0.6

19、5-1.1微米）。从曝气沉砂池，氧化沟，二沉池和污泥脱水间产生空气真菌可吸入尺寸的分布分别为66，67，58和65，这表明，可吸入空气真菌的分布比例没有在四个阶段表现出明显的变化。图6是空气中放线菌在污水处理过程中的不同阶段的粒度分布图。在氧化沟，最高的分布出现在第3阶段（3.3-4.7微米）与空中放线菌的30.9。与此相反，在其它三个阶段中，最高分布出现在阶段4（2.1-3.3微米），分别为31.1，37.5，32.0。此外，在所有四个阶段检测中最低的分布是在第1阶段（7.0微米）。在曝气沉砂池，氧化沟，二沉池和污泥脱水间分别是9.1，11.8，8.0和9.8。曝气沉砂池，氧化沟，二沉池和污

20、泥脱水间的空气中放线菌的可吸入大小比例分别约占62，41，64和66。在曝气沉砂池，二沉池和污泥脱水间可吸入微生物气溶胶分布差异无统计学意义（P0.05）图4空气中的细菌在不同污水处理阶段的粒度分布图5空气真菌在不同的污水处理阶段的.尺寸分布。图6空气中放线菌在不同的污水处理阶段的粒度分布。表1给出在污水处理过程中的不同阶段空气中的微生物的计数平均直径（CMD）的比较。在每个相不同的微生物气溶胶的计数平均直径顺序被发现是类似，即，空气中的细菌空气真菌空气中放线菌。这再一次表明从城市污水处理厂发出的空气放线菌可能对公众健康和城市空气质量与细菌和真菌相比有显著影响。空气中的微生物在不同的计数平均直

21、径不同的原因可能是空气中的细菌主要存在于簇或附着于颗粒，而空气真菌、放线菌中可能存在主要是单细胞或孔图案（Rajasekar和Balasubramanian，2011; Li等人，2012）。此外，每个微生物气溶胶在不同的污水处理相的计数平均直径是不同的。细菌，真菌和放线菌气溶胶最大的计数平均直径分别出现在曝气沉砂池，氧化沟，而最小的值均在污泥脱水间。这意味着，从曝气沉砂池和氧化沟生成微生物气溶胶的计数平均直径均高于污泥脱水间。从曝气沉砂池和氧化沟生成微生物气溶胶的尺寸一般比污泥脱水间大。这一事实可能是相对于污水处理厂相之间不同的活动造成的。在曝气沉砂池中使用的剧烈鼓泡曝气方式并在氧化沟使用水

22、平转子曝气方式似乎产生比在污泥脱水间离心操作相对较大的气溶胶。在未来这应当进一步被研究。4. 结论相对于背景值，污水处理过程中的每个阶段均检测到了空气中存活的的较高数量的细菌，真菌，放线菌，表明城市污水处理厂真的是微生物气溶胶的重要来源。曝气及污泥浓缩操作发现能够产生较多微生物气溶胶。在这项研究中检测到不同的空气中的微生物，类似的单峰分布格局中污水处理厂也被观察到。大约52的空气中的细菌、62的空气中真菌和65的空气中放线菌的人可吸入的大小范围（小于3.3微米），这意味着，他们可能更容易达到支气管及肺泡且会对健康造成不良影响。此外，抽检结果显示，在每一个不同的阶段空气中的微生物差异较大的是粒径

23、分布。通常会发现，微生物气溶胶在曝气沉砂池和氧化沟的计数平均直径由于不同的操作模式比在污泥脱水间大。在每个相不同的微生物气溶胶的计数平均直径顺序被发现是类似，即，空气中的细菌空气真菌空气中放线菌。这再一次表明从城市污水处理厂发出的空气放线菌可能对公众健康和比细菌和真菌城市空气质量更显著的效果。在这项研究中确定的空气中可行的细菌，真菌，放线菌发射特性对于了解其潜在的健康影响，对建立污水处理厂适当的控制措施非常有用。5. 致谢笔者要答谢城市水资源与水环境国家重点实验室（QA200806），流体动力国家重点实验室和机电系统（GZKF-201026）和中央学院特别基金，长安大学基本科研（CHD2012

24、JC005）。6. 参考 Andersen, A.A. (1958). New Sampler for the Collection,Sizing, and Enumeration of Viable Airborne Particles. J.Bacteriol. 76: 47184.Brandi, G., Sisti, M. and Amagliani, G. (2000). Evaluationof the Environmental Impact of Microbial AerosolsGenerated by Wastewater Treatment Plants Utilizin

25、gDifferent Aeration Systems. J. Appl. Microbiol. 88: 845852.Breza-Boruta, B. and Paluszak, Z. (2007). Influence ofWater Treatment Plant on Microbiological Compositionof Air Bioaerosol. Pol. J. Environ. Stud. 16: 663670.Byeon, J.H., Park, C.W., Yoon, K.Y., Park, J.H. andHwang, J. (2008). Size Distrib

26、utions of Total AirborneParticles and Bioaerosols in a Municipal CompostingFacility. Bioresour. Technol. 99: 51505154. Carducci, A., Tozzi, E., Rubulotta, E., Casini, B., CantianiL., Rovini, E., Muscillo, M. and Pacini, R. (2000).Assessing Airborne Biological Hazard from UrbanWastewater Treatment. W

27、ater Res. 34: 11731178.Chen, X., Ran, P., Ho, K., Lu, W., Li, B., Gu, Z., Song, C.and Wang, J. (2012). Concentrations and Size Distributionsof Airborne Microorganisms in Guangzhou duringSummer. Aerosol Air Qual. Res. 12: 13361344.Dowd, S.E., Gerba, C.P., Pepper, I.L. and Pillai, S.D. (2000).Bioaeros

28、ol Transport Modeling and Risk Assessment inRelation to Biosolid Placement. J. Environ. Qual. 29:343348.Fang, Z., Ouyang, Z., Zheng, H. and Wang, X. (2008).Concentration and Size Distribution of Culture AirborneMicroorganisms in Outdoor Environments in Beijing,China. Aerosol Sci. Technol. 42: 325334

29、. Fernando, N.L. and Fedorak, P.M. (2005). Changes at anActivated Sludge Sewage Treatment Plant Alter theNumber of Airborne Aerobic Microorganisms. Water Res.39: 45974608.Fracchia, L., Pietronave, S., Rinaldi, M. and Martinotti, M.G.(2006). Site-related Airborne Biological Hazard and Seasonal Variat

30、ions in Two Wastewater Treatment Plants.Water Res. 40: 19851994.Grisoli, P., Rodolfi, M., Villani, S., Grignan, E., Cottica,D., Berri, A., Picco, A.M. and Dacarro, C. (2009).Assessment of Airborne Microorganism Contamination inan Industrial Area Characterized by an Open CompostingFacility and a Wast

31、ewater Treatment Plant. Environ.Res. 109: 135142.Haas, D., Unteregger, M., Habib, J., Galler, H., Marth, E.and Reinthaler, F.F. (2010). Exposure to Bioaerosol fromSewage Systems. Water Air Soil Pollut. 207: 4956.Heinonen-Tanski, H., Reponen, T. and Koivunen, J. (2009).Airborne Enteric Coliphages and

32、 Bacteria in SewageTreatment Plants. Water Res. 43: 25582566.Hu, T., Cao, J., Shen, Z., Wang, G., Lee, S. and Ho, K.(2012). Size Differentiation of Individual AtmosphericAerosol during Winter in Xian, China. Aerosol Air Qual.Res. 12: 951960.Hung, H.F., Kuo, Y.M., Chien, C.C. and Chen, C.C. (2010).Us

33、e of Floating Balls for Reducing Bacterial AerosolEmissions from Aeration in Water Treatment Processes.J. Hazard. Mater. 175: 866871.Karra, S. and Katsivela, E. (2007)0 Microorganisms inBioaerosols Emissions from Wastewater Treatment Plantsduring Summer at a Mediterranean Site. Water Res. 41:1355136

34、5.Korzeniewska, E., Filipkowska, Z., Gotkowska-Plachta, A.,Janczukowicz, W., Dixon, B. and Czulowska, M. (2009).Determination of Emitted Airborne Microorganisms froma BIO-PAK Wastewater Treatment Plant. Water Res. 43:28412851.Lee, B.U. (2011). Life Comes from the Air: A Short Reviewon Bioaerosol Con

35、trol. Aerosol Air Qual. Res. 11: 921927.Lee, I.S., Kim, H.J., Lee, D.H., Hwang, G.B., Jung, J.H.,Lee, M., Lim, J. and Lee, B.U. (2011). Aerosol Particle SizeDistribution and Genetic Characteristics of AerosolizedInfluenza A H1N1 Virus Vaccine Particles. Aerosol AirQual. Res. 11: 230237.Li, L., Gao,

36、M., Liu, J. and Guo, X. (2011a). Removal ofAirborne Microorganisms Emitted from a WastewaterTreatment Oxidation Ditch by Adsorption on ActivatedCarbon. J. Environ. Sci. 23: 711717.Li, L., Gao, M. and Liu, J. (2011b). DistributionCharacterization of Microbial Aerosol Emitted from aWastewater Treatmen

37、t Plant Using the Orbal OxidationDitch Process. Process Biochem. 46: 910915. Li, Y., Qiu, X., Li, M., Ma, Z., Niu, T. and Feng, Y.(2012). Concentration and Size Distribution of AirborneActinomycetes in a Municipal Wastewater TreatmentPlant. Pol. J. Environ. Stud. 21: 13051311.Martin, E., Kampfer, P.

38、 and Jackel, U. (2010). Quantificationand Identification of Culturable Airborne Bacteria fromDuck Houses. Ann. Occup. Hyg. 54: 217227.OHara, R.E. (2005). Reducing Bioaerosol Dispersion fromWastewater Treatment and Its Land Application: AReview and Analysis. J. Environ. Health 68: 2429.Oppliger, A.,

39、Hilfiker, S., Duc, T.V. (2005). Influence ofSeasons and Sampling Strategy on Assessment ofBioaerosols in Sewage Treatment Plants in Switzerland.Ann. Occup. Hyg. 49: 393400. Pascual, L., Prez-Luz, S., Yez, M.A., Santamara, A.,Gibert, K., Salgot, M., Apraiz, D. and Cataln, V. (2003).Bioaerosol Emission from Was