高愛麗, 王旭一, 黃 青, 隋 心, 楊 唐, 程麗華, 姜 波, 惠曉亮,張展鵬, 高曉東

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 青島 266520; 2.青島首創(chuàng)瑞海水務(wù)有限公司, 青島 266000)

生物氣溶膠是指富含細(xì)菌、真菌、放線菌和病毒等生物組分,并以相對(duì)穩(wěn)定和分散的形式存在于氣相中的膠體體系[1-4]。污水處理廠是大氣環(huán)境中生物氣溶膠重要的源和匯之一[5]。在分離、曝氣、攪拌和污泥脫水等驅(qū)動(dòng)作用下,混合液懸浮固體以生物氣溶膠的形式突破水汽界面逸散至大氣環(huán)境[6-10]。受生物氣溶膠的影響,污水處理廠工作人員易出現(xiàn)“污水廠工人綜合征”,同時(shí)周邊居民也更易感染呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)疾病[11-13]。

粒徑分布是生物氣溶膠重要的性質(zhì)之一,其與生物氣溶膠顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)的沉積位置緊密相關(guān)[14-16]。同時(shí),不同粒徑生物氣溶膠在大氣環(huán)境中的存在和擴(kuò)散能力不同,也極易受到環(huán)境因素和污染逸散源特性的影響[9,17-18]。腸桿菌科細(xì)菌是毒理學(xué)和流行病學(xué)上常見的革蘭氏陰性桿菌,包括大腸埃希氏菌屬、沙門氏菌屬、志賀菌屬、克雷伯氏菌屬和腸桿菌屬等潛在致病菌,可能引起人類呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)等感染[19]。相關(guān)研究已證明腸桿菌科微生物在污水處理廠生物氣溶膠總懸浮顆粒物中的存在[9,20-21];但對(duì)于其粒徑分布和影響因素尚缺乏深入的研究。

基于此,以江蘇省某城鎮(zhèn)污水處理廠為研究對(duì)象,在不同季節(jié)采集了不同處理單元生物氣溶膠顆粒;分析不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載的腸桿菌科微生物濃度,探究環(huán)境因素對(duì)其粒徑分布的影響。以期為污水處理廠生物氣溶膠風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)位

試驗(yàn)在江蘇省某城鎮(zhèn)污水處理廠開展,選取2020年至2021年4個(gè)季節(jié)進(jìn)行采樣。該水廠處理規(guī)模為7.5萬m3/d,主體采用厭氧-缺氧-好氧工藝處理生活污水。如圖1所示,在廠界內(nèi),分別在細(xì)格柵、缺氧池、好氧池和污泥脫水間設(shè)置采樣點(diǎn);在污水處理廠周邊,根據(jù)不同季節(jié)采樣當(dāng)天的風(fēng)向于距離廠界大于500 m處設(shè)置上下風(fēng)向采樣點(diǎn),同時(shí)注意避免其他污染源的干擾。

圖1 采樣點(diǎn)示意Fig.1 Schematic diagram of sampling points

1.2 樣品采集與處理

利用安德森六級(jí)撞擊式采樣器(N6, Thermo Fisher Scientific Inc. Waltham, MA, USA)采集不同粒徑生物氣溶膠顆粒物,腸桿菌科微生物的收集介質(zhì)為MacConkey選擇性培養(yǎng)基。安德森六級(jí)撞擊式采樣器的切割粒徑為0.65、1.10、2.10、3.30、4.70和7.00 μm[22];其中,空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于3.30 μm的氣溶膠顆粒物定義為可吸入性片段[23]。每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行3次平行采集,平行樣本每4 h采集一次,采樣流量為28.3 L/min,每次收集時(shí)間為2 min,每個(gè)季節(jié)各采樣點(diǎn)收集到6種不同粒徑的生物氣溶膠樣本,共計(jì)432個(gè)樣本。收集后,在35 ℃條件下培養(yǎng)24 h。菌落計(jì)數(shù)采用正孔校正法進(jìn)行修訂,最終結(jié)果以3次測(cè)定的算術(shù)平均值計(jì),單位為CFU/m3[22]。

1.3 氣象條件測(cè)定

采樣期間,利用風(fēng)速儀(HD2303, Delta OHM, Italy)和輻照度計(jì)(HD2302.0, Delta OHM, Italy)分別測(cè)定風(fēng)速和光照強(qiáng)度;利用溫濕度計(jì)(WD-35612, Oakton Instruments, Germany)測(cè)定相對(duì)濕度和溫度。不同季節(jié)采樣期間的氣象條件數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采樣期間的氣象參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)利用Excel 2019軟件進(jìn)行處理,相關(guān)柱形圖和折線圖通過Origin 2022進(jìn)行繪制。通過因素向前選擇及蒙特卡洛模擬,探究了相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速和光照強(qiáng)度對(duì)污水處理廠不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科濃度的影響程度;其中,利用Lambda-1和Lambda-A分別指示邊際效應(yīng)和條件效應(yīng)中不同因素對(duì)結(jié)果差異性的相對(duì)重要性。同時(shí),采用冗余分析將不同因素對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行可視化。因素向前選擇及蒙特卡洛模擬、冗余分析利用CANOCO 5.0軟件進(jìn)行。通過非參度量多維統(tǒng)計(jì)分析(non-metric multidimensional scaling,NMDS)定性比較不同樣本腸桿菌科粒徑分布的多樣性,采用相似性百分?jǐn)?shù)檢驗(yàn)(similarity percentage analysis,SIMPER)和相似性分析(analysis of similarity,ANOSIM)定量比較樣本不同分組的腸桿菌科粒徑分布相似性和差異性。所有顯著性檢驗(yàn)設(shè)定閾值為P<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科總濃度

從不同季節(jié)角度,各采樣點(diǎn)均在冬季檢測(cè)到最高的生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的總濃度,其次是春季、秋季和夏季,如圖2所示。以污泥脫水間為例,在春季、夏季、秋季和冬季生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的總濃度分別為1 255、986、1 109和1 507 CFU/m3。春季、夏季、秋季和冬季各采樣點(diǎn)生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的總濃度平均值為1 004、822、909和1 162 CFU/m3。

圖2 污水處理廠不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科分布特征Fig.2 Distribution characteristics of Enterobacteriaceae loaded by size-segregated bioaerosols from wastewater treatment plants

在不同處理單元角度均監(jiān)測(cè)到了生物氣溶膠中腸桿菌科不同程度的富集(見圖2)。以往研究表明,格柵間的固液分離和缺氧池的攪拌所產(chǎn)生的對(duì)水面不同程度的攪動(dòng)導(dǎo)致了生物氣溶膠的排放[24];好氧池曝氣產(chǎn)生的氣泡升至水汽界面并破裂,生物組分突破水汽界面形成生物氣溶膠[16];而污泥脫水間利用離心脫水機(jī)進(jìn)行污泥脫水,污泥顆粒在離心力的作用下形成生物氣溶膠[24]。在本研究中,污泥脫水間具有最高的生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的總濃度平均值(1 214 CFU/m3),其次分別是好氧池(1 088 CFU/m3)、細(xì)格柵(962 CFU/m3)和缺氧池(884 CFU/m3)。

在各個(gè)季節(jié),污水處理廠廠界內(nèi)及下風(fēng)向均具有比上風(fēng)向控制點(diǎn)更高的生物氣溶膠腸桿菌科總濃度(見圖2)。以春季為例,上風(fēng)向、污水處理廠廠界內(nèi)和下風(fēng)向生物氣溶膠腸桿菌科總濃度分別為696、1 079和1 010 CFU/m3。這些結(jié)果反映了污水處理廠生物氣溶膠的逸散對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.2 不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科濃度

進(jìn)一步地,對(duì)>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生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科濃度進(jìn)行了分析(見圖2)。不同季節(jié)各采樣點(diǎn)負(fù)載腸桿菌科的生物氣溶膠主要粒徑范圍為1.10～4.70 μm,占比65.54%～85.84%。不同季節(jié)和處理單元負(fù)載腸桿菌科生物氣溶膠的可吸入性片段濃度趨勢(shì)與總濃度趨勢(shì)具有一致性。在春季和夏季,污泥脫水間具有最高的可吸入性片段相對(duì)比例,分別為67.49%和65.11%;在秋季和冬季,缺氧池和細(xì)格柵分別具有最高的可吸入性片段相對(duì)比例,分別為66.63%和73.06%。整體上,上風(fēng)向、污水處理廠廠界內(nèi)和下風(fēng)向負(fù)載腸桿菌科的生物氣溶膠可吸入性片段濃度分別為414、667和583 CFU/m3,對(duì)應(yīng)比例分別為53.76%、63.93%和62.19%。相比于上風(fēng)向,污水處理廠下風(fēng)向具有更高的負(fù)載腸桿菌科的生物氣溶膠可吸入性片段濃度和相對(duì)比例。以上結(jié)果說明了污水處理廠生物氣溶膠的逸散對(duì)污水處理廠工人及周邊居民存在不容忽視的呼吸暴露風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 腸桿菌科粒徑分布的相似性

將所有檢測(cè)的樣品按照樣本的季節(jié)來源分為春季、夏季、秋季和冬季;按照樣本的位置來源分為上風(fēng)向、細(xì)格柵、缺氧池、好氧池、污泥脫水間和下風(fēng)向。根據(jù)不同樣本中不同粒徑負(fù)載腸桿菌科的NMDS結(jié)果(見圖3(a)),同一樣本源的樣本分散,且不同樣本組之間具有不同程度的重疊。

圖3 污水處理廠不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的相似性Fig.3 Similarity of Enterobacteriaceae loaded by size-segregated bioaerosols from wastewater treatment plants

不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的SIMPER和ANOSIM結(jié)果如圖3(b)所示。整體上,污水處理廠不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的分布特征存在顯著的季節(jié)性差異(Global test:R=0.423,P=0.014)和處理單元間差異(Global test:R=0.276,P=0.041)。從季節(jié)組間角度,春季與冬季之間、夏季與秋季之間的結(jié)果差異性不顯著(Pairwise test:P>0.05);從處理單元組間角度,細(xì)格柵、缺氧池、好氧池和污泥脫水間兩兩之間均存在顯著性的差異(Pairwise test:P<0.05)。說明了相比于時(shí)間尺度,空間尺度上的腸桿菌科粒徑分布存在更顯著的差異,可能是由于不同處理單元生物氣溶膠來源(即污水或污泥)性質(zhì)不同所導(dǎo)致[16,18]。值得注意的是,上風(fēng)向和污水處理廠生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的粒徑分布特征存在顯著性的差異(Global test:R=0.328,P=0.023)。沿著風(fēng)向,經(jīng)過污水處理廠之后,生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的粒徑分布特征在下風(fēng)向和上風(fēng)向存在顯著性的差異(差異度=59.27%,P<0.05),而其在下風(fēng)向和污水廠之間差異不顯著(差異度=32.17%,P>0.05)。以上結(jié)果從相似性的角度定性和定量反映了污水處理廠不同粒徑生物氣溶膠的逸散對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.4 影響因素分析

因素向前選擇和蒙特卡洛模擬表明,所選取的4種因素共解釋了38%的污水處理廠生物氣溶膠中腸桿菌科的粒徑分布結(jié)果差異性,如表2所示。相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速和光照強(qiáng)度均對(duì)污水處理廠不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的分布存在顯著影響(P<0.05)。其中,根據(jù)Lambda-A和P值,可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度是最主要的影響因素。

表2 不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科影響因素向前選擇和蒙特卡洛模擬結(jié)果

不同因素對(duì)生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科粒徑分布影響的冗余分析(redundancy analysis,RDA)如圖4所示。腸桿菌科的總濃度、可吸入性片段濃度以及各粒徑濃度,均與相對(duì)濕度成正比,而與溫度、風(fēng)速和光照強(qiáng)度成反比。研究表明,較高的相對(duì)濕度和較低的溫度益于生物氣溶膠中細(xì)菌等微生物的生存[24-25],這可能是導(dǎo)致冬季檢測(cè)到最高的生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科總濃度的主要原因;較高的風(fēng)速會(huì)稀釋生物氣溶膠顆粒物的濃度[26];較高的光照強(qiáng)度,可能對(duì)應(yīng)較高的紫外線輻射,對(duì)微生物起到了一定的滅活作用[27]。

圖4 不同因素對(duì)不同粒徑生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的影響Fig.4 Effects of different factors on Enterobacteriaceae loaded by size-segregated bioaerosols

當(dāng)前,國內(nèi)外關(guān)于污水處理廠生物氣溶膠中細(xì)菌和潛在致病菌的排放尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)[28]。但污水處理廠排放的生物氣溶膠,尤其是可吸入性片段負(fù)載的腸桿菌科等潛在致病菌,可能引起的健康風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。常見的污水處理廠生物氣溶膠控制技術(shù)[29],包括化學(xué)消毒、過濾、熱處理、紫外線照射、微波輻射、靜電場和光催化等,其在控制可吸入性片段負(fù)載潛在致病菌方面的可行性和有效性有待進(jìn)一步研究。未來研究也需進(jìn)一步探究污水處理廠生物氣溶膠負(fù)載潛在致病菌通過水汽界面的微觀過程,定量分析其釋放率及排放通量[28,30]。

3 結(jié)論

1) 從不同季節(jié)角度,冬季具有最高的生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的總濃度平均值(1 162 CFU/m3),其次是春季(1 004 CFU/m3)、秋季(909 CFU/m3)和夏季(822 CFU/m3);從處理單元角度,污泥脫水間具有最高的生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的總濃度平均值(1 214 CFU/m3),其次分別是好氧池(1 088 CFU/m3)、細(xì)格柵(962 CFU/m3)和缺氧池(884 CFU/m3)。

2) 不同季節(jié)各采樣點(diǎn)負(fù)載腸桿菌科的生物氣溶膠主要粒徑范圍為1.10～4.70 μm;相比于上風(fēng)向,污水處理廠下風(fēng)向具有更高的負(fù)載腸桿菌科的生物氣溶膠可吸入性片段濃度和相對(duì)比例。

3) 生物氣溶膠負(fù)載腸桿菌科的粒徑分布特征在下風(fēng)向和上風(fēng)向存在顯著性的差異(差異度=59.27%,P<0.05),而其在下風(fēng)向和污水廠之間差異不顯著(差異度=32.17%,P>0.05)。

4) 所分析的影響因素共解釋了38%的污水處理廠生物氣溶膠中腸桿菌科的粒徑分布結(jié)果差異性,而相對(duì)濕度是其中最主要的影響因素。