基于EPANET-MSX的多组分给水管网水质模型的开发与应用

基于EPANET-MSX工具包开发了机制性的多组分给水管网水质模型,模型将管段概化为管壁、生物膜、液膜和液相4个组成部分.模拟过程包括基质利用和微生物生长、微生物衰减和死亡、溶解性物质的液膜传质、不溶性物质的吸附和脱落、余氯与有机物的氧化和卤代反应以及管壁腐蚀消耗余氯等.模拟变量共15个,包括生物膜和液相中各7个变量,即溶解性有机物、不溶性有机物、氨氮、余氯、异养菌、自养菌和惰性颗粒,以及管壁生物膜厚度.利用管段模拟实验数据进行模型验证,模型对余氯和浊度的模拟精度分别为0.1 mg/L和0.3 NTU.案例研究的模拟结果合理地反映了给水管网中余氯和浊度的动态变化特征,而同时考虑水厂出水水质可变性和参数不确定性的Monte Carlo模拟则可用于评价案例给水管网的水质超标风险.     

基于活性微生物特征的供水管壁生物膜生长特性

管网生物膜由各种活性微生物、微生物残体及有机无机杂质组成,管网生物膜的生长会导致机会致病菌寄居、管道腐蚀以及水质恶化等系列饮用水卫生问题.为研究供水管壁生物膜形成过程和附着生长活性微生物的分布特征,采用异养菌平板计数(HPC)、流式细胞术(FCM)和16S rRNA高通量测序对3种典型室内供水管材:聚氯乙烯(PVC)、无规共聚聚丙烯(PPR)、不锈钢(STS)内壁活性微生物的生长特性和群落多样性进行了分析.结果表明,PVC管壁生物量在第73 d最先达到峰值,3种管材内壁单位面积最大生物量、生物膜成熟时期生物量均呈现PVC PPR STS的规律. 3种管材表面活性细菌群落结构组成上,PVC管表面主要以硝化螺旋菌门为主,PPR和STS管以疣微菌门为主,其中STS管壁上生物膜物种丰富度最低、多样性最小,群落结构最简单. PVC和PPR管内壁表面相较STS管存在更多的蓝藻细菌和放线菌,在饮用水输配过程中更易引发饮用水嗅味问题.管材介质对管壁生物膜上微生物群落结构存在一定影响.     

给水管网多相界面中微生物表面疏水性研究

采用疾病控制中心（CDC）生物膜反应器模拟给水管网系统,选取聚氯乙烯（PVC）和聚碳酸酯（PC）2种材质的挂片,通过微生物粘附碳氢化合物（MATH）实验和Illumina高通量测序相结合的方法,对反应器水相、生物膜相和颗粒物相中微生物的疏水性进行了研究.结果显示,PVC材质挂片反应器中优势菌为厚壁菌门,相对丰度为68.31%~81.00%,PC材质挂片反应器中优势菌为变形菌门,相对丰度为24.39%~64.40%.PVC材质挂片反应器中优势菌包含3类致病菌,PC材质挂片反应器中包含8类致病菌.PC材质挂片生物膜相较于PVC材质疏水性更高,利于微生物吸附形成生物膜,而PVC材质不易形成生物膜,对控制输送过程中的二次污染具有积极作用,但在管网实际应用中还应考虑其他工程因素的影响.     

基于活性微生物特征的供水管壁生物膜生长特性

管网生物膜由各种活性微生物、微生物残体及有机无机杂质组成,管网生物膜的生长会导致机会致病菌寄居、管道腐蚀以及水质恶化等系列饮用水卫生问题。为研究供水管壁生物膜形成过程和附着生长活性微生物的分布特征,采用异养菌平板计数(HPC)、流式细胞术(FCM)和16S rRNA高通量测序对3种典型室内供水管材:聚氯乙烯(PVC)、无规共聚聚丙烯(PPR)、不锈钢(STS)内壁活性微生物的生长特性和群落多样性进行了分析。结果表明,PVC管壁生物量在第73 d最先达到峰值,3种管材内壁单位面积最大生物量、生物膜成熟时期生物量均呈现PVCPPRSTS的规律。3种管材表面活性细菌群落结构组成上,PVC管表面主要以硝化螺旋菌门为主,PPR和STS管以疣微菌门为主,其中STS管壁上生物膜物种丰富度最低、多样性最小,群落结构最简单。PVC和PPR管内壁表面相较STS管存在更多的蓝藻细菌和放线菌,在饮用水输配过程中更易引发饮用水嗅味问题。管材介质对管壁生物膜上微生物群落结构存在一定影响。     

生物陶粒与生物活性炭上微生物群落结构的PCR-SSCP技术解析

采用PCR-SSCP(单链构象多态性)技术,以16S rRNA基因的V4-V5区为靶对象,分析用于饮用水处理的生物陶粒和生物活性炭上的微生物群落结构.对生物陶粒和生物活性炭上的微生物分别进行超声波洗脱、R2A和LB平板培养后提取基因组DNA.结果表明,除生物活性炭超声波洗脱不能提取到DNA外,其他处理均能提取到大小在10 kb以上的基因组DNA,但所提取的量有较大差异.以提取的DNA为模板分别进行PCR,均能扩增到408 bp的基因片段.这些片段经λ核酸外切酶消化处理后进行SSCP电泳.结果显示,超声波洗脱、R2A和LB培养对试验结果影响不明显.生物陶粒的微生物基因扩增片段SSCP图谱相同,且只出现1条带.测序后与基因组数据库对比,结果显示其与uncultured Pseudomonas sp. clone FTL201 16S rDNA （GenBank登录号AF509293.1）片段同源性为92%.生物活性炭的微生物基因扩增片段SSCP图谱也相同,但有2条带.测序对比的结果表明, 这2个基因片段与Bacillus sp. JH19 16S rDNA （GenBank 登录号DQ232748.1）片段和Bacterium VA-S-11 16S rDNA （GenBank登录号AY395279.1）片段的同源性分别为100%和99%.     

供水管网不同管材内壁微生物分布的显微观察

采用扫描电镜、原子力显微镜以及激光共聚焦显微镜对不锈钢插片表面和供水管网末端PPR管内壁微生物的分布和生物膜结构进行了观察和分析.结果表明,在供水管网中,不锈钢材质表面不利于微生物附着生长,在短时间内(3个月)只有很少的微生物附着.在管网末端PPR管表面有明显的微生物附着生长,细菌容易附着在基底表面的凹穴中,细菌与基底是紧密黏附在一起的.扫描电镜和原子力显微镜结合是观察管壁非连续生长生物膜表面结构的有效手段.采用激光扫描共聚焦显微镜可同时实现管壁生物膜内部和三维结构观察.     

供水管壁的磷释放对管网水质生物稳定性的影响

为了研究供水系统金属管壁磷释放及其对管网水质生物稳定性的影响,采用新旧有水泥涂衬球墨铸铁管,考察了管壁和水泥涂衬中磷的含量,管网水中可同化有机碳(AOC)、异养菌平板计数(HPC)及生物可利用磷(MAP)的变化规律.结果表明,在铸铁管金属管壁和水泥涂衬中均有磷元素及其他微生物生长所需微量元素存在.旧管和新管均可向悬浮水中释放磷元素并可被微生物吸收利用,旧管释放水平高于新管;同时旧管释放产生的AOC和旧管水中的HPC也明显高于新管;新管对水中pH值有明显影响,但随时间推移逐渐减弱.     

PCR-SSCP技术用于脱臭微生物群落结构的研究

采用PCR-SSCP(单链构象多态性)技术对脱臭生物滤池中填料生物膜微生物群落结构进行了研究.生物滤池对臭气中的污染物随驯化时间逐渐增强,去除率从50%升高到89%.对2种填料树皮和秸秆上生物膜的分析结果表明,滤池内微生物多样性随运行时间先降后升,从1.6～1.9上升到2以上;而2种填料上微生物的相似性逐渐增加,表明随着驯化进程,生物填料上的微生物能够利用臭气污染物进行生长,并随运行时间逐渐趋于丰富和稳定;树皮比秸秆具有较高的生物多样性,平均值分别为2.2和2.0,说明树皮上容易附着多种微生物生长,电镜照片也显示2种填料生物膜的增长和生物多样性的提高.SSCP条带测序结果表明生物滤池生物膜优势微生物种属为芽孢杆菌属,占33.3%;条带中不可培养细菌占44.4%;填料生物膜上的细菌绝大多数是广泛存在于土壤、水体及生物体中的微生物,它们对环境适应能力强,在臭气的污染物去除中扮演重要角色.     

给水管网生物膜反应器及分子生物学研究方法进展

饮用水在经管道输送到用户的过程中,微生物附着到管网内壁生长形成生物膜。生物膜的存在会引起一系列水质问题如病原菌的生长、色度和浊度的变化、管道的腐蚀等,对人类饮用水安全构成威胁。而且生物膜对消毒剂有顽强的抗性,一旦形成就难以控制。所以生物膜一直是给水管网研究的热点和难点。但是给水管网中生物膜的实际采样研究比较困难,而且实际取样无法连续监测生物膜形成的动态变化过程,因此用反应器实验模拟研究生物膜显得尤为重要。另外,随着技术的进步,研究给水管网生物膜不仅仅局限于传统的培养方法,还出现了一些新手段如现代分子生物学技术和显微镜图像分析技术,以便更加科学、合理地了解给水管网生物膜,从而保障城市供水的安全。文章重点介绍几种常见的用于研究给水管网生物膜的反应器及生物膜的研究方法,并对其原理及优缺点作了简要的讨论。     

城市供水管网生物膜中氨氧化细菌对氯胺消毒效果的影响

供水管网中微生物生长和生物膜形成可对管网水质和运行造成重要影响.利用MPN-Griess方法检测了上海某供水系统生物膜中氨氧化细菌的数量,分析了管网中氨氧化细菌与管网水中硝化作用和消毒剂之间的相关性.通过室内实验分析了氨氧化细菌和异养菌对氯胺消毒剂的抗性和消耗影响.结果表明,管网中氨氧化细菌数量(以生物膜干重计)在1.0×102～4.3×１０⁵ MPN/g之间,与氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度的相关系数分别为-0.563、 0.603和-0.563;与总氯和一氯胺浓度的相关系数分别是-0.659和-0.571.氨氧化细菌对氯胺消毒剂的抗性明显高于异养菌,对氯胺消毒剂的消耗能力也强于异养菌.     

鼠李糖脂对微生物降解正十六烷以及细胞表面性质的影响

使用大庆油田石油污染土壤中分离出的优势菌种（蜡状芽孢杆菌DQ01和芽孢杆菌DQ02）,在实验室可控条件下,研究了生物表面活性剂鼠李糖脂对微生物降解正十六烷以及降解菌生长、菌体表面疏水性和外表形态的影响.结果表明,鼠李糖脂可以提高正十六烷的降解率,48 h时蜡状芽孢杆菌DQ01和芽孢杆菌DQ02对正十六烷的降解率比未加鼠李糖脂的体系分别增加了8.1％和11.6％. 正十六烷培养基中的鼠李糖脂能引起菌体表面疏水性的明显增大,且低浓度鼠李糖脂的这种能力明显优于高浓度鼠李糖脂,蜡状芽孢杆菌DQ01和芽孢杆菌DQ02分别在加入0.4 mmol/L和0.2 mmol/L鼠李糖脂时疏水性最大. 尤其是芽孢杆菌DQ02在对数生长后期BATH（bacterial adherence to hydrocarbon）达到44％,远大于未加鼠李糖脂时的BATH. 但在葡萄糖培养基中鼠李糖脂并没有明显影响菌种的生物量和BATH. 另外,加入鼠李糖脂后, 2株菌的培养基接触角比未加鼠李糖脂的培养基接触角均减小了约一半. 未加入鼠李糖脂的菌体细胞表面比较光滑,且菌体之间独立生长,而加入鼠李糖脂后影响了降解菌的外表形态,菌体细胞表面略显粗糙且相互粘连,有助于细胞与疏水性有机物的接触.     

异养硝化-好氧反硝化菌WXZ-8的脱氮产物N_2O和N_2研究

研究了异养硝化-好氧反硝化菌WXZ-8(Bacillus cereus)的异养硝化性能,并采用GC-ECD(Gas Chromatography-Electron Capture Detector)、GC-TCD(Gas Chromatography-Thermal Conductivity Detector)方法分别测定了脱氮过程中的气体产物N2O和N2。为了改进密封反应的溶氧条件,采用纯氧密封摇瓶培养和空气密封摇瓶培养两个对照条件下进行培养。结果表明:(1)空气密封瓶实验条件下,WXZ-8产生的N2O为0.00945mg,N2为9.5005mg,分别占从水体中脱除的氮的0.047%和47.09%,另外,同化合成的氮含量占48.74%;(2)纯氧密封瓶实验条件下,WXZ-8产生的N2O为0.00463mg,N2为9.686mg,分别占从水体中脱除的氮的0.024%与49.57%,同样,同化合成的氮含量占49.23%。两组对照实验表明,WXZ-8菌是一株高效、产生低水平量N2O的性能良好的异养硝化-好氧反硝化菌,且纯氧培养条件更有利于控制N2O的逸出。     

Evaluation of biostimulation and Tween 80 addition for the bioremediation of long-term DDT-contaminated soil

The bioremediation of a long-term contaminated soil through biostimulation and surfactant addition was evaluated. The concentrations of 1,1,1-trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethane(DDT) and its metabolites 1,1-dichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl) ethane(DDD) and1,1-dichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl) ethylene(DDE) were monitored during an 8-week remediation process. Physicochemical characterization of the treated soil was performed before and after the bioremediation process. The isolation and identification of predominant microorganisms during the remediation process were also carried out. The efficiency of detoxification was evaluated after each bioremediation protocol. Humidity and p H and the heterotrophic microorganism count were monitored weekly. The DDT concentration was reduced by 79% after 8 weeks via biostimulation with surfactant addition(B + S) and 94.3%via biostimulation alone(B). Likewise, the concentrations of the metabolites DDE and DDD were reduced to levels below the quantification limits. The microorganisms isolated during bioremediation were identified as Bacillus thuringiensis, Flavobacterium sp., Cuprivadius sp.,Variovorax soli, Phenylobacterium sp. and Lysobacter sp., among others. Analysis with scanning electron microscopy(SEM) allowed visualization of the colonization patterns of soil particles. The toxicity of the soil before and after bioremediation was evaluated using Vibrio fischeri as a bioluminescent sensor. A decrease in the toxic potential of the soil was verified by the increase of the concentration/effect relationship EC50 to 26.9% and 27.2% for B + S and B, respectively, compared to 0.4% obtained for the soil before treatment and 2.5%by natural attenuation after 8 weeks of treatment.     

供水系统水质生物稳定性与细菌生长相关分析

以上海市某水厂实际供水系统为研究对象,从水源、水厂净水工艺到输配水管网对城市供水水质生物稳定性与微生物生长相关性进行了系统分析.结果表明,由于水源污染和常规净水工艺局限性,水厂出水水质不能保障生物稳定性,在输配管网中,BDOC、浊度、余氯、异养菌数量存在明显的相关性.控制出厂水有机物含量,保持管网免受二次污染和强化消毒可有效减少管网中微生物繁殖生长.     

人工湿地污水处理系统中植物套种模式根际微生物多样性研究

采用选择性平板培养基法和PCR-DGGE法,比较研究了人工湿地污水处理系统中植物套种模式和无植物单元在不同季节和不同单元之间根际微生物多样性.结果表明,植物套种模式的根际微生物数量明显高于无植物模式,夏季明显多于冬季.在三级串联的处理单元之间,夏季根际微生物数量呈现＂少-多-少＂的变化规律,冬季无明显的变化规律.UPG...     

Efficient degradation of lube oil by a mixed bacterial consortium

A laboratory study was performed to assess the biodegradation of lube oil in bio-reactor with 304# stainless steel as a biofilm carrier. Among 164 oil degrading bacterial cultures isolated from oil contaminated soil samples, Commaonas acidovorans Px1, Bacillus sp. Px2, Pseudomonas sp. Px3 were selected to prepare a mixed consortium for the study based on the efficiency of lube oil utilization. The percentage of oil degraded by the mixed bacterial consortium decreased slightly from 99% to 97.2% as the concentration of lube oil was increased from 2000 to 10,000 mg/L. The degradation of TDOC (total dissolved organic carbon) showed a similar tendency compared with lube oil removal, which indicated that the intermediates in degradation process hardly accumulated. Selected mixed bacterial consortium showed their edge compared to activated sludge. Scanning electron microscopy (SEM) photos showed that biofilms on stainless steel were robust and with a dimensional framework constructed by EPS (extracellular polymeric substances), which could promote the biodegradation of hydrocarbons. The increase of biofilm followed first-order kinetics with rate of 0.216 μg glucose/(cm2·day) in logarithm phase. With analysis of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) combined with removal of lube oil and TDOC, mixed bacterial consortium could degrade benzene and its derivatives, aromatic ring organic matters with a percentage over 97%.