污泥消化对市政污泥中病原微生物的去除特性.pdf

Vol.9 No.3Jun.2023生物化工Biological Chemical Engineering第 9 卷 第 3 期2023 年 6 月文章编号：2096-0387（2023）03-04污泥消化对市政污泥中病原微生物的去除特性周进宏*，雷霁，耿雅妮，陈静（宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西宝鸡 721013）摘 要：污泥消化是污泥生物稳定化、无害化处理的主要方法，探究污泥消化对城市污泥中病原微生物的去除特性具有重要意义。本文系统地归纳了城市污泥中病原微生物的类型和赋存特性，分类讨论了不同污泥消化工艺对典型病原体的去除特性，探究了消化作用对病原体的去除机理及影响因素，以期为污泥处理过程中病原微生物的风险调控和政策制定提供理论依据和科学指导。关键词：病原微生物；污泥消化；去除特性；影响因素中图分类号：TU992.3 文献标识码：CRemovalCharacteristicsofSludgeDigestiononPathogenicMicroorganismsinUrbanSludgeZHOU Jinhong*,LEI Ji,GENG Yani,CHEN Jing(School of Geography and Environment,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013,China)Abstract:Sludge digestion is the main method of sludge bio-stabilization and harmless treatment method.It is of great significance to explore the removal characteristics of sludge digestion on pathogenic microorganisms in municipal sludge.Therefore,the types and occurrence characteristics of pathogens in municipal sludge are systematically summarized in this study,and the removal characteristics of typical pathogens by different treatment processes also are classified and discussed.Furthermore,the mechanism and influencing factors of the removal of pathogens by digestion are discussed,in order to provide theoretical basis and scientific guidance for the risk regulation and policy formulation of pathogenic microorganisms in the sludge treatment process.Keywords:pathogens;sludge digestion;removal characteristic;influence factor城市污水中含有各种各样的病原微生物，这些病原微生物可能进入市政污泥中。城市污泥的不合理处理与处置可能会增加病原体扩散到地表水、地下水和土壤的风险，引发病原体增长和二次污染，从而对人类健康造成威胁。污泥消化是利用微生物的代谢作用降低有机质含量从而使污泥稳定化的一种手段。污泥经过消化处理后，细菌、寄生虫和病毒等病原微生物的相对丰度和浓度得到下降。为了系统全面地了解城市污泥中病原微生物的赋存情况及消化作用对病原体的去除特性，本文系统地总结了城市污泥中病原微生物的类型和赋存特性，并总结了不同处理工艺对典型病原体的去除特性，进一步讨论了消化作用对病原体的去除机理及影响因素，以期为污泥处理过程中病原微生物的风险调控和政策制定提供理论依据和科学指导。1 城市污泥中病原微生物类型和赋存特性1.1 城市污泥中病原微生物类型病原微生物是指可以侵入人或动物机体，引起感染甚至传染病的微生物，也称病原体。了解和掌握污泥中病原体的概况是污泥消化无害化处理和资源回收利用的关键。城市污泥中含有的病原体主要有细菌、病毒和寄生虫。众多研究表明，污泥中可检测到的细菌类病原体有气单胞菌、芽孢杆菌、肠球菌、军团菌、分枝杆菌、基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（20JK0481）。通信作者：周进宏（1986），女，陕西咸阳人，博士，讲师，研究方向为环境污染与控制。E-mail：。206生物化工2023 年沙门氏菌、志贺氏菌、葡萄球菌、链球菌等，可能会引起呼吸系统疾病、肠胃炎、结膜炎、皮肤和软组织感染，严重的可引起死亡。污泥中检测到的病毒包括DNA 病毒（如腺病毒、疱疹病毒）和 RNA 病毒（如冠状病毒、肠道病毒、轮状病毒）。DECREY 和 KOHN的研究表明，DNA 病毒比 RNA 噬菌体更持久1。另有研究提出病毒比大肠菌类更耐药，但比梭状芽孢杆菌等孢子生菌耐药差一些2。弯曲杆菌、链霉菌等细菌具有较高的耐药性，而大肠埃希菌、沙门氏菌、志贺氏菌、肠球菌等在污泥消化过程中较易被灭活3。虽然众多研究报道了大多数消化源性病原体及其影响，但仍很难确定哪种病原体会对公众健康造成更高的风险，以及哪种病原体是污泥消化期间的主要灭活目标。1.2 病原微生物在污水厂污泥中的赋存特性城市污水处理厂的污泥主要有三种，初沉污泥、二沉池污泥及两者的混合污泥。因污水厂服务对象、污水的特性、处理工艺和病原体的检测方法等存在差异，病原微生物的浓度有很大的差异，如表 1 所示。整体上来看，初沉污泥中各类病原体含量较高，二沉池污泥次之。大肠杆菌和粪大肠菌群数量比沙门氏菌高 1 2 个数量级，沙门氏菌比志贺氏菌高 1 2 个 数量级。2 不同消化工艺对污泥中病原微生物的去除特性2.1 传统污泥处理工艺对病原体的去除目前最常用的污泥处理方法是中温厌氧消化（30 37）、高温厌氧消化（45 55）、好氧消化（活性污泥法，有机污泥转化成 CO2、NH3、H2）、堆肥（微生物发酵作用下污泥中有机质转变为肥料）等。王燕、符波等8,11的研究表明，中温消化（厌氧和好氧)对污泥中大肠杆菌和粪大肠菌群病原体的去除效率一般在 2.0 3.6 log10(CFU/g)，对沙门氏菌和志贺氏菌去除效率略低一些，在 1.0 2.0 log10(CFU/g)。此外，病毒和噬菌体类病原体在污泥中温消化系统的去除率在 1.0 2.2 log10(CFU/g)12。而高温（嗜热）厌氧消化可实现较高的去除率，对大肠杆菌和粪大肠菌群的去除率可达到 4.0 5.0 log10(CFU/g)，F-噬菌体的去除率约为 3.0 log10(CFU/g)13。中温厌氧消化+好氧消化工艺，对大肠杆菌和噬菌体的去除率分别为 2.4 log10(CFU/g)和 2.0 log10(CFU/g)14；而两次中温厌氧+好氧消化组合处理工艺，对大肠杆菌的去除率分别为 2.3 log10(CFU/g)和 3.5 log10(CFU/g)3；污泥经两次中温厌氧和高温厌氧消化后可分别实现对噬菌体 3.5 log10(CFU/g)和 2.4 log10(CFU/g)的去除率12。2.2 高级污泥处理工艺对病原体的去除高级污泥处理工艺主要是指污泥消化预处理及不同消化工艺的组合，如超声波、热或化学水解。超声处理对大肠杆菌和体细胞噬菌体的浓度几乎没有影响，而热水解可非常有效地去除这两种细菌15。机械超声对粪大肠菌群和大肠杆菌的去除率仅为 0.032 log10(CFU/g)和 0.23 log10(CFU/g)，但处理 60 min 对抗性基因的去除率接近 2 log10(copies/g)；Fenton 电解对粪大肠菌和大肠杆菌分别可实现 2.84 log10(CFU/g)和 2.63 log10(CFU/g)的去除率，联合污泥消化工艺在60 min 内去除率大于 4 log10(CFU/g)16。表 1 污水厂不同污泥中病原微生物浓度 单位：Log10(CFU/g)或 Log10(PFU/g)大肠杆菌粪大肠菌群F-噬菌体沙门氏菌志贺氏菌数据来源初沉污泥6.4 dw5.8 dw48.2 dw7.1 dw56.6 dw5.2 dw6二沉池污泥6.0 dw7.0 dw74.9 ww3.2 ww77 8 dw5.0 dw4.0 dw8混合污泥6.0 ww4.4 ww96.5 ww4.5 ww10注：dw 表示干污泥，ww 表示湿污泥。第 3 期207周进宏等：污泥消化对市政污泥中病原微生物的去除特性3 病原微生物去除特性的影响因素及作用机理3.1 温度温度是厌氧消化污泥中病原体的主要抑制因素。高温可引发微生物酶活性的丧失或衣壳蛋白的变性。研究发现，55 时病原体（如寄生虫卵和肠道病毒）的灭活率比2537 高1517倍7。在高温条件下，当污泥停留时间为 12 15 d 时，高温消化可杀死所有的大肠杆菌和肠球菌13。此外，耐药细菌在中温消化反应 22 d 后仍能存活，但在 55 的高温消化系统中可完全去除17。3.2 挥发性脂肪酸（VFAs）和 pHVFAs 的存在和病原微生物的杀灭有密切关系。符波等11研究证明，当VFAs浓度大于6 000 mg/L时，能够迅速杀灭污泥中的病原微生物，如在消化产酸阶段产生的 VFAs 可有效灭活大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、梭菌等。高浓度 VFAs 与较低 pH 值的耦合作用也有利于污泥中病原体的灭活和去除，如酸性条件下（pH 5）VFAs 对病原菌的灭活效果比中性条件（pH 7）好11。3.3 污泥龄（SRT）研究显示，大肠菌群在 SRT=15 d 内就可降低至检测限以下，延长中温消化时间到 18.2 d，可实现90%病原微生物的强化灭活，大肠杆菌和沙门氏菌在SRT=15 d 时也未检出18。但仍有一些病原体在较长的 SRT 下仍能存活，例如 90%空肠弯曲杆菌失活需要 438.6 d 的 SRT，远远超出了污泥消化工艺的 SRT操作范围，需要辅助其他操作手段进行处理。4 结语城市污泥中含有大量的细菌、病毒和寄生虫，污泥消化对这些病原微生物有明显的去除作用。污泥消化工艺对大肠杆菌和粪大肠菌群的去除率在 2.0 log10(CFU/g)以上，对沙门氏菌、志贺氏菌、病毒的去除率在 1.0 log10(CFU/g)以上，且高温消化比中温消化效果好，多级消化比单一消化效果好。此外，污泥消化系统中，反应温度、挥发性脂肪酸和 pH、污泥龄等条件对病原微生物的去除有显著的影响，在实际应用中应注意对这些因素的调控。参考文献1 DECREY L,KOHN T.Virus inactivation in stored human urine,sludge and animal manure under typical conditions of storage or mesophilic anaerobic digestionJ.Environmental 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