饮用水砂滤池微生态功能解析及强化

Sand filtration is widely used in drinking water treatment. The microorganisms and pollutants could be directly retained in filter from the treatment. Meantime the retained microbes grow slowly to form a biofilm on the surface of filter material, which may further degrade and transform the influent pollutants. However we still do not fully understand the microbial function in this process and how to control it to improve the effluent quality. This project is to investigate the actual sand filters of drinking water in different districts of our country and will combine molecular approach and chemical characterization to explore the microbial composition and function in those sand filters. We aim to conduct a causal relationship among effluent quality, microbes, and adsorbed matters. Further, we will construct a sand filter reactor and prepare to introduce the selected bacteria strain(s) to the reactor for building up an artificial microbial ecosystem; discern impacts of technological parameters of reactor on artificial microbial ecosystem; track the relative abundance of inoculated strain(s) and elucidate its contribution for pollutants removal. Our study will advance the fundamental scientific theory of “the role and mechanism of sand filters in drinking water treatment” and innovate the drinking water treatment technique.

砂滤池在世界范围内被广泛应用于饮用水处理中，它能直接截留源水中微生物及部分污染物。截留的微生物能在滤池中缓慢生长并生成生物膜，从而对源水中的污染物进一步降解转化，目前对该过程中微生物的功能特性还缺乏系统认知。本项目拟结合分子生态与化学表征技术对我国不同区域饮用水砂滤池进行调查试验研究，在明确滤池微生态系统构成及功能基础上，探究滤池微生态系统微生物及附着化学物质与出水水质的因果关系。进一步在反应器中探讨引入功能菌株（群），人工构建滤池微生态系统的可行性；识别工艺参数对微生态系统功能的影响程度，跟踪加入菌株（群）在微生态系统中的丰度变化及分析其对污染物去除的贡献。研究将完善饮用水滤池在净水中的作用与机制的基础理论，创新饮用水处理工艺优化技术。

砂滤池在世界范围内被广泛应用于饮用水处理中，它能直接截留源水中微生物及部分污染物。截留的微生物能在滤池中缓慢生长并生成生物膜，从而对源水中的污染物进一步降解转化，目前对该过程中微生物的功能特性还缺乏系统认知。为解决该科学问题，本项目在调查了我国8个城市12座饮用水厂砂滤池微生态系统构成及功能特征基础上，明确了砂滤池微生态系统在水质净化中的作用，特别是发现了滤池中存在Comammox Nitrospira主导氨氮的微生物氧化。进一步通过反应器模拟试验探讨了砂滤池对8中微量污染物的去除，结果发现阿替洛尔（去除率最高达到97.54±0.07%）和咖啡因（去除率最高达到92.49±1.13%）容易被砂滤池吸附和生物转化，其它6种微量污染物(阿特拉津、萘普生、卡马西平、甲氧苄氨嘧啶、磺胺甲恶唑和磺胺嘧啶)在空床接触时间较短时（≤3 h）去除率较低（0 ~ 28.35±1.58%），在空床接触时间延长至4 h时，去除率有较大的提高（22.10±11.05% ~ 60.41±7.45%）。通过宏基因组技术进一步探讨了微量污染物的微生物降解/转化机制，发现咖啡因的生物转化在空床接触时间2 h和4 h之间存在途径的转化，由氧化途径（EBCT=2 h，基于cdhA基因）转化为氧化和脱甲基(EBCT=4 h，基于ndmB基因)两条途径协同作用。阿特拉津的生物转化包括水解(基于atzA基因)和氧化(基于thcb基因)两条途径。除降解基因的参与外，微生物也能通过分泌酶来促进微量污染物的生物转化，例如阿替洛尔被酰胺水解酶水解，卡马西平被联苯双加氧酶氧化，磺胺甲恶唑、磺胺嘧啶和萘普生被单加氧酶氧化。基于上述认知，研究进一步提出了“通过强化砂滤池及人工湿地锰氧化物的作用进而强化出水水质”的水处理新方法。