英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
在后加高速率藻类塘处理污水的UASB反应器中，
病毒和细菌指标的减少与分配
摘要
人类肠道病原体是全球主要关注的问题，因为它们每年导致数千例可预防的死亡。 废水中的新病原体不断出现。 例如，最近已在生活污水和主要污泥中检测到SARS-CoV-2。 在新兴经济体和热带气候国家中，关于在废水处理中减少病毒以及如何在处理后的废水与污泥或生物固体之间进行分配的知识仍然非常匮乏。 上流厌氧污泥层反应器（UASB）反应器是拉丁美洲和加勒比区域处理污水的三大最常用技术之一，在许多其他中低收入国家中，它们的使用也越来越普遍。 高速率藻类池（HRAP）被视为UASB废水后处理的可持续技术。 这项研究评估了在由UASB反应器，后加HRAP处理实际废水组成的中试规模系统中，体细胞噬菌体、F特异性噬菌体和大肠杆菌的总体减少和液-固分配。UASB反应器中的体细胞和F特异性噬菌体的平均去除对数分别为0.40和0.56，而HRAP中的平均去除对数分别为1.15和1.70。 系统中两种噬菌体的总去除对数为2.06-log。 大肠杆菌的去除率始终较高。 在UASB固体和藻类生物质中离开系统的病毒数量少于在澄清的液体流出物中留下的病毒数量的10％。 在固体残留物中离开系统的大肠埃希氏菌数量估计比从液体流出物中离开系统的大肠杆菌数高出大约一个数量级。 这项研究的结果表明了UASB-HRAP系统适用于减少生活污水中的病毒和细菌指标，也表明了在将污泥用作生物固体之前充分处理污泥以减少病原体的重要性。
1.介绍
病毒和细菌水病原体是全球疾病的主要原因，引起多种疾病，包括肠胃炎、虫病、呼吸系统疾病、痢疾、肝炎、霍乱和伤寒。每年由于缺乏安全的饮用水和基本的卫生设施导致80万人死亡，由于卫生条件差引起的痢疾导致40万人死亡（世卫组织，2019年）。痢疾是5岁以下儿童的第二大死亡原因，因为它每年导致约525,000名儿童死亡（世卫组织，2017年）。污水是造成地表水污染的病原体的主要来源之一，因为污水中含有被感染者排泄的病原微生物。世界卫生组织（WHO，2018）在其《卫生与健康指南》中强调了16个不同细菌病原体组，9个病毒病原体组，4个原生动物组和11个特别重要的蠕虫组的不完整列表。 新的病原体不断产生或在污水中被发现，例如，最近在生活污水和初沉污泥中检测到了新型冠状病毒SARS-CoV-2。 在新兴经济体和热带气候国家中，关于废水处理厂中肠道病毒的存在和清除的知识仍然非常缺乏。粪便指示剂细菌，例如大肠菌群和大肠杆菌通常用作粪对地表水污染情况的指示剂，但它们不是污水，处理后的废水和污水污泥中存在病毒病原体的适当指示剂。大肠菌群对大多数处理过程的抵抗力均不如病毒，并且它们并不能充分的反应肠道病毒在污水处理系统中的减少情况。因为与肠道病毒相比，大肠杆菌噬菌体具有更加相似的结构和对水处理过程的持久性和抗性，大肠杆菌噬菌体被认为是更适合的污水生物质量指标。 大肠杆菌噬菌体是感染大肠菌的病毒。它们在肠道中被发现，并在人类和其他温血动物的粪便中排出。
在拉丁美洲和加勒比，有下水道的区域覆盖了65.5％的人口，但只有15％的废水得到了处理。在巴西，有52％的人口通过污水网络得到服务，而仅45％的污水得到了任何类型的处理。巴西以及世界其他许多地方的污水处理厂的主要设计目的是去除悬浮的固体和有机物，因此这些系统处理病菌的功能并不是很完善。厌氧生物反应器，例如上流厌氧污泥床（UASB）反应器，是拉丁美洲和加勒比海地区污水处理最常用的三大技术之一。 在包括印度和埃及在内的世界上许多其他人口众多的低收入和中等收入国家中已经变得越来越普遍。 与其他技术相比，UASB反应器的主要优势在于其较低的运行成本，较小的占地面积，以及从沼气中产生能量的能力，同时还可以去除悬浮的和溶解的有机物。但是UASB反应器的出水可能未达到某些排放或回用的法规标准，因此需要进行后处理以进一步减少有机物、营养物和病原体的浓度。UASB生活污水的后处理已被研究并证明了许多有效的技术，包括滴滤池，最终净化池和人工湿地。藻类废水处理技术（例如废物稳定化池塘和高效率藻类池塘）就设备数量而不是处理水量而言，是世界上最常用的处理技术之一。高速率藻池（HRAP）最近被认为是处理UASB反应器废水的有效选择，并且与常规池系统相比，它们具有多种优势，包括较低的建造和运营成本（与活性污泥系统相比）、电力需求低以及对营养物质的去除能力、去除微污染物和病原体的潜力。UASB反应器和HRAPs中的细菌去除过程已分别进行了研究，但是关于病毒的去除的了解很少。
在之前的大多数废水处理设施中病原体研究中，仅考虑液体部分（原始污水和处理后的废水）中的病原体或微生物指标，往往不重视（或者在最坏的情况下完全忽略）污泥，而污泥经常被病原体高度污染。 鉴于所有废水处理过程都会产生污泥，并且污泥通常在土地上使用或在农业中再利用，因此重要的是量化污水污泥中的病原体负荷，并了解它们对于不同类型的处理技术有何不同。，这将有助于更好地设计污泥处理和生物固体管理系统，从而可以有效减少与排放到环境中的病原体相关的风险。 此外，在中低收入国家，随着时间的流逝，废水处理系统经常会过载或出现故障。 据报道，延期的维护活动，特别是淤泥化处理，会影响废水处理系统（特别是藻类池塘）的水力学性能性能，并导致病原体去除效率降低。
这项研究评估了中试规模系统中病毒和细菌过程指标的减少情况，该系统由UASB反应器和HRAP组成，用于处理实际的生活废水。 此外，本研究评估了液体和固体（污泥）流出物之间病毒和细菌指标的分配。 理解病毒的分配情况具有重要意义，不仅对于理解处理技术的性能以及与废水设施中处理过的生物固体的再利用有关的风险有所帮助，而且对于废水流行病学也是如此。最近的一项研究报告表明，主要城市污水污泥中SARS-CoV-2 RNA的浓度是COVID-19爆发情况的良好指标，并且据推测，与非包膜病毒和微生物指标相比，某些包膜病毒可能具有对固体更高的亲和力。
2.材料与方法
2.1.实验建立与操作
Vassalle等人已经详细描述了中试规模的UASB-HRAP实验系统。简而言之，该系统位于巴西Belo Horizonte的卫生研究与培训中心（CePTS）。 它使用UASB反应器（343 L）处理来自Belo Horizonte市的每日1176 L的原污水，然后使用两个HRAP（并联运行）和一个沉淀室（30 L），该沉淀室将澄清的污水中的微藻生物质分离 。微藻生物质通过离心泵）被运送至UASB反应器，并与原污水共同消化。 UASB反应器的水力停留时间为7 h，平均固体停留时间为21.3天，有机负荷为0.71 g VS / L / day。 每个HRAP的工作体积为205 L，深度为0.30 m，表面积为0.41 m2。藻类池接收UASB反应器的出水，并且各自以25.5升/天的流量运行，平均理论水力停留时间为8天。UASB反应器每天产生的多余1129升废水被排放到单独的实验处理系统中，这不是本研究的一部分。 图1显示了该系统的示意图，为实现质量平衡，在UASB反应器、HRAP和整个系统周围绘制了边界。
2.2.样品收集与分析
在2019年6月至2020年2月之间对粪便指示细菌（E. coli）和病毒（体细胞和F特异性噬菌体）进行了采样和监测。原污水、UASB反应器的出水以及沉淀池的出水和生物质 每月采样一次。采样点已经在图一中展示。UASB反应器中的污泥样品仅分析了在2019年7月和2019年8月收集的样品中的大肠杆菌和大肠杆菌噬菌体。所有样品均保存在4°C并送至UFMG（巴西贝洛哈里桑塔米纳斯吉拉斯州联邦大学，卫生和环境工程系）的微生物实验室，在样品采集后24小时内进行分析。 为了分析系统中UASB污泥和微藻生物质的生物负载，对总悬浮物质和挥发性悬浮物质执行了水和废水检查标准方法2540- G (APHA-AWWA-WEF, 2017)。为了分析各个单元和整体系统性能，水质参数，如pH、温度、溶解氧（DO）、总悬浮固体（TSS）、挥发性悬浮固体（VSS）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）和化学需氧量（COD），在同一日期进行了评估。 使用哈希（Hach）试剂盒（高量程）分析化学需氧量，使用哈希（HQ30D）探针分析溶解氧，根据水和废水检查标准方法2540- G，2540-D和2450-E（APHA-AWWA-WEF，2017）分析固体。UASB反应器和HRAP的COD负荷用于计算系统中固体的产生比例。 通过将进水COD负荷或去除的COD量除以从UASB反应器中排出的污泥固体负荷或从HRAP澄清池中去除的微藻类生物质来进行计算。 将最终比率计算为发现的平均值的比率（而不是比率的平均值）。
使用Colilert和Quanti-Tray 2000最可能数（MPN）方法对大肠杆菌进行定量，结果以每100 mL MPN的形式给出。 根据标准方法的9224B和9224C中所述的方案，使用双琼脂噬斑测定法对噬菌体进行定量。即，将含有50mu;L抗生素的熔融琼脂（5 mL）与500mu;L0.22mu;m过滤样品或稀释样品（过滤样品以除去悬浮的固体和不需要的细菌）和100mu;L宿主细菌的抗生素抗性菌株混合。 F特异噬菌体为E. coli Famp（ATCC＃700891），体细胞噬菌体为CN13（ATCC＃700609）。然后将该混合物倒入培养皿中的硬化的底部琼脂层（15mL）上。 在顶部琼脂层变硬之后，将板在37℃下孵育过夜。 校正稀释度后，将细菌细胞裂解形成的环形区域计为噬菌斑，并计算大肠杆菌噬菌体的浓度为每单位体积样品中的噬菌斑形成单位（PFU）。大肠杆菌噬菌体的结果以每100 mL PFU的形式给出。 按照Guzmaacute;n等描述的方法从污泥样品中提取病毒。将25 mL污泥样品以1:10的比例（v / v）添加到10％的牛肉提取液中。 为了制备10％的牛肉提取液，将225 mL蒸馏水与22.5 g牛肉提取液混合，将pH值调节至7.2，并对溶液进行灭菌，然后再与样品混合。 在室温（500–900 rpm）下通过磁力搅拌均化20分钟后，将样品以4000times;g离心30分钟，并通过结合低蛋白的0.22mu;m孔径膜过滤上清液。 然后如前所述，使用双琼脂层法分析该滤液。污泥样品中的噬菌体结果以PFU / mL计算，然后进行调整并以PFU / g干物质报告。
2.3去除和减少微生物指标
在废水处理系统中，通常基于在废水进水和液体废水中检测到的浓度之间的对数差异来报告病原体或微生物指标的去除。 但是，当有多个日期的浓度数据可用时，对数差异的集中趋势既可以计算为每个成对浓度的对数差的算术平均值，也可以计算为对数几何平均值的对数差和所有进水浓度的几何平均值，如方程式1、2所示。仅当进水和出水样品的浓度数据集不同时，这两种方法才会产生不同的结果。 对于保留时间短，进水量变化较大的过程（1）是首选。对于保留时间更长的过程（进水无法与流出样品匹配）（2）通常是首选。对于本研究，仅（2）被使用。
其中，Co，liq是进水中的微生物浓度，Ce，liq是进水中的微生物浓度。No,liq是进水点（液体基质）的样品数，Ne，liq是出水点样品数。，Nliq等于No，liq和Ne，liq（仅当No，liq = Ne，liq时）。
等式（1）和（2）是文献中最常用的公式，但是这些方程式都无法解释污泥中排放的病原体或回收污泥，粪便污泥和其他生物质混合后进入系统的病原体数目。从系统的角度来看，报告病原体减少时应同时考虑液体和固体基质。 区分病原体去除（等式（1）和（2））与病原体减少（等式（3）和（4））很重要，因为前者仅表示从液体部分去除，而后者表示处理系统中（包括固体和液体部分）整体减少。以质量平衡的概念，噬菌体和大肠杆菌的对数减少是根据它们的负荷计算的。 对于本研究，等式（4）被用来代替等式（3）（出于同样的原因，选择了等式（2）而不是等式（1））。
其中Lo，liq是流质中液体在系统中的每日微生物负载量。Lo，sol是从添加到流质中的固体到系统中每日微生物的负载量。Le，liq是微生物量的系统负载量 Le，sol是污泥或生物固体中的微生物从系统中的每日负载。No，liq是液体进水点处的样品数量。Ne，liq是液体流出点的样本数。No，sol是流入点（固体基质）的样本数。Ne，sol是流出点（固体基质）的样本数。 N等价于No，liq，Ne，liq，No，sol和Ne，sol（当No，liq = Ne，liq = No，sol = Ne，sol时）。
为了在建模框架中使用这些方程，有必要预测污泥中每天离开系统的病原体相对于液体流出物的比例（即，污泥或生物固体中排放的比例）。因此，我们提出了一个模型，用于估计最终来自废水处理过程的废水中固体成分的病原体的比例，如方程式（5）和（6）所示。可以直接使用载荷计算该分数。在这种情况下，即使数据集完整，(5)（固体中的平均负荷分数）和（6）（固体中的几何平均负荷分数）显示出不同的结果，，因此建议同时使用和报告这两种计算。我们这里只报告等式（6）的结果，来自等式（5）的结果可以在补充材料中找到（表S4）。
或者，可以使用出水（Ce，liq）和污泥（Ce，sol<!-- 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[263350]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
