微生物是表徵飲用水安全性的重要指標，飲用水中最常見、最普遍的風險來自由致病性細菌、病毒和寄生蟲引起的傳染病。由於目前我國水源汙染的普遍性和嚴重性，生物活性炭工藝在水廠的應用日益廣泛。研究表明，活性炭層中積累了大量附著微生物的生物顆粒，這些顆粒部分會隨著水流進入出水，
附著在活性炭顆粒上的細菌是水廠出水中微生物的重要來源，由於原水易受市政生活汙水汙染，普遍存在大腸桿菌等病原微生物，對於病原微生物進入活性炭濾池後，是否會穿透和繁殖，及是否會引起飲用水的安全風險，目前研究甚少。
本文選擇了供水系統中常見的3種代表性病原菌，採用配水投加的方法，在中試裝置上模擬研究受汙染水衝擊式地進入生物活性炭濾池後，病原菌在生物活性炭上的截流、釋放及遷移特點，旨在分析生物活性炭對水質微生物風險的影響，為水廠遇到類似突發事件提供處理處置的科學依據。
1、活性炭對病原菌的截流和去除作用
通過進水儲罐投加到活性炭柱上的病原菌，一部分被活性炭吸附和截留，另一部分則穿透活性炭隨出水流出。
圖1 投加期間活性炭對3種不同病原菌的去除效果
2、炭層上截留病原菌向水中的釋放和遷移
圖2 穿透活性炭柱的病原菌的含量變化趨勢
活性炭柱出水中3種病原菌濃度的變化趨勢基本一致，呈對數規律迅速下降。當水廠活性炭池進水受某些病原菌衝擊性汙染時，即使汙染源被切斷，在近半個月後，炭池出水仍然存在病原微生物暴露風險，需要特別加以關注。
根據活性炭出水中病原菌的濃度水平，可以將病原菌由活性炭向水體的遷移分為3個不同階段，分別為初期、中期和末期。初期為衝擊式汙染後的12 h以內，水質安全風險極大；洩露中期為12～120 h；洩露末期為120～360 h。
3、病原菌在炭層中的分佈和遷移
圖3 投加2 h時活性炭層上的病原菌含量分佈
炭層上病原菌的遷移和繁殖情況與炭柱出水中病原菌含量的變化趨勢相似，3種病原菌在各炭層上的含量隨活性炭柱運行時間的增加而急劇降低。說明，外加病原菌在貧營養的生物活性炭中無法生長繁殖，但是，銅綠假單胞菌的變化趨勢與另外兩種病原菌的變化趨勢明顯不同，其上、中、下層的峰值變化，呈現出明顯的從上向下的遷移特徵，而另外兩種病原菌的含量呈現單向下降，沒有出現峰值。
4、病原菌洩露風險控制
如前所述，病原菌進入到活性炭柱，0.4 h後即在出水中檢測出穿透。在沒有反衝洗的情況下，活性炭柱出水中持續15 d檢測出病原菌，說明存在比較大的水質微生物安全風險。事實上，水廠活性炭池都會定期進行反衝系，反衝洗週期為3～7 d，夏天反衝洗週期較短，冬季較長。但是，研究表明，反衝洗對活性炭上附著的微生物作用有限，一般在10%～20%，且被沖洗出去的主要是懸浮狀態的微生物。因此，
炭池反衝洗不能有效控制活性炭池出水的微生物風險。由於水廠炭池出水後均有消毒工藝，採用水廠常用的消毒劑氯氣對3種病原菌進行滅活試驗，加氯量為0.5 mg/L。試驗結果表明，投加0.5 mg/L 的氯氣，接觸時間6 min以上，對試驗的3種病原菌的滅活效果都在3 log以上，即達到99.9%以上。因此，及時發現風險，在後續工藝中強化消毒措施，完全能夠有效控制因病原菌穿透活性炭池而發生的微生物風險。
5、討論
生物活性炭作為病原菌去除屏障的可行性
目前，國內大部分採用活性炭處理工藝的水廠將活性炭池置於砂濾池之後，且有些炭池前的臭氧工藝未正常使用或無臭氧工藝。研究結果表明，活性炭池對病原菌有一定的去除作用，但去除作用有限。對腸出血大腸菌去除效果最好, 去除率為0.73～1.07 log，平均值為0.83 log；銅綠假單胞菌的去除率為0.31～2.52 log，平均值為0.62 log；傷寒沙門氏菌去除率為0.41～0.81 log，平均值為0.56 log，後兩種腸道桿菌的試驗結果與Hijnen等對E. Coli的試驗結果(去除率為0.1～1.1 log)基本一致。因此，當活性炭池進水受到病原菌的衝擊式汙染時，存在極大的穿透和暴露風險，且持續時間長，必須強化後續的消毒措施。
病原菌在活性炭中的生長和繁殖
Camper等的研究表明，活性炭表面所附著細菌群落的土著菌種對其他外來菌種存在抑制作用，使其在活性炭顆粒上的生長繁殖受到抑制，其對抗機制可能包括營養競爭、損傷以及產生化學物質抗菌。本研究中，病原菌投加前活性炭上生物量達到了108 CFU/(g活性炭)水平，以變形菌為優勢菌群，導致營寄生、對營養要求高的腸道致病菌在貧營養的生物活性炭上不易存活和生長，因此，活性炭上截留的腸出血大腸菌和傷寒沙門氏菌量迅速衰減；銅綠假單胞菌為專性需氧的條件致病菌菌，對營養要求不高，適應能力較腸道菌強，因此，炭層上截留的細菌量下降較為緩慢，且出現了峰值遷移現象，但Yvonne等的研究認為，銅綠假單胞菌等病原菌在與生物活性炭炭層土著菌的營養競爭中仍處於劣勢，不能存活而被淘汰，與本文的研究結果一致。因此，研究的3種病原菌在生物活性炭上都沒有出現生長和繁殖的現象。
結論
(1)生物活性炭對水中銅綠假單胞桿菌(Pseudomonasaeruginosa)、傷寒沙門氏菌(Salmonella typhoid)和腸出血性大腸桿菌O157∶H7 (Enterohemorrhage E. Coli) 等3種病原菌都有一定的截留和去除作用，但去除作用很有限，平均去除率均不到1 log。
(2)被活性炭截留的病原菌主要分佈在活性炭床的上層，中層和下層較少，且沒有明顯的密度差異。被截留的病原菌大部分在水流沖刷過程中逐步釋放到水中，最終遷移到水相中的銅綠假單胞菌、傷寒沙門氏菌、腸出血大腸桿菌分別佔各自投加總量的81.7%、55.1%與82.9%，其餘部分在炭柱運行過程中自然衰亡。
(3)3種病原菌衝擊性進入活性炭後，受土著微生物的競爭限制，都沒有發生明顯的生長和繁殖。
(4)活性炭池出現文中3種病原菌洩露問題時，強化炭池後出水的消毒工藝，能夠有效控制水質微生物風險。
劉麗君，李 拓，張金松
(1.深圳市水務有限公司，廣東深圳 518031；2.廣州市市政工程設計研究總院，廣東廣州 510600)
注：本文發表在《淨水技術》2020年第2期“淨水技術前沿與研究綜述”專欄，有刪減，長按下列二維碼可閱讀文章原文。
排版：西貝
校對：黎翔
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