再生水地下储存过程中隐孢子虫迁移机制与控制方法

The biological risk of aquifer storage and recovery with reclaimed waterhas become the key to restrict its storage and utilization water quality security. As a typical pathogenic microorganism, the research on Cryptosporidium about the transport mechanism and control methods in aquifer storage and recovery system is still insufficient. This subject is based on previous works conducted by project team, to analysis the distribution of Cryptosporidium in aquifer storage and recovery with reclaimed water, to study the effects of different Physical-Chemical-Biological factors on transfer behavior. The biological mechanism of surface response of Cryptosporidium oocysts to environmental factors and the effects on its self-aggregation or adhesion of soil-water interface are mostly analyzed. The behavior of convection dispersion, adsorption and desorption, and deposition inactivation of Cryptosporidium under different conditions of aquifer storage and recovery system are described by simulated experiment and numerical calculation. The Interfacial behavior and generation mechanism of Cryptosporidium under dynamic percolation condition are revealed from pore scale, interface scale and molecular scale. Based on the biochemical resistance mechanism of Cryptosporidium, a control method using trypsin-disinfectants are proposed and analysis the control mechanism to form a disinfection coupling process. The results of this project will elucidate a theoretical on the distribution, transport and control mechanisms of Cryptosporidium in aquifer storage and recovery with reclaimed water. And also could provide technical support and theoretical guidance for the biological security of reclaimed water.

再生水地下储存过程的生物风险已成为制约其储-用水质安全保障的关键。作为典型的病原微生物，隐孢子虫在地下储存过程中的迁移机制和控制方法研究不足。本项目在申请人团队前期基础上，进一步分析实际再生水地下储存系统中隐孢子虫的分布规律，研究不同物理-化学-生物因素对其迁移行为的影响，重点解析环境因素作用下隐孢子虫卵囊表面性质响应的生物学机制及其对自聚集和水土界面粘附的影响。通过地下储存多相体系的模拟实验和数值计算，探明不同条件下隐孢子虫的对流弥散、吸附解吸、沉积失活等行为，从孔隙尺度、界面尺度及分子尺度揭示动态渗流条件下隐孢子虫的界面行为与产生机制。基于药物抗虫的作用机制，提出一种利用胰酶作为消化剂与常规消毒剂联合应用的控制方法，分析该方法的作用效果与机制，并改进形成协同消毒的耦合工艺。项目成果将阐明隐孢子虫在再生水地下储存中的分布、迁移以及控制机理，为再生水地下安全储存提供科学依据和技术支撑。

再生水地下储存过程的生物风险已成为制约其储-用水质安全保障的关键。其中，典型病原微生物隐孢子虫在地下储存过程中的迁移机制和控制方法研究不足。本项目从隐孢子虫赋存分布特征、随流迁移扩散机制、高效灭活方法等方面开展针对性研究，主要成果包括：.（1）探明了隐孢子虫在污水厂二级出水及其典型再生水处理单元的赋存/分布特征。对长春地区四个污水厂为期两年的持续监测表明：出水中隐孢子虫检出率超过90%，平均浓度达到4.15oocysts/L，浓度远超风险阈值标准；污水厂水样中共鉴定出10个虫种，包括 2个C. parvum阳性样品，存在一定的人感染风险；进出水隐孢子虫总去除率均超过84%，其中前置混凝的二沉池去除率达到62%；进水中隐孢子虫脱囊率（感染性）约65%，其下降主要发生在消毒段、消毒后降至52%，且低温季节卵囊感染性更强。.（2）阐明了再生水地下储存过程中隐孢子虫随流迁移特征与机制。通过模拟渗流柱实验和数值建模相结合，解析了不同温度、离子强度下隐孢子虫在多孔介质中的迁移规律。结果表明：相同条件下，随着离子强度的增加，隐孢子虫表面电负性降低，水动力学直径增大，碰撞效率增加，双电层压缩明显、静电斥力减小，卵囊更易沉积到介质颗粒表面，截留量增加；随着温度升高，胞外聚合物含量、表面电负性、疏水性均呈现降低趋势，隐孢子虫截留量增加，随流入渗过程中呈现明显的低温易化迁移效应。同时，与大肠杆菌相比，其具有更高的移动能力，其扩散风险较高。.（3）提出并优化了胰酶协同紫外灭活隐孢子的方法，阐释了其灭活效能、影响因素及机理。结果表明：利用UV-LED消毒模拟装置，确定最佳灭活条件为：用0.25%胰酶消化30 min，随即紫外照20 mJ•cm-2时，灭活率达到99.9%。通过电镜、基因组DNA等分析显示，胰酶预处理使得卵囊表面蛋白降解，卵囊壁变薄，降低卵囊的保护作用，紫外辐射产生的自由基直接作用子孢子，造成内部核酸物质受损，卵囊被灭活。.项目成果为阐明隐孢子虫在再生水地下储存中的分布、迁移以及控制提供了科学依据和技术支撑。