《Journal of Water Process Engineering》：Impact of extreme rainstorm on the stability of biological activated carbon in drinking water treatment: Differential microbial responses in new versus aged filters
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暴雨对臭氧-生物活性炭工艺微生物群落及水质稳定性的影响分析，研究发现在极端降雨后滤器微生物群落存在显著年龄差异效应，新滤器保持稳定而老化滤器出现致病菌优势，同时水文冲击导致短期细菌丰度下降但21天恢复，处理水质仍达标。
Jia Niu|Haibing Wang|Yue Wang|Tian Lin|Rongxing Lan|Lihong Chen|Xianhua Liu|Kaiqin Xu|Xiaochen Chen|Xiaoyun Wang
福建工程学院水污染控制与系统智能技术研究中心，生态环境与城市建设学院，福建工业大学，福州，福建，350118，中国
摘要
极端气候事件，如暴雨，对生物活性炭（BAC）在饮用水处理中的稳定性构成了挑战。然而，在这种条件下臭氧-BAC（O3-BAC）过程的韧性仍缺乏研究。本研究考察了中国南部一个全规模饮用水处理厂在极端暴雨后的BAC过滤器性能和微生物群落动态。在暴雨发生后的第3天、第10天和第21天采集样本，以评估BAC上的微生物变化以及处理后水的稳定性。结果表明，尽管原始水质因暴雨而恶化，但处理后的水质仍符合国家标准。根据使用时间和物理特性，BAC过滤器被分为“新”和“旧”两类。两种类型的过滤器上的细菌数量均显著减少，但在最初的3天内，出水中的细菌数量有所增加。新BAC过滤器保持了稳定的微生物群落，而旧BAC过滤器则出现了明显的变化，其中机会性病原体（Ralstonia、Acinetobacter、Providencia、Enterobacter）在暴雨后成为优势菌种。极端暴雨带来的水力冲击最初减少了细菌数量，但在第21天时恢复。群落分析显示，新BAC过滤器保持了稳定，而旧BAC过滤器则发生了显著变化。这些发现强调了BAC过滤器的物理化学性质和使用时间在极端气候事件中对细菌定殖和稳定性的关键作用。
引言
近年来，包括温度波动、强降雨和干旱在内的极端气候事件在全球范围内越来越频繁[1]、[2]。其中，暴雨尤为普遍，常常导致城市内涝，给市政基础设施带来巨大压力。一个显著的例子是2021年7月袭击中国河南省郑州市的毁灭性暴雨。该事件不仅使城市的排水和地铁系统不堪重负，还造成了大量人员伤亡和财产损失[3]。对于市政供水系统而言，这类极端事件带来了挑战，包括水质恶化[4]以及暴雨期间对水处理能力的需求增加。
臭氧-生物活性炭（O3-BAC）高级处理工艺已成为饮用水处理厂（DWTP）中广泛采用且至关重要的技术，显著提高了出水质量[5]。该工艺首先使用臭氧处理水以氧化污染物，然后通过生物活性炭单元进行过滤，通过物理吸附和生物降解去除污染物[6]。许多研究探讨了BAC在常规处理环境中的运行情况，包括其在去除可同化有机碳（AOC）、溶解有机碳（DOC）和其他有机污染物方面的效率[7]、[8]、[9]、[10]。此外，还有研究探讨了在不同条件下BAC上的微生物生物量和群落结构的变化[8]、[10]。影响BAC性能的因素也已有充分记录。例如，Terry等人[11]表明，空床接触时间（EBCT）的长度会显著影响有机物的去除效率。Bai等人[12]和Ma等人[13]指出，进水中的营养物质浓度（包括磷、氨氮和DOC）会改变BAC上的细菌群落结构。温度是另一个关键因素，低温会抑制微生物活性并降低有机物去除效率，而适中温度则能提高其效率[11]、[14]。
尽管许多研究探讨了生物活性炭（BAC）在常规运行条件下的性能和微生物特性，但很少有研究关注极端暴雨事件对BAC稳定性和其微生物群落结构的影响。随着气候变化导致极端天气事件频率的增加，雨水径流已成为饮用水处理厂面临的重要外部压力源。暴雨径流将污染物带入水源，导致浊度、总有机碳和总氮含量显著增加[15]。它还会增加原始水中的机会性病原体数量[16]，进一步挑战饮用水净化过程，可能导致微生物泄漏、生物稳定性下降或处理后水质恶化。此外，暴雨还会导致进入处理系统的水流速度和水量突然波动。这种水力波动与增加的污染物负荷相结合，可能共同干扰BAC过滤层，从而影响污染物去除效率和附着在BAC上的微生物群落[17]，最终影响系统的整体稳定性。因此，研究极端暴雨对O3-BAC系统的影响对于优化其运行和确保其在极端天气事件中的韧性至关重要。
本研究在福建省省会福州的一个全规模饮用水处理厂进行，该城市是重要的沿海城市。研究考察了极端暴雨（24小时降雨量362.21毫米）对不同使用年限和性能特征的BAC过滤器微生物群落以及处理后水的生物稳定性的影响。此外，我们还探讨了极端暴雨事件期间影响BAC性能的关键因素。本研究的结果为评估BAC处理过程的韧性提供了宝贵的数据和支持，也为根据极端天气条件优化BAC系统的运行提供了科学依据。更重要的是，对不同使用年限的BAC过滤器在真实全规模条件下的比较研究为工程决策提供了实际见解，帮助水务部门制定有针对性的应急措施，提高系统鲁棒性，并确保在日益频繁的极端水文事件下稳定供应安全饮用水。
部分摘要
关于暴雨和饮用水处理厂的信息
2023年9月5日，中国福建省省会福州遭受了台风海葵引发的极端暴雨，24小时降雨量达到了历史最高记录的362.21毫米。
所研究的饮用水处理厂（DWTP）位于水库下游，以水库水为水源。其设计处理能力为150,000立方米/天。在强降雨期间，该厂暂时提高了处理能力
不同采样点中水质变化
从净化过程中的各个出水点采集水样，以评估暴雨对DWTP处理性能的影响。如表2所示，暴雨后的9月8日，原始水中的浊度、氨氮和溶解有机碳（DOC）水平显著增加。这些数值明显高于3月和其他常规监测月份记录的值（P < 0.01；表S1）。这一发现是一致的
结论
(1) 极端暴雨对水质的影响：尽管由于极端暴雨导致原始水质下降，但经过高级处理过程处理后的水仍符合国家饮用水标准，包括生物稳定性标准。
(2) 原始水中细菌群落的变化：暴雨径流导致原始水中细菌的数量和多样性增加。此外，某些细菌的相对丰度也有所变化
CRediT作者贡献声明
Jia Niu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资金获取，概念构思。Haibing Wang：撰写 – 初稿，调查，正式分析。Yue Wang：调查，数据管理。Tian Lin：方法学，正式分析。Rongxing Lan：撰写 – 审稿与编辑，调查。Lihong Chen：调查。Xianhua Liu：资金获取，概念构思。Kaiqin Xu：撰写 – 审稿与编辑。Xiaochen Chen：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
所有作者均声明没有财务或非财务利益冲突。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 52000032; 42377380; 42577440]；福建省自然科学基金 [资助编号 2023J01933; 2024J01150]；福建省社会科学基金（FJ2025MGCA003）的支持。
