在Ravda污水处理厂中，冷等离子体作为一种创新的废水预处理和后处理工具：通过微生物代谢潜力进行生物指示

《Environments》：Cold Plasma as an Innovative Tool for Wastewater Pre-Treatment and Post-Treatment at Ravda WWTP: Bioindication by Means of Microbial Metabolic Potential

冷大气等离子体（CAP）预处理可提升旅游区废水生物降解效率，3分钟CAP后处理可有效去除残留病原体和有毒微污染物，满足欧盟新规要求。通过荧光标记（CTC/DAPI）和微生物培养结合分析，发现1分钟预处理显著提高活性微生物比例，3分钟后处理降低肠杆菌科数量达3倍。研究为旅游密集区污水处理提供创新技术路径。

　　
本研究聚焦于冷大气等离子体（CAP）技术在旅游密集型黑海海岸地区污水处理中的应用潜力。通过为期三个月的实验，研究者以保加利亚拉夫达污水处理厂（Ravda WWTP）为对象，系统评估了CAP作为预处理和后处理模块对水质及微生物群落的影响，为解决旅游区季节性污染问题提供了创新思路。

### 研究背景与意义
黑海沿岸旅游区面临显著的季节性污染挑战。夏季游客激增导致污水处理厂负荷骤增，传统生物处理难以有效去除抗生素、微塑料等有毒污染物，且UV消毒易受成本限制。欧盟2024年新修订的《城市污水管理指令》首次提出micropollutants强制去除标准，要求大型污水处理厂（处理能力≥15万PE）实施四段式处理，这对旅游区老旧设施构成技术升级压力。CAP技术因其非热解特性、广谱杀菌能力和污染降解潜力，成为兼顾经济性与环保性的解决方案。

### 技术路线与实验设计
研究采用"预处理+后处理"双路径验证模式：
1. **预处理模块**：在进水端应用CAP（功率20W，氩气流量5L/min）处理1/3/5分钟，通过CTC/DAPI荧光染色评估微生物代谢活性（MPN/MPF），结合Endo琼脂培养法检测肠杆菌科数量。
2. **后处理模块**：对出水进行相同参数的CAP处理，重点监测肠杆菌科灭活率及残留毒性指标。

实验选取2024年4月（平季）、8月（旺季）、11月（恢复期）三个典型时段，覆盖旅游淡旺季的波动特征。通过荧光显微分析（100×放大）结合化学指标（COD/BOD5/TSS/氮磷浓度），建立微生物活性与污染物去除的关联模型。

### 关键发现与机制解析
#### 一、预处理阶段效果
1. **代谢激活效应**：1分钟CAP处理显著提升MPN（活性微生物数量）达80-117%，尤其在8月高峰期效果最突出。微观分析显示，短时CAP处理促使生物膜解体，释放更多可降解有机物，激活好氧菌群代谢（TCA循环增强）。
2. **毒性降解机制**：通过CTC/DAPI双标记法发现，1分钟处理使MPF（荧光强度）提升3-13%，表明活性氧物种（ROS）与活性氮物种（RNS）的协同作用有效分解了表面活性剂、抗生素等毒性物质。值得注意的是，5分钟处理导致MPN下降15-20%，表明过度氧化抑制微生物活性，这可能与自由基寿命（如·OH半衰期约1秒）与生物膜响应阈值相关。

#### 二、后处理阶段突破
1. **病原体灭活**：3分钟CAP处理使肠杆菌科数量降低3倍（P<0.05），达到欧盟指令要求的E. coli <1000 CFU/mL标准。该效果源于：
- 长寿命等离子体活性物质（NO3?/NO2?）持续氧化作用
- 细胞膜通透性改变（膜电位下降达40%）
- 菌体DNA损伤（通过g band染色检测）
2. **micropollutants去除**：结合COD/BOD5比值（K值）变化，发现3分钟处理使K值下降0.15-0.2，表明PAW（等离子体活化水）中的·OH和H2O2成功降解了耐药基因（ARG）和抗生素残留。特别在8月样本中，H2O2浓度峰值达5.8 mM，显著高于其他月份（p<0.01）。

#### 三、季节性响应差异
1. **有机负荷调控**：8月 influent COD达920 mg/L（超许可值125%），CAP处理使BOD5/COD比值从0.42提升至0.48，显示可生物降解有机物比例增加。这可能与CAP诱生的ROS促进大分子分解有关。
2. **微生物群落重构**：荧光成像显示，1分钟处理使微生物结构从团簇状（平均3.2μm2）分散为单个细胞（1.8μm2），有利于后续生物膜形成。3分钟处理则导致生物膜解体（分散度提升27%），释放休眠菌体。

### 技术经济性分析
研究提出"双时程"应用策略：
- **预处理优化方案**：1分钟CAP处理使处理厂能耗降低8%（通过调节后续曝气量），且维持MLSS稳定（波动±2%）
- **后处理经济指标**：3分钟处理使消毒成本降低至0.12元/m3（传统UV消毒的35%），同时满足TN≤10 mg/L、TP≤1 mg/L排放标准

### 工程应用建议
1. **模块化集成**：推荐在现有SBR反应器前增设CAP预处理单元（处理时间1分钟），与后端UV消毒形成互补。实验证明该组合可使出水肠杆菌科降低4个数量级。
2. **智能调控系统**：根据实时监测数据（如K值、MPF波动），自动调节CAP处理时长：
- 平季（4月/11月）：1分钟预处理（MPN提升80%）+常规处理
- 旺季（8月）：3分钟预处理（COD降解率42%）+2分钟后处理（灭活率99%）
3. **材料适应性**：建议采用亲水性纳米气泡发生器（直径50-100nm）处理高浊度样本（TSS>300mg/L时需预处理絮凝）。

### 环境效益评估
模拟计算显示，CAP预处理模块可使：
- 每年减少有毒物质排放量（按COD计算）达1.2万吨
- 节约污泥处置费用$860,000/年
- 降低太湖蓝藻爆发概率（模型预测值从12%降至3%）

### 研究局限与展望
当前研究存在三大局限：
1. 实验均为离线操作，未考虑污水管道压力波动对CAP效果的影响
2. 未建立不同污染物（如PFAS、抗生素）的剂量-响应关系模型
3. 微生物群落功能多样性分析不足

未来研究应着重：
- 开发耐压型毛细管放电装置（耐压≥8bar）
- 建立micropollutants-ROS剂量效应数据库
- 结合宏基因组测序分析群落结构变化

本成果已通过保加利亚环境署技术验证，证实可满足《黑海环境保护公约》最新修订版（2024/07）的要求。其实践价值体现在：通过1分钟预处理模块可降低运营成本18%，同时使出水达到WHO饮用水标准（2021版）。该技术体系为《欧盟循环经济行动计划》提供了可操作的实施路径，特别适用于人口流动大、基础设施老旧的滨海旅游城市。