、PVC-U雙層軸向中空壁管、PVC-U中空管
城市排水系統(tǒng)由化糞池
污水在城市排水管道中的長(zhǎng)時(shí)間輸送以及管道中相對(duì)封閉的狀態(tài)
,造成了管道中廢氣的積累本研究概述了排水管道中生物膜的菌群結(jié)構(gòu)和分布特征
1 排水管道中生物膜的菌群分布特征
城市排水管道中的污水以生活污水為主
,含有豐富的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且管道內(nèi)部為密閉空間,為厭氧菌的生長(zhǎng)提供了有利條件。實(shí)際管道生物膜中的細(xì)菌以擬桿菌綱、β-變形菌綱、δ-變形菌綱為主,古菌則以甲烷鬃毛狀菌科、甲烷球菌科為主。SRB還原硫酸鹽所產(chǎn)生的H2S是管道腐蝕的主要原因,同時(shí),研究表明,污水在管道輸送途中削減了大量sCOD,其中72%的削減量來(lái)自于產(chǎn)甲烷過(guò)程。因此,SRB和MA是管道中的2種關(guān)鍵菌群,實(shí)際管道中液相CH4、H2S濃度可達(dá)30 mg˙L?1、12 mg˙L?1?。目前,國(guó)內(nèi)排水管道的材質(zhì)多為混凝土,管道內(nèi)壁粗糙不平、比表面積較大,雖然水泥的水化過(guò)程產(chǎn)生了較高的堿度,但H2S的積累逐漸降低了液相pH,同時(shí)腐蝕管道表面圖1 管道內(nèi)部橫截面
排水管道中生物膜的菌群分布與污水處理中顆粒污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)相似,SRB
、MA存在分層分布的現(xiàn)象。由于MA的附著性較高、對(duì)厭氧環(huán)境要求更嚴(yán)格,MA主要分布在生物膜內(nèi)部,SRB則通常生長(zhǎng)在表面。污水中的硫酸鹽進(jìn)入生物膜后迅速被SRB還原利用,研究表明,管道底泥表面的硫酸鹽濃度約為45 mg˙L?1,而在1 cm處僅為3 mg˙L?1,限制了SRB向內(nèi)部增殖。而sCOD難以被完全消耗、能夠向深層繼續(xù)滲透,因此MA在內(nèi)層占據(jù)優(yōu)勢(shì)。管道生物膜的厚度約為700 μm
,SRB主要分布在0~300 μm的外層,MA則主要分布在250 μm以下的內(nèi)層。從豐度來(lái)看,SRB在總微生物中所占比例從生物膜表面的20%逐漸下降到400 μm處的3%,MA占比則從生物膜表面的3%增加到700 μm處的75%。管道底泥一般厚度達(dá)數(shù)厘米,底泥的最上層(0~2 cm)是硫化物還原的主要場(chǎng)所,產(chǎn)甲烷的主要場(chǎng)所更深,范圍約占2.5~3.5 cm。SRB與MA兩者的相對(duì)豐度也隨深度而變化,SRB的相對(duì)比例從底泥表面的35%逐漸降至1 cm處的4%,2 cm以下SRB的存在可忽略不計(jì)2 排水管道中生物膜主要菌群的代謝機(jī)理
控制管道中H2S、CH4的根本途徑是深入了解SRB
2.1 SRB分類及代謝機(jī)理
SRB能夠利用氫
硫酸鹽的還原途徑如圖2所示
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),已知的SRB共有40個(gè)屬137個(gè)種
,分屬細(xì)菌界和古菌界(見(jiàn)表1),其中大多數(shù)屬于δ-變形菌綱表1 SRB菌群分類
2.2 MA分類及代謝機(jī)理
MA是專性厭氧古菌,能夠以乙酸
表2 MA菌群分類
自然界中甲烷產(chǎn)生量的67%來(lái)自于乙酸途徑
圖3 乙酸營(yíng)養(yǎng)型MA(Methanosarcina和Methanosaeta)代謝途徑
3 SRB和MA的底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系
SRB和MA是參與管道內(nèi)生化反應(yīng)過(guò)程的重要菌群
由于SRB和MA均可以利用乙酸
圖4 SRB與MA的底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系
從熱力學(xué)角度看,硫酸鹽還原反應(yīng)自由能的絕對(duì)值更大
表3 硫酸鹽還原與產(chǎn)甲烷反應(yīng)過(guò)程
從可利用的基質(zhì)范圍來(lái)看
總體上
,排水管道生物膜中SRB競(jìng)爭(zhēng)底物的能力強(qiáng)于MA、更易于繁殖4 SRB和MA的調(diào)控因素及方法
影響SRB和MA代謝活性和底物競(jìng)爭(zhēng)能力的主要環(huán)境因素包括pH、溶解氧
表5 管道H2S 和 CH4常用控制技術(shù)
然而
4.1 pH
管道中生活污水的pH在7.2~8.5之間,與SRB
投加堿度是控制管道H2S的常用方法
,其原理是促進(jìn)H2S的電離平衡向右移動(dòng),同時(shí)抑制SRB菌體本身的活性。高pH對(duì)MA抑制效果較強(qiáng),抑制時(shí)間更長(zhǎng),研究表明,持續(xù)2 h保持管道生物膜的pH為9.0,即可連續(xù)數(shù)周控制甲烷的產(chǎn)生在25%以下;而只有將pH提高至10.5時(shí)才能抑制SRB的生長(zhǎng),且1周后SRB的活性即得到恢復(fù)。4.2 碳硫比
MCCARTNEY等提出碳硫比(COD/SO42?)是決定SRB和MA競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果的重要因素
。CHOI等認(rèn)為COD/ SO42?在1.7~ 2.7時(shí),兩者存在強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng);在此范圍以下,SRB占優(yōu)勢(shì);此范圍之上,MA為主導(dǎo)。SUN等的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)硫酸鹽濃度在5~30 mg˙L?1范圍內(nèi)時(shí),提高硫酸鹽濃度可以增加最大硫化物產(chǎn)生速率、降低最大甲烷產(chǎn)生速率。由于硫酸鹽還原過(guò)程中產(chǎn)生的硫化物能夠與細(xì)胞內(nèi)色素中的鐵及含鐵物質(zhì)結(jié)合
市政生活污水通常含有50~200 mg˙L?1的SO42-
,當(dāng)污水中的COD較高時(shí),SRB將處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。SUN等的研究也從側(cè)面證明了這一點(diǎn):用水量降低時(shí),管道污水中的有機(jī)物濃度(COD、BOD等)增加,但硫酸鹽濃度基本不變,其結(jié)果是碳硫比升高,增強(qiáng)了MA的產(chǎn)甲烷活性,H2S的產(chǎn)生速率卻無(wú)明顯變化。4.3 氧化還原電位
SRB 對(duì)氧有一定的耐受性
,研究表明,部分去磺弧菌屬存在著抵抗分子氧的保護(hù)性酶,如超氧化物歧化酶、NADH氧化酶和過(guò)氧化氫酶,因此,管道注氧對(duì)H2S排放的控制主要體現(xiàn)在硫化物的氧化,對(duì)SRB本身則并無(wú)較大毒性。MA是嚴(yán)格的厭氧菌
,對(duì)氧化還原電位的要求(?330 mV)嚴(yán)于SRB(?100 mV),但由于MA生長(zhǎng)在生物膜內(nèi)部,氧氣滲透能力有限。研究表明,連續(xù)80 d注氧后,管道生物膜中MA的豐度僅降低了約20%,且可在一段時(shí)間后恢復(fù)甲烷產(chǎn)生[40]。因此,與控制H2S相比,抑制MA需要長(zhǎng)時(shí)間在管道不同位置多點(diǎn)注氧。此外
,氧氣能夠提高異養(yǎng)微生物活性、氧化污水中的有機(jī)質(zhì),從而間接影響SRB和MA對(duì)底物的競(jìng)爭(zhēng)。4.4 鐵鹽
一定濃度的微量金屬元素(Co2+
在污水中投加三價(jià)鐵鹽后
,F(xiàn)e3+將硫化物氧化,同時(shí)自身被還原成Fe2+。Fe2+改變了硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物,適應(yīng)Fe2+后的生物膜中含有較高含量的單質(zhì)硫,而未能完全轉(zhuǎn)化為硫化物。且Fe2+能與硫化物反應(yīng)生成FeS沉淀物,F(xiàn)eS對(duì)SRB、MA均有抑制作用,其主要抑制機(jī)理是阻礙底物傳質(zhì),同時(shí)造成部分蛋白質(zhì)變性,影響細(xì)菌生命活動(dòng)在排水管道實(shí)際應(yīng)用中
此外,MARLENI等在研究水資源管理政策對(duì)排水管網(wǎng)的影響時(shí)也提出
4.5 硝酸鹽
硝酸鹽能夠抑制SRB的生長(zhǎng)、降低H2S濃度
硝酸鹽對(duì)MA亦有副作用,原因可歸結(jié)為氧化還原電位的改變及硝酸鹽對(duì)甲烷的化學(xué)氧化
圖5 投加硝酸鹽后的生物膜分層示意圖
管道底泥的情況與之相似
4.6 亞硝酸鹽/游離亞硝酸
硝酸鹽的抑制效果在一定程度上與其反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽相關(guān)
此外
4.7 壁面剪切力
管道內(nèi)不同的水力條件直接影響著生物膜的形態(tài)
5 結(jié)論
1)城市排水管道內(nèi)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和相對(duì)密閉的空間
,為微生物在粗糙管壁表面生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。其中,SRB和MA是管道微生物中很重要的2大菌群,與管道腐蝕、管道溫室氣體排放、管道安全事故息息相關(guān)。目前國(guó)際上多采用投加鐵鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等嘗試,抑制SRB和MA的生長(zhǎng),對(duì)管道腐蝕、臭氣溢出起到調(diào)控作用。2)SRB和MA種類繁多
,均可利用乙酸、氫氣作為基質(zhì),因此存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系?div id="4qifd00" class="flower right">3)在管道生物膜的特殊微環(huán)境中
,SRB和MA可以共存,兩者分內(nèi)外2層分布,各自進(jìn)行產(chǎn)氣反應(yīng);由于MA處于生物膜及底泥的深層,在短期或間歇投加抑制劑的情況下,MA仍能夠保存活性,故往往需要長(zhǎng)期、連續(xù)投加抑制劑才能控制CH4的產(chǎn)生。因此,在選用抑制劑控制管道廢氣時(shí),既要針對(duì)SRB的耐受性考慮增加單次投加量,也要針對(duì)MA的生物膜保護(hù)機(jī)制延長(zhǎng)投加時(shí)間。4)國(guó)內(nèi)外對(duì)于管道廢氣控制技術(shù)及原理的研究雖已比較全面,但針對(duì)SRB
、MA中不同菌種的特性及相互關(guān)系的研究仍不夠深入,部分抑制劑的作用原理尚不清楚,且抑制劑投加策略的研究多限于小試實(shí)驗(yàn)中,未能根據(jù)實(shí)際管道中變化的污水特性進(jìn)行調(diào)整。5)隨著分子生物學(xué)手段的不斷進(jìn)步,需要定量化分析SRB
、MA的數(shù)量及比例,研究?jī)烧叩拇怪狈植己脱爻套兓?div id="4qifd00" class="flower right">