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你知道排水管道中生物膜的菌群結構和分布特征嗎?

发布时间:2018年08月14日 14:19 作者:吳龍記(設計部) 點擊數:

北极星水處理网讯:城市排水系统由化粪池、排水管网、泵站、污水處理厂等设施组成,是城市重要的基础设施,其中排水管网集污废水、雨水的收集、输送等功能于一体,对城市的未来发展水平起到了决定性的作用。随着城市化进程的不断推进,城市地上建设规模不断扩大,而地下排水管网却往往被忽略。截至2015年末,全国城市排水管道长度达53.96万km,服务城镇人口达77 116万人,而相应的检测维修工作则十分薄弱。随着管龄逐渐增长,老旧管网缺乏日常养护,易出现腐蚀、破裂、错位等问题,继而导致污水渗漏、地下水入渗,危及水环境质量、引发城市内涝。


污水在城市排水管道中的长时间输送以及管道中相对封闭的状态,造成了管道中废气的积累,其危害性不亚于污水處理过程中产生的有毒有害气体,其中H2S与CH4的危害性最为突出。污水中的硫酸盐被硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)转化成H2S,腐蚀管道结构、增加修复成本。管道中的厌氧环境亦适于产甲烷菌(methanogenic archaea, MA)的生长,研究表明,管道中液相甲烷浓度高达20~25 mg˙L?1,其对温室效应的贡献相当于处理等量污水所消耗的能源,且极易引发下水道爆炸事故;产甲烷过程中利用了大量溶解性COD(soluble COD, sCOD), 增大了后续污水處理厂生物脱氮的难度。

本研究概述了排水管道中生物膜的菌群結構和分布特征,重點闡述與分析了管道內SRB和MA的代謝機理及相互關系,總結了管道廢氣控制技術對SRB、MA的不同抑制效果,從而爲城市排水管網運行維護提供理論支撐。


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为主,含有丰富的碳、氮、磷等营养物质,且管道内部为密闭空间,为厌氧菌的生长提供了有利条件。实际管道生物膜中的细菌以拟杆菌纲、β-变形菌纲、δ-变形菌纲为主,古菌则以甲烷鬃毛状菌科、甲烷球菌科为主。SRB还原硫酸盐所产生的H2S是管道腐蚀的主要原因,同时,研究表明,污水在管道输送途中削减了大量sCOD,其中72%的削减量来自于产甲烷过程。因此,SRB和MA是管道中的2种关键菌群,实际管道中液相CH4、H2S浓度可达30 mg˙L?1、12 mg˙L?1 。目前,国内排水管道的材质多为混凝土,管道内壁粗糙不平、比表面积较大,虽然水泥的水化过程产生了较高的碱度,但H2S的积累逐渐降低了液相pH,同时腐蚀管道表面,使微生物能够不断侵入管壁内部,进一步加剧管道结构破损(见图1)。


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图1 管道内部横截面


排水管道中生物膜的菌群分布与污水處理中颗粒污泥的微生物群落结构相似,SRB、MA存在分层分布的现象。由于MA的附着性较高、对厌氧环境要求更严格,MA主要分布在生物膜内部,SRB则通常生长在表面。污水中的硫酸盐进入生物膜后迅速被SRB还原利用,研究表明,管道底泥表面的硫酸盐浓度约为45 mg˙L?1,而在1 cm处仅为3 mg˙L?1,限制了SRB向内部增殖。而sCOD难以被完全消耗、能够向深层继续渗透,因此MA在内层占据优势。

管道生物膜的厚度约为700 μm,SRB主要分布在0~300 μm的外层,MA则主要分布在250 μm以下的内层。从丰度来看,SRB在总微生物中所占比例从生物膜表面的20%逐渐下降到400 μm处的3%,MA占比则从生物膜表面的3%增加到700 μm处的75%。管道底泥一般厚度达数厘米,底泥的最上层(0~2 cm)是硫化物还原的主要场所,产甲烷的主要场所更深,范围约占2.5~3.5 cm。SRB与MA两者的相对丰度也随深度而变化,SRB的相对比例从底泥表面的35%逐渐降至1 cm处的4%,2 cm以下SRB的存在可忽略不计。


2 排水管道中生物膜主要菌群的代谢机理

控制管道中H2S、CH4的根本途徑是深入了解SRB、MA的菌群結構和特征,從代謝層面上抑制這2類菌群的生長繁殖。

2.1 SRB分类及代谢机理

SRB能夠利用氫、乙酸、高級脂肪酸、醇、芳香族化合物、部分氨基酸、糖、多種苯環取代基的酸類及長鏈溶解性烷烴等作爲電子供體,除硫酸鹽外,富馬酸、二甲基亞砜、磺酸鹽等也可作爲某些SRB的最終電子受體,最終産生H2S、乙酸、CO2等代謝終産物。

硫酸鹽的還原途徑如圖2所示,SO42?/SO32?本身氧化還原電位過低,SO42?須被激活成強氧化劑APS,之後再還原爲S2?。汙水中的有機碳源被降解時所産生的ATP和高能電子在這一途徑中被利用。某些SRB還可以利用硝酸鹽作爲唯一氮源,進行同化代謝。


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图2 硫酸盐还原途径


据不完全统计,已知的SRB共有40个属137个种,分属细菌界和古菌界(见表1),其中大多数属于δ-变形菌纲。管道中SRB的菌群结构与废水處理中有所不同:ITO等发现,在管道生物膜中,Desulfobulbus是SRB的优势菌属,占总SRB数量的23%,该菌属以利用丙酸为主;而废水處理中最主要的SRB为Desulfovibrio和Desulfotomaculum,Desulfovibrio是典型的氢营养型SRB。


表1 SRB菌群分类

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2.2 MA分类及代谢机理

MA是專性厭氧古菌,能夠以乙酸、H2/CO2、甲基類化合物爲底物合成甲烷,其代謝途徑也相應地分爲乙酸途徑、CO2還原途徑和甲基裂解途徑。MA屬于廣古細菌門,現已鑒定出的菌株可分爲7目、15科、35屬、150多個有效種(見表2)。


表2 MA菌群分类

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自然界中甲烷産生量的67%來自于乙酸途徑,SUN等也發現,管道生物膜中90%的MA都屬于專性乙酸營養型Methanosaeta,占據絕對優勢。乙酸營養型MA通過裂解乙酸生成乙酰輔酶A,一部分氧化爲CO2,另一部分被最終還原爲CH4(見圖3)。


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图3 乙酸营养型MA(Methanosarcina和Methanosaeta)代谢途径


3 SRB和MA的底物竞争关系

SRB和MA是参与管道内生化反应过程的重要菌群,其相互作用关系对于管道废气控制十分关键。污水中的复杂有机物经产酸细菌转化成挥发性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA),再由产乙酸菌进一步生成乙酸、二氧化碳和氢气。SRB能同时氧化乙酸和氢气,通过异化作用维持生命活动,在此过程中硫酸盐被还原成硫化氢。MA则利用乙酸和氢气产生甲烷。

由于SRB和MA均可以利用乙酸、氫氣作爲基質,因此兩者雖然能夠共存,卻依然存在競爭關系。目前涉及SRB和MA競爭關系的研究多針對汙水或汙泥處理中的厭氧消化工藝,排水管道中的相關研究則較少,圖4給出了管道中SRB和MA主要參與的生化反應及底物競爭關系。


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图4 SRB与MA的底物竞争关系


從熱力學角度看,硫酸鹽還原反應自由能的絕對值更大,反應更容易進行(見表3)。


表3 硫酸盐还原与产甲烷反应过程

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從可利用的基質範圍來看,MA只能利用乙酸、H2、CO2和一碳有機物(如甲醇),而SRB是代謝譜較寬的廣食性微生物。乙酸和氫氣都可以被SRB、MA所利用,但由于70%以上的甲烷來自于MA對乙酸的分解,因此乙酸在MA對SRB的競爭關系上是尤爲重要的底物。從動力學角度看,當SRB與MA均以乙酸爲基質時,SRB的最大比增長速率和底物親和力更高(見表4)。研究表明,SRB利用電子供體的優先順序是乳酸、丙酸、丁酸、乙酸,氫營養型SRB對硫酸鹽的親和力也遠大于乙酸營養型SRB,因此乙酸營養型SRB在SRB總菌群中的相對優勢並不明顯。GUISASOLA等的實驗結果顯示,硫酸鹽還原過程僅利用了38%的乙酸鹽。


表4 乙酸营养型SRB与乙酸营养型MA比较clip_image015.png


總體上,排水管道生物膜中SRB競爭底物的能力強于MA、更易于繁殖,但實際管道內的生化反應過程較爲複雜,與實驗室純培養結果有一定差異,其生物膜是多種類MA和SRB的混合相,仍需考慮其種內的競爭關系。


4 SRB和MA的调控因素及方法

影響SRB和MA代謝活性和底物競爭能力的主要環境因素包括pH、溶解氧、水力條件、底物濃度、抑制劑等,實際工程中往往利用這些影響因素對H2S、CH4的産生及排放進行控制(見表5)。


表5 管道H2S 和 CH4常用控制技术

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然而,由于SRB和MA在管道內特殊微環境下的競爭關系趨于複雜化,能夠共存並分別進行各自的産氣反應,因此,有必要總結各管道廢氣控制技術對SRB、MA的不同抑制效果,從而爲城市排水管網運行維護提供理論支撐。

4.1 pH

管道中生活污水的pH在7.2~8.5之间,与SRB、MA的最适pH范围(7.0~7.5)相近。pH会影响硫化物在水中的存在状态,从而间接影响SRB和MA的活性。硫化物在废水中的存在形式主要有S2?、HS?及分子态的H2S,其中起主要抑制作用的是分子态的H2S。MA受液相中游离的H2S的抑制作用更强, H2S能接近并穿过菌体细胞膜,进而破坏其蛋白质,因此产甲烷菌在较低的pH下丧失活性。而在pH为2.5~4.5的高酸性环境下SRB 仍能进行异化硫酸盐还原反应,因此SRB能逐渐适应低pH并在竞争中占据优势。

投加碱度是控制管道H2S的常用方法,其原理是促进H2S的电离平衡向右移动,同时抑制SRB菌体本身的活性。高pH对MA抑制效果较强,抑制时间更长,研究表明,持续2 h保持管道生物膜的pH为9.0,即可连续数周控制甲烷的产生在25%以下;而只有将pH提高至10.5时才能抑制SRB的生长,且1周后SRB的活性即得到恢复。

4.2 碳硫比

MCCARTNEY等提出碳硫比(COD/SO42?)是决定SRB和MA竞争结果的重要因素。CHOI等认为COD/ SO42?在1.7~ 2.7时,两者存在强烈的竞争;在此范围以下,SRB占优势;此范围之上,MA为主导。SUN等的研究发现,当硫酸盐浓度在5~30 mg˙L?1范围内时,提高硫酸盐浓度可以增加最大硫化物产生速率、降低最大甲烷产生速率。

由于硫酸鹽還原過程中産生的硫化物能夠與細胞內色素中的鐵及含鐵物質結合,導致電子傳遞系統失活,因此硫酸鹽濃度過高時,SRB和MA均受到抑制。但溶解性硫化物對SRB的毒性阈值比MA更高,致使MA更易受到硫酸鹽還原過程中所産生的硫化物的影響。在較低的硫酸鹽濃度下,SRB的生長則受其底物限制,因此MA占優勢地位。

市政生活污水通常含有50~200 mg˙L?1的SO42-,当污水中的COD较高时,SRB将处于竞争劣势。SUN等的研究也从侧面证明了这一点:用水量降低时,管道污水中的有机物浓度(COD、BOD等)增加,但硫酸盐浓度基本不变,其结果是碳硫比升高,增强了MA的产甲烷活性,H2S的产生速率却无明显变化。

4.3 氧化还原电位

SRB 对氧有一定的耐受性,研究表明,部分去磺弧菌属存在着抵抗分子氧的保护性酶,如超氧化物歧化酶、NADH氧化酶和过氧化氢酶,因此,管道注氧对H2S排放的控制主要体现在硫化物的氧化,对SRB本身则并无较大毒性。

MA是严格的厌氧菌,对氧化还原电位的要求(?330 mV)严于SRB(?100 mV),但由于MA生长在生物膜内部,氧气渗透能力有限。研究表明,连续80 d注氧后,管道生物膜中MA的丰度仅降低了约20%,且可在一段时间后恢复甲烷产生[40]。因此,与控制H2S相比,抑制MA需要长时间在管道不同位置多点注氧。

此外,氧氣能夠提高異養微生物活性、氧化汙水中的有機質,從而間接影響SRB和MA對底物的競爭。

4.4 铁盐

一定浓度的微量金属元素(Co2+、Fe2+、Zn2+、Ni2+)能够参与细胞养分运输、提高酶活性,在废水處理中,添加适量的Fe2+能同时激活MA和SRB,因为铁元素参与细菌能量代谢,在APS还原酶、亚硫酸盐还原酶、乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶等关键酶中也发挥着不可或缺的作用。Fe3+浓度增大时,SRB代谢活性提高、增殖高峰期延长。污水中本身含有0.4~1.5 mg˙L?1的铁元素,是硫循环中的重要环节。

在污水中投加三价铁盐后,Fe3+将硫化物氧化,同时自身被还原成Fe2+。Fe2+改变了硫酸盐还原的最终产物,适应Fe2+后的生物膜中含有较高含量的单质硫,而未能完全转化为硫化物。且Fe2+能与硫化物反应生成FeS沉淀物,FeS对SRB、MA均有抑制作用,其主要抑制机理是阻碍底物传质,同时造成部分蛋白质变性,影响细菌生命活动。FeS一般沉积在生物膜表面,由于生物膜深层积累了大量的VFA和CO2、pH较低,不利于硫化物沉淀;且产生的硫化物不断向外层扩散,从而保护了生物膜内部的菌群。MA主要分布在生物膜内层,因此,初始投加铁盐后,产甲烷过程所受影响较小。但是Fe3+的抑制作用是短期的,3~7 d时抑制作用最大,之后呈指数级衰减。此后3周左右,SRB的活性可恢复至80%~90%,而MA的活性在5周后依然没有恢复。其原因是当外层含FeS的生物膜逐渐瓦解、更新后,SRB迅速恢复增殖,MA的生长速率则缓慢得多[47]。AUGUET等的研究也表明,SRB的定植能力高于MA,待生物膜成熟后,CH4排放才开始逐渐增长。

在排水管道实际应用中,投加铁盐是最为常见的H2S控制手段。澳大利亚部分地区在投加化学药品控制管道废气时,有66%都选择了铁盐。重力流管道中一般含有0~5 mg˙L?1的溶解氧,与完全厌氧的压力流管道不同,投加的亚铁盐可能会被氧化成三价铁盐。

此外,MARLENI等在研究水資源管理政策對排水管網的影響時也提出,在普遍實施雨水收集利用的住宅區,管道中的汙水含有較多的金屬離子,一定程度上也減輕了H2S造成的管道腐蝕現象。

4.5 硝酸盐

硝酸盐能够抑制SRB的生长、降低H2S浓度,在一定程度上防止管道腐蚀。 研究人员在长达61 km的重力流管道中投加硝酸盐,当NO3?浓度达5 mg˙L?1时,即可抑制硫化物的产生。早期的研究对其抑制机理有多种解释,包括硝酸盐提高了生物膜的氧化还原电位、副产物(如亚硝酸盐、一氧化氮)对SRB的毒性、SRB与硝酸盐还原菌(nitrate-reducing bacteria, NRB)竞争有机电子供体、反硝化作用提高液相pH、SRB在缺氧条件下优先将硝酸盐还原成氨氮等。近年来,研究发现,硝酸盐可促进产生自养反硝化过程,化能自养菌NR-SOB(nitrate-reducing sulfide-oxidizing bacteria, 硝酸盐还原-硫化物氧化菌)能在缺氧条件下以NO3?作为电子受体,将硫化物氧化成单质硫。NR-SOB在适应硝酸盐的生物膜中占据了较大比例,证实了该抑制机理具有主导地位[54]。但是,生物膜中积累的单质硫,能在硝酸盐存在的情况下继续氧化成硫酸盐;若后续不再投加硝酸盐,又会重新还原成硫化物,因此硝酸盐对SRB的抑制作用需要加以长期调控。

硝酸鹽對MA亦有副作用,原因可歸結爲氧化還原電位的改變及硝酸鹽對甲烷的化學氧化。然而,由于SRB、MA在生物膜中處于分層分布,因此生物膜由上到下可分爲硝酸鹽還原層、硫酸鹽還原層和産甲烷層[55-56](見圖5)。深層的MA可以利用sCOD而繼續生長,只有長期投加硝酸鹽才能抑制MA。


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图5 投加硝酸盐后的生物膜分层示意图


管道底泥的情況與之相似。硝酸鹽的投加並不能抑制管道底泥中的硫化物産生速率,但缺氧條件下同時發生硫化物的氧化,從而減少了硫化物的積累。硝酸鹽的擴散能力有限,只有長期投加硝酸鹽才能完全抑制甲烷的産生。如果采用間歇性投加硝酸鹽的策略,則需保證硝酸鹽過量,汙水中的N/S至少爲0.5~0.6[58]。

4.6 亚硝酸盐/游离亚硝酸

硝酸盐的抑制效果在一定程度上与其反应过程中产生的亚硝酸盐相关。亚硝酸盐既能氧化硫化物,又是SRB的特定代谢抑制剂,可阻碍异化型亚硫酸盐还原酶催化的亚硫酸盐转化为硫化物的还原反应,且下调与硫酸盐还原相关的基因表达,其抑制效果强于硝酸盐。通过间歇性投加亚硝酸盐的方式,33 h内保持NO2?浓度为100 mg˙L?1的情况下,可抑制90%的硫化物产生。但是,由于SRB中的部分种群对亚硝酸盐的毒性有一定的耐受性,因此,SRB 活性仍然能够缓慢恢复,生物膜中积累的硫循环中间产物(单质硫、硫代硫酸盐、亚硫酸盐)可进一步还原产生H2S。与SRB相比,MA更容易受亚硝酸盐抑制,这可能是由于反硝化过程中产生了NO、N2O等副产物,其中NO是毒性最强的氮氧化物,能损伤脂质、蛋白质及DNA,在极低的浓度下可抑制产甲烷过程。AUGUET等比较了在下游分别投加硝酸盐、亚硝酸盐的甲烷控制效果,结果表明亚硝酸盐可使甲烷排放削减78.0%,而投加硝酸盐仅削减了46.2%的甲烷。

此外,亚硝酸盐能够质子化形成游离亚硝酸(FNA,即HNO2),JIANG等的研究发现,酸性条件(pH≤6)下投加亚硝酸盐会产生FNA,并能够使微生物失活,持续12 h保持FNA浓度在0.26 mg˙L?1以上即可抑制硫化物、甲烷的产生。FNA的抗菌机理尚不明确,GAO等的研究发现,FNA能够抑制与硫酸盐还原和乳酸氧化相关的产ATP过程。在实际管道中投加FNA后,生物膜的菌群活性不断被削弱,并不会产生适应现象。

4.7 壁面剪切力

管道内不同的水力条件直接影响着生物膜的形态、厚度和组成,其中,污水流速对生物膜的影响可以用壁面剪切力来表征。随着剪切力增加,管道生物膜总微生物丰度增高、而多样性下降,氧吸收速率(OUR)和污染物削减效率均降低;生物膜在初始适应阶段由于分泌大量EPS而逐渐变厚,但到了后期成熟阶段,上层松散的生物膜逐渐脱落,最终整体厚度变薄。当剪切力从1.12 Pa提高到1.45 Pa时,SRB占生物膜总菌群的数量比例从0.036%减少至0.027%,而MA的比例从22.87%增长至69.75%,这可能是由于生物膜表面的SRB更容易受到水力剪切和冲刷作用,而MA附着性较高。此外,紊动的水流有利于DO从水相向生物膜扩散,进而间接影响了MA与SRB的分布。


5 结论

1)城市排水管道內豐富的營養物質和相對密閉的空間,爲微生物在粗糙管壁表面生長繁殖創造了良好的環境條件。其中,SRB和MA是管道微生物中最重要的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。目前國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,對管道腐蝕、臭氣溢出起到調控作用。

2)SRB和MA種類繁多,均可利用乙酸、氫氣作爲基質,因此存在著一定的競爭關系。總體上,SRB的耐受性較強,更能夠抵禦極端pH、硫化物積累、注氧、投加抑制劑等多種影響因素,且SRB可利用的基質範圍較廣、底物親和性較高,純培養條件下能夠在競爭中淘汰MA;在生物膜成熟及更新前期,比增長速率較高的SRB也能快速占據優勢。

3)在管道生物膜的特殊微環境中,SRB和MA可以共存,兩者分內外2層分布,各自進行産氣反應;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,故往往需要長期、連續投加抑制劑才能控制CH4的産生。因此,在選用抑制劑控制管道廢氣時,既要針對SRB的耐受性考慮增加單次投加量,也要針對MA的生物膜保護機制延長投加時間。

4)國內外對于管道廢氣控制技術及原理的研究雖已比較全面,但針對SRB、MA中不同菌種的特性及相互關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驗中,未能根據實際管道中變化的汙水特性進行調整。

5)隨著分子生物學手段的不斷進步,需要定量化分析SRB、MA的數量及比例,研究兩者的垂直分布和沿程變化,進一步探究不同環境條件下的優勢種群組成及其對應的活性、代謝途徑,從而尋找最有效的抑制措施。同時引入在線監測設備,根據管道內微環境的周期變化,結合多種抑制技術、采用動態調控策略,並應用到實際管道維護工作中去。

 

(转摘自北极星水處理网 環境科學學報

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