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一体化污水处理设备厂生物膜的菌群结构和分布特征概述
时间:2020-09-09 点击次数:315

  一体化污水处理设备厂城市排水体系由化粪池、排水管网、泵站、污水处理厂等设施组成,是城市重要的基本设施,其中排水管网集污废水、雨水的收集、输送等功能于一体,对城市的将来发展水平起到了决定性的作用。随着城市化进程的一直推动,城市地上建设范围一直扩大,而地下排水管网却往往被忽视。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。随着管龄逐步增加,老旧管网缺乏日常养护,易呈现腐化、决裂、错位等问题,继而导致污水渗漏、地下水入渗,危及水环境品质、引发城市内涝。

  污水在城市排水管道中的长时光输送以及管道中封闭的状况,造成了管道中废气的积聚,其迫害性不亚于污水处理进程中产生的有毒有害气体,其中H2S与CH4的迫害性最为凸起。污水中的硫酸盐被硫酸盐还原菌转化成H2S,腐化管道结构、增加修复本钱。管道中的厌氧环境亦适于产甲烷菌的成长,研究表明,管道中液相甲烷浓度高达20~25 mg·L−1,其对温室效应的奉献相称于处理等量污水所消耗的能源,且极易引发下水道爆炸事变;产甲烷进程中利用了大量溶解性COD, 增大了后续污水处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结构跟散布特点,重点论述与剖析了管道内SRB跟MA的代谢机理及彼此关联,总结了管道废气把持技巧对SR
  B、MA的不同克制后果,从而为城市排水管网运行维护供给实际支撑。
  1 排水管道中生物膜的菌群散布特点
  城市排水管道中的污水以生活污水为主,含有丰富的碳、氮、磷等养分物质,且管道内部为密闭空间,为厌氧菌的成长供给了有利前提。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是管道腐化的重要起因,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进程。因此,SRB跟MA是管道中的2种要害菌群,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,管道内壁毛糙不平、比名义积较大,诚然水泥的水化进程产生了较高的碱度,但H2S的积聚逐步降落了液相pH,同时腐化管道名义,使微生物可能一直侵入管壁内部,进一步加剧管道结构破损。

  图1 管道内部横截面
  排水管道中生物膜的菌群散布与污水处理中颗粒污泥的微生物群落结构类似,SR
  B、MA存在分层散布的景象。因为MA的附着性较高、对厌氧环境请求更严格,MA重要散布在生物膜内部,SRB则通常成长在名义。污水中的硫酸盐进入生物膜后敏捷被SRB还原利用,研究表明,管道底泥名义的硫酸盐浓度约为45 mg·L−1,而在1 cm处仅为3 mg·L−1,限度了SRB向内部增殖。而sCOD难以被完全消耗、可能向深层连续浸透,因此MA在内层盘踞上风。
  管道生物膜的厚度约为700 μm,SRB重要散布在0~300 μm的外层,MA则重要散布在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名义的20%逐步降落到400 μm处的3%,MA占比则从生物膜名义的3%增加到700 μm处的75%。管道底泥个别厚度达数厘米,底泥的最上层是硫化物还原的重要场合,产甲烷的重要场合更深,范畴约占2.5~3.5 cm。SRB与MA两者的丰度也随深度而变更,SRB的比例从底泥名义的35%逐步降至1 cm处的4%,2 cm以下SRB的存在可忽视不计。
  2 排水管道中生物膜重要菌群的代谢机理
  把持管道中H2
  S、CH4的基本途径是深刻理解SR
  B、MA的菌群结构跟特点,从代谢层面上克制这2类菌群的成长滋生。
  2.1 SRB分类及代谢机理
  SRB可能利用氢、乙酸、高等脂肪酸、醇、芳香族化合物、局部氨基酸、糖、多种苯环取代基的酸类及长链溶解性烷烃等作为电子供体,除硫酸盐外,富马酸、二甲基亚砜、磺酸盐等也可作为某些SRB的电子受体,产生H2
  S、乙酸、CO2等代谢终产物。
  硫酸盐的还原途径如图2所示,SO42−/SO32−自身氧化还原电位过低,SO42−须被激活成强氧化剂APS,之后再还原为S2−。污水中的有机碳源被降解时所产生的ATP跟高能电子在这一途径中被利用。某些SRB还可能利用硝酸盐作为氮源,进行同化代谢。

  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,分属细菌界跟古菌界,其中大多数属于δ-变形菌纲。管道中SRB的菌群结构与废水处理中有所不同:ITO等发明,在管道生物膜中,Desulfobulbus是SRB的上风菌属,占总SRB数量的23%,该菌属以利用丙酸为主;而废水处理中最重要的SRB为Desulfovibrio跟Desulfotomaculum,Desulfovibrio是典范的氢养分型SRB。

  表1 SRB菌群分类
  2.2 MA分类及代谢机理
  MA是专性厌氧古菌,可能以乙酸、H2/CO2、甲基类化合物为底物合成甲烷,其代谢途径也相应地分为乙酸途径、CO2还原途径跟甲基裂解途径。MA属于广古细菌门,现已鉴定出的菌株可分为7目、15科、35属、150多个有效种。

  表2 MA菌群分类
  天然界中甲烷产生量的67%来自于乙酸途径,SUN等也发明,管道生物膜中90%的MA都属于专性乙酸养分型Methanosaeta,盘踞上风。乙酸养分型MA通过裂解乙酸生成乙酰辅酶A,一局部氧化为CO2,另一局部被还原为CH4。

  图3 乙酸养分型MA代谢途径
  3 SRB跟MA的底物竞争关联
  SRB跟MA是参加管道内生化反应进程的重要菌群,其彼此作用关联对管道废气把持十分要害。污水中的庞杂有机物经产酸细菌转化成挥发性脂肪酸,再由产乙酸菌进一步生成乙酸、二氧化碳跟氢气。SRB能同时氧化乙酸跟氢气,通过异化作用坚持生福分动,在此进程中硫酸盐被还原成硫化氢。MA则利用乙酸跟氢气产生甲烷。
  因为SRB跟MA均可能利用乙酸、氢气作为基质,因此两者诚然可能共存,却仍然存在竞争关联。农村污水处理设备主要目的是将生活污水和与之相类似的工业有机废水处理后达到回用水质要求,使废水处理后资源化利用。在总结国内外先进经验的基础上,不断改进污水处理工艺,促进了污水处理设备的大发展。 目前波及SRB跟MA竞争关联的研究多针对污水或污泥处理中的厌氧消化工艺,排水管道中的相干研究则较少,图4给出了管道中SRB跟MA重要参加的生化反应及底物竞争关联。

  图4 SRB与MA的底物竞争关联
  从热力学角度看,硫酸盐还原反应自由能的值更大,反应更轻易进行。
  表3 硫酸盐还原与产甲烷反应进程
   从可利用的基质范畴来看,MA只能利用乙酸、H2、CO2跟一碳有机物,而SRB是代谢谱较宽的广食性微生物。乙酸跟氢气都可能被SR
  B、MA所利用,但因为70%以上的甲烷来自于MA对乙酸的分解,因此乙酸在MA对SRB的竞争关联上是尤为重要的底物。从能源学角度看,当SRB与MA均以乙酸为基质时,SRB的更大比增加速率跟底物亲跟力更高。研究表明,SRB利用电子供体的优先顺序是乳酸、丙酸、丁酸、乙酸,氢养分型SRB对硫酸盐的亲跟力也弘远于乙酸养分型SRB,因此乙酸养分型SRB在SRB总菌群中的上风并不明显。GUISASOLA等的实验结果显示,硫酸盐还原进程仅利用了38%的乙酸盐。

  表4 乙酸养分型SRB与乙酸养分型MA比较
  总体上,排水管道生物膜中SRB竞争底物的才干强于M
  A、更易于滋生,但实际管道内的生化反应进程较为庞杂,与实验室纯培养结果有一定差别,其生物膜是多品种MA跟SRB的混淆相,仍需考虑其种内的竞争关联。
  4 SRB跟MA的调控因素及方法
  影响SRB跟MA代谢活性跟底物竞争才干的重要环境因素包含p
  H、溶解氧、水力前提、底物浓度、克制剂等,实际工程中往往利用这些影响因素对H2
  S、CH4的产生及排放进行把持。
表5 管道H2S 跟 CH4常用把持技巧
  然而,因为SRB跟MA在管道内特别微环境下的竞争关联趋于庞杂化,可能共存并分辨进行各自的产气反应,因此,有必要总结各管道废气把持技巧对SR
  B、MA的不同克制后果,从而为城市排水管网运行维护供给实际支撑。
  4.1 pH
  管道中生活污水的pH在7.2~8.5之间,与SR
  B、MA的最适pH范畴相近。pH会影响硫化物在水中的存在状况,从而间接影响SRB跟MA的活性。硫化物在废水中的存在情势重要有S2−、HS−及分子态的H2S,其中起重要克制造用的是分子态的H2S。MA受液相中游离的H2S的克制造用更强, H2S能濒临并穿过菌体细胞膜,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能逐步适应低pH并在竞争中盘踞上风。
  投加碱度是把持管道H2S的常用方法,其原理是增进H2S的电离均衡向右挪动,同时克制SRB菌体自身的活性。高pH对MA克制后果较强,克制时光更长,研究表明,连续2 h坚持管道生物膜的pH为9.0,即可连续数周把持甲烷的产生在25%以下;而只有将pH进步至10.5时才干克制SRB的成长,且1周后SRB的活性即得到恢复。具体接洽污水宝或参见http://www.dowater.com更多相干技巧文档。 
  4.2 碳硫比
  MCCARTNEY等提出碳硫比是决定SRB跟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;在此范畴以下,SRB占上风;此范畴之上,MA为主导。SUN等的研究发明,当硫酸盐浓度在5~30 mg·L−1范畴内时,进步硫酸盐浓度可能增加更大硫化物产生速率、降落更大甲烷产生速率。
  因为硫酸盐还原进程中产生的硫化物可能与细胞内色素中的铁及含铁物质结合,导致电子传递体系失活,因此硫酸盐浓度过高时,SRB跟MA均受到克制。但溶解性硫化物对SRB的毒性阈值比MA更高,以致MA更易受到硫酸盐还原进程中所产生的硫化物的影响。在较低的硫酸盐浓度下,SRB的成长则受其底物限度,因此MA占上风位置。
  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:用水量降落时,管道污水中的有机物浓度增加,但硫酸盐浓度基本不变,其结果是碳硫比升高,加强了MA的产甲烷活性,H2S的产生速率却无明显变更。
  4.3 氧化还原电位
  SRB 对氧有一定的耐受性,研究表明,局部去磺弧菌属存在着抵抗分子氧的维护性酶,如超氧化物歧化酶、NADH氧化酶跟过氧化氢酶,因此,管道注氧对H2S排放的把稳重要体当初硫化物的氧化,对SRB自身则并无较大毒性。
  MA是严格的厌氧菌,对氧化还原电位的请求严于SRB,但因为MA成长在生物膜内部,氧气浸透才干有限。研究表明,连续80 d注氧后,管道生物膜中MA的丰度仅降落了约20%,且可在一段时光后恢复甲烷产生[40]。因此,与把持H2S比较,克制MA须要长时光在管道不同位置多点注氧。
  此外,氧气可能进步异养微生物活性、氧化污水中的有机质,从而间接影响SRB跟MA对底物的竞争。
  4.4 铁盐
  一定浓度的微量金属元素可能参加细胞养分运输、进步酶活性,在废水处理中,增加适量的Fe2+能同时激活MA跟SRB,因为铁元素参加细菌能量代谢,在APS还原酶、亚硫酸盐还原酶、乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶等要害酶中也施展着不可或缺的作用。Fe3+浓度增大时,SRB代谢活性进步、增殖顶峰期延长。污水中自身含有0.4~1.5 mg·L−1的铁元素,是硫轮回中的重要环节。
  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+转变了硫酸盐还原的产物,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积淀物,FeS对SR
  B、MA均有克制造用,其重要克制机理是妨碍底物传质,同时造成局部蛋白量变性,影响细菌生福分动。实验室污水处理设备除了对污水处理工艺进行改进、强化脱氮除磷功能外,污水处理厂的设备改造、过程控制、水力条件优化也不容忽视。业内人士提出,可以采用高效、无堵塞的水泵和变频设备,提高设备的效率,降低能耗和运行费用,减少设备检修率。FeS个别沉积在生物膜名义,因为生物膜深层积聚了大量的VFA跟CO2、pH较低,不利于硫化物积淀;且产生的硫化物一直向外层扩散,从而维护了生物膜内部的菌群。MA重要散布在生物膜内层,因此,初始投加铁盐后,产甲烷进程所受影响较小。然而Fe3+的克制造用是短期的,3~7 d时克制造用更大,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周后仍然不恢复。其起因是当外层含FeS的生物膜逐步瓦解、更新后,SRB敏捷恢复增殖,MA的成长速率则缓慢得多[47]。AUGUET等的研究也表明,SRB的定植才干高于MA,待生物膜成熟后,CH4排放才开端逐步增加。
  在排水管道实际利用中,投加铁盐是最为常见的H2S把持手段。澳大利亚局部地区在投加化学药品把持管道废气时,有66%都抉择了铁盐。重力流管道中个别含有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等在研究水资源治理政策对排水管网的影响时也提出,在普遍履行雨水收集利用的住宅区,管道中的污水含有较多的金属离子,一定水平上也减轻了H2S造成的管道腐化景象。
  4.5 硝酸盐
  硝酸盐可能克制SRB的成长、降落H2S浓度,在一定水平上避免管道腐化。 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,即可克制硫化物的产生。早期的研究对其克制机理有多种说明,包含硝酸盐进步了生物膜的氧化还原电位、副产物对SRB的毒性、SRB与硝酸盐还原菌竞争有机电子供体、反硝化作用进步液相p
  H、SRB在缺氧前提下优先将硝酸盐还原成氨氮等。近年来,研究发明,硝酸盐可增进产生自养反硝化进程,化能自养菌NR-SOB能在缺氧前提下以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盘踞了较大比例,证明了该克制机理存在主导位置[54]。然而,生物膜中积聚的单质硫,能在硝酸盐存在的情况下连续氧化成硫酸盐;若后续不再投加硝酸盐,又会从新还原成硫化物,因此硝酸盐对SRB的克制造用须要加以长期调控。
  硝酸盐对MA亦有副作用,起因可演绎为氧化还原电位的转变及硝酸盐对甲烷的化学氧化。然而,因为SR
  B、MA在生物膜中处于分层散布,因此生物膜由上到下可分为硝酸盐还原层、硫酸盐还原层跟产甲烷层[55-56]。深层的MA可能利用sCOD而连续成长,只有长期投加硝酸盐才干克制MA。

  图5 投加硝酸盐后的生物膜分层示用意
  管道底泥的情况与之类似。硝酸盐的投加并不能克制管道底泥中的硫化物产生速率,但缺氧前提下同时产生硫化物的氧化,从而减少了硫化物的积聚。硝酸盐的扩散才干有限,只有长期投加硝酸盐才干完全克制甲烷的产生。假如采取间歇性投加硝酸盐的策略,则需保障硝酸盐适量,污水中的N/S至少为0.5~0.6[58]。
  4.6 亚硝酸盐/游离亚硝酸
  硝酸盐的克制后果在一定水平上与其反应进程中产生的亚硝酸盐相干。亚硝酸盐既能氧化硫化物,又是SRB的特定代谢克制剂,可妨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干的基因表白,其克制后果强于硝酸盐。通过间歇性投加亚硝酸盐的方法,33 h内坚持NO2−浓度为100 mg·L−1的情况下,可克制90%的硫化物产生。然而,因为SRB中的局部种群对亚硝酸盐的毒性有一定的耐受性,因此,SRB 活性仍然可能缓慢恢复,生物膜中积聚的硫轮回旁边产物可进一步还原产生H2S。与SRB比较,MA更轻易受亚硝酸盐克制,这可能是因为反硝化进程中产生了N
  O、N2O等副产物,其中NO是毒性最强的氮氧化物,能伤害脂质、蛋白质及DNA,在极低的浓度下可克制产甲烷进程。AUGUET等比较了在下游分辨投加硝酸盐、亚硝酸盐的甲烷把持后果,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,亚硝酸盐可能质子化形成游离亚硝酸,JIANG等的研究发明,酸性前提下投加亚硝酸盐会产生FNA,并可能使微生物失活,连续12 h坚持FNA浓度在0.26 mg·L−1以上即可克制硫化物、甲烷的产生。FNA的抗菌机理尚不明白,GAO等的研究发明,FNA可能克制与硫酸盐还原跟乳酸氧化相干的产ATP进程。在实际管道中投加FNA后,生物膜的菌群活性一直被减弱,并不会产生适应景象。
  4.7 壁面剪切力
  管道内不同的水力前提直接影响着生物膜的状况、厚度跟组成,其中,污水流速对生物膜的影响可能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、而多样性降落,氧接收速率跟沾染物削减效力均降落;生物膜在初始适应阶段因为分泌大量EPS而逐步变厚,但到了后期成熟阶段,上层疏松的生物膜逐步脱落,整体厚度变薄。当剪切力从1.12 Pa进步到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%增加至69.75%,这可能是因为生物膜名义的SRB更轻易受到水力剪切跟冲刷作用,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的散布。
  5 论断
  1)一体化污水处理设备厂管道内丰富的养分物质跟密闭的空间,为微生物在毛糙管壁名义成长滋生发明了良好的环境前提。其中,SRB跟MA是管道微生物中最重要的2大菌群,与管道腐化、管道温室气体排放、管道保险事


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