你知道排水管道中生物膜的菌群結構和分布特徵嗎?

你知道排水管道中生物膜的菌群結構和分布特徵嗎？

北極星水處理網訊:城市排水系統由化糞池、排水管網、泵站、汙水處理廠等設施組成，是城市重要的基礎設施，其中排水管網集汙廢水、雨水的收集、輸送等功能於一體，對城市的未來發展水平起到了決定性的作用。隨著城市化進程的不斷推進，城市地上建設規模不斷擴大，而地下排水管網卻往往被忽略。截至2015年末，全國城市排水管道長度達53.96萬km，服務城鎮人口達77  116萬人，而相應的檢測維修工作則十分薄弱。隨著管齡逐漸增長，老舊管網缺乏日常養護，易出現腐蝕、破裂、錯位等問題，繼而導致汙水滲漏、地下水入滲，危及水環境質量、引發城市內澇。

汙水在城市排水管道中的長時間輸送以及管道中相對封閉的狀態，造成了管道中廢氣的積累，其危害性不亞於汙水處理過程中產生的有毒有害氣體，其中H₂S與CH₄的危害性最為突出。汙水中的硫酸鹽被硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing  bacteria, SRB)轉化成H₂S，腐蝕管道結構、增加修復成本。管道中的厭氧環境亦適於產甲烷菌(methanogenic archaea,  MA)的生長，研究表明，管道中液相甲烷濃度高達20~25  mg˙L⁻¹，其對溫室效應的貢獻相當於處理等量汙水所消耗的能源，且極易引發下水道爆炸事故;產甲烷過程中利用了大量溶解性COD(soluble COD,  sCOD)， 增大了後續汙水處理廠生物脫氮的難度。

本研究概述了排水管道中生物膜的菌群結構和分布特徵，重點闡述與分析了管道內SRB和MA的代謝機理及相互關係，總結了管道廢氣控制技術對SRB、MA的不同抑制效果，從而為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徵

城市排水管道中的汙水以生活汙水為主，含有豐富的碳、氮、磷等營養物質，且管道內部為密閉空間，為厭氧菌的生長提供了有利條件。實際管道生物膜中的細菌以擬桿菌綱、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還原硫酸鹽所產生的H₂S是管道腐蝕的主要原因，同時，研究表明，汙水在管道輸送途中削減了大量sCOD，其中72%的削減量來自於產甲烷過程。因此，SRB和MA是管道中的2種關鍵菌群，實際管道中液相CH₄、H₂S濃度可達30  mg˙L⁻¹、12 mg˙L⁻¹ 。目前，國內排水管道的材質多為混凝土，管道內壁粗糙不平、比表面積較大，雖然水泥的水化過程產生了較高的鹼度，但H₂S的積累逐漸降低了液相pH，同時腐蝕管道表面，使微生物能夠不斷侵入管壁內部，進一步加劇管道結構破損(見圖1)。

圖1 管道內部橫截面

排水管道中生物膜的菌群分布與汙水處理中顆粒汙泥的微生物群落結構相似，SRB、MA存在分層分布的現象。由於MA的附著性較高、對厭氧環境要求更嚴格，MA主要分布在生物膜內部，SRB則通常生長在表面。汙水中的硫酸鹽進入生物膜後迅速被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向內部增殖。而sCOD難以被完全消耗、能夠向深層繼續滲透，因此MA在內層佔據優勢。

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以下的內層。從豐度來看，SRB在總微生物中所佔比例從生物膜表面的20%逐漸下降到400 μm處的3%，MA佔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數釐米，底泥的最上層(0~2 cm)是硫化物還原的主要場所，產甲烷的主要場所更深，範圍約佔2.5~3.5  cm。SRB與MA兩者的相對豐度也隨深度而變化，SRB的相對比例從底泥表面的35%逐漸降至1 cm處的4%，2 cm以下SRB的存在可忽略不計。

2 排水管道中生物膜主要菌群的代謝機理

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

2.1 SRB分類及代謝機理

SRB能夠利用氫、乙酸、高級脂肪酸、醇、芳香族化合物、部分胺基酸、糖、多種苯環取代基的酸類及長鏈溶解性烷烴等作為電子供體，除硫酸鹽外，富馬酸、二甲基亞碸、磺酸鹽等也可作為某些SRB的最終電子受體，最終產生H2S、乙酸、CO2等代謝終產物。

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，之後再還原為S²⁻。汙水中的有機碳源被降解時所產生的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為唯一氮源，進行同化代謝。

圖2 硫酸鹽還原途徑

據不完全統計，已知的SRB共有40個屬137個種，分屬細菌界和古菌界(見表1)，其中大多數屬於δ-變形菌綱。管道中SRB的菌群結構與廢水處理中有所不同：ITO等發現，在管道生物膜中，Desulfobulbus是SRB的優勢菌屬，佔總SRB數量的23%，該菌屬以利用丙酸為主;而廢水處理中最主要的SRB為Desulfovibrio和Desulfotomaculum，Desulfovibrio是典型的氫營養型SRB。

表1 SRB菌群分類

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