時 紅, 鄭杰榮

(太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，太原 030024)

排水管網(wǎng)是城市公共設施的重要組成部分，其承擔污水和雨水的收集與輸送任務[1]。隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加速，城鎮(zhèn)排放的污水水量也隨之增加。排水管網(wǎng)中特定的環(huán)境易富集眾多微生物如產甲烷菌及硫酸鹽還原菌，從而在污水在輸送過程中產生甲烷及硫化氫(H2S)[2]。據(jù)報道，排水管網(wǎng)中甲烷排放量約占全球5%[3]。而H2S不僅屬于惡臭氣體，而且還能腐蝕混凝土管道，給城鎮(zhèn)公共設施產生巨大危害。研究表明在澳洲，每年因治理H2S腐蝕混凝土管道費用約為10億美元。因此有效控制排水管網(wǎng)中甲烷及H2S的產生已成為研究的熱點[4]。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行

實驗采用的裝置為實驗室搭建的聚氯乙烯(PVC)重力排水管道，兩端設有總體積為30 L，有效體積為25 L的儲水箱，中間采用排水管道連接，排水管道的長度為12.0 m，內徑為60 mm，坡度約為5‰，在管道內部水面以下設有生物膜載體以便生物膜生長及形成。此外，通過回流蠕動泵將低水位貯水箱中的水再次回流至高水位水箱，排水管道內部水流速度約為0.6 m/s，排水管網(wǎng)內電子液壓系統(tǒng)控制為-300～-350 mV，溫度控制為35 ℃，pH通過高水位水箱內人工添加2.0 mol/L HCl或者NaOH維持在6.5～7.5。

1.2 污水水質

高水位水箱污水采用人工配水，以乙酸鈉和丙酸鈉(質量比為2:1)為混合碳源，進水化學需氧量(COD)的濃度約為600 mg/L。整個運行周期約為120 d，該時期平均分為四個階段(階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)，在階段Ⅰ～Ⅳ中，控制進水硫酸鹽(以Na2SO4計)的質量濃度，并保持m(C)/m(S)約為4、8、12和16。為了真實模擬實際污水，人工合成廢水中還含有KCl 12.0 mg/L、NH4Cl 60 mg/L、CaCl210 mg/L，NaHCO360 mg/L。此外，每階段進水中還包含100 mL的微量元素，微量元素的基本組成如下：1.5 g/L CuSO4、0.6 g/L H3BO3、FeCl3·6H2O、MnCl2·4H2O。此外還設置實驗探究乙酸鹽，丙酸鹽為單獨碳源及乙酸鹽和丙酸鹽混合碳源對H2S釋放的影響。為了保證重力排水管網(wǎng)中厭氧環(huán)境，在實驗開始前向管網(wǎng)內充入氮氣以排凈空氣保證溶解氧低于0.1 mg/L。

1.3 分析方法

甲烷分析采用氣相色譜法測定，氣相色譜儀配有熱導檢測器(TCD)色譜柱型號選為TDX-1填充柱，載氣為氮氣，柱溫為80 ℃，進樣口溫度為100 ℃，檢測器溫度為100 ℃。此外，污水中還可能含有溶解性甲烷，在實驗過程中取50 mL污水，進行溶解性甲烷和COD含量測定，詳細的測定方法見文獻[4]。研究中污水pH基本維持在6.5～7.5，因此溶解性H2S可忽略不計[9]。在排水管網(wǎng)上端設有氣體采集口，氣體采集口處配有夾子及集氣袋。微生物群落結構分析：完成測試后，取各種工況下生物膜進行微生物群落結構分析。微生物結構分析主要由環(huán)境樣品DNA抽取，設計合成引物接頭，PCR擴增，PCR產物定量與均一化，構建PE文庫以及Illumina測序，詳細的測定過程見文獻[11]。

2 結果與討論

2.1 m(C)/m(S)對甲烷、H2S產量及COD去除的影響分析

圖1 各階段下重力排水管中甲烷及H2S釋放量比較

圖1展示重力排水管長期運行中不同工況下甲烷及H2S的排放情況，可知，各工況下甲烷及H2S產生量隨時間呈現(xiàn)出上升的趨勢。在低m(C)/m(S)比(階段I)時，甲烷產生量較低，甲烷產量隨反應時間延長至30 d時，甲烷積累產量僅為15.9 g，H2S積累量為0.9 g。在反應時間為31～60 d，甲烷和H2S的積累量較緩慢，在階段Ⅱ內，甲烷和H2S的積累量分別為7.4、0.3 g，分別時階段Ⅰ的46.5%和33.3%，上述實驗結果表明適當升高m(C)/m(S)有助于降低反應體系內甲烷和H2S的積累。在階段Ⅲ中，m(C)/m(S)進一步升高至12，而此階段內甲烷和H2S的積累分別升高至37.4、10.5 g，說明過量m(C)/m(S)能夠促進甲烷和H2S的排放。當進入階段Ⅳ時，m(C)/m(S)進一步升高至16，此階段內甲烷和H2S量同階段Ⅲ相似，甲烷和H2S釋放量分別為35.9、9.8 g。上述實驗結果表明過高m(C)/m(S)導致甲烷和H2S的釋放與積累。

圖2進一步展示了各階段出水COD含量及其去除效率。由圖2可知，m(C)/m(S)由4升高至8時，出水COD的含量由258 mg/L升高至280 mg/L，相應的去除效率由56.9%下降至53.2%。當m(C)/m(S)進一步升高至12和16時，出水COD的濃度呈現(xiàn)下降趨勢并下降至214 mg/L和189 mg/L，相應的COD去除效率升高至64.2%和68.5%。m(C)/m(S)升高至12和16導致COD去除效率升高的原因可能在于模擬管道內異養(yǎng)微生物增多，且SRB代謝消耗所致。

圖2 各階段出水COD及其去除效率

2.2 m(C)/m(S)對各階段生物膜內產甲烷古菌及硫酸鹽還原菌的影響

m(C)/m(S)是影響產甲烷古菌和硫酸鹽還原菌競爭碳源的關鍵參數(shù)，因此，m(C)/m(S)對排水管網(wǎng)內壁生物膜種群群落結構至關重要[12]。細菌序列長度是微生物群落特征的一個重要參數(shù)，表1所示，m(C)/m(S)由4升高至8時，細菌序列長度由38 912降低至31 556，說明反應體系中細菌豐度下降。而m(C)/m(S)進一步升高至12和16時，細菌序列長度也隨之升高至41 581和42 569，說明細菌豐度增加。

表1 m(C)/m(S)對重力排水管網(wǎng)中生物膜細菌序列長度的影響

圖3進一步展示了各階段穩(wěn)定運行時期微生物群落特征。如圖3所示，Methanobacterium，Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter是產甲烷古菌的重要菌屬，其能夠充分利用水體中乙酸或者氫氣合成甲烷。當m(C)/m(S)=4時，Methanobacterium、Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter的占比分別為5.9%、10.3%和10.3%，而當m(C)/m(S)進一步升高至8時，上述關鍵均屬相對豐度則下降至6.1%、10.4%和10.6%，說明m(C)/m(S)的升高提高了產甲烷古菌的相對豐富。而當m(C)/m(S)進一步提高至12時，Methanobacterium、Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter的占比進一步提高至6.5%、11.2%和11.3%，該實驗結果與甲烷產量相一致。Desulfonema作為硫酸鹽還原菌中的絕對優(yōu)勢菌種在不同m(C)/m(S)條件下占比為 4.8%～5.6%，并且隨著m(C)/m(S)升高，Desulfonema的相對豐度呈現(xiàn)上升趨勢。Desulfotomaculum和Desulfovibrio同樣是H2S生產的重要菌屬，其生活習性是相似，在適宜的環(huán)境下(pH為6.8～7.5，溫度30～35 ℃)都是利用蘋果酸和磺酸鹽產生硫化氫[13-14]。Desulfonema可以利用丙酸等小分子脂肪酸作用電子供體合成H2S，Desulfonema相對豐度的下降是m(C)/m(S)升高導致H2S釋放量下降的原因之一。

圖3 m(C)/m(S)對重力排水管網(wǎng)生物膜微生物群落特征的影響

2.3 底物類型對產甲烷古菌和硫酸鹽還原菌競爭的影響

氫氣和乙酸是SRB與MA競爭的電子供體，污水管網(wǎng)中氫氣含量較低，因此本研究重點探究SRB與MA對排水管網(wǎng)中VFA(主要為乙酸鹽和丙酸鹽)競爭的影響。圖4為乙酸為碳源時，反應周期內乙酸鹽的含量隨時間呈現(xiàn)下降趨勢，并且在15 d后乙酸鹽的減少量逐漸變小，在25 d時，乙酸鹽的含量為101 mg/L。與此同時，硫酸鹽的含量同樣呈現(xiàn)下降趨勢，并且在時間為25 d時，硫酸鹽的含量下降至50 mg/L。H2S含量由0增加至7.2 mg，需要注意的是H2S在前10 d內釋放速率較快，釋放速率約為0.56 mg/d，而在后期H2S的釋放速率基本維持在0.11 mg/d。說明當乙酸鹽為唯一碳源時，重力排水管網(wǎng)中H2S的產量較低，并且H2S的釋放主要集中于前10 d。在圖4(b)中展示丙酸鹽為唯一碳源對H2S釋放的影響。丙酸鹽的含量隨時間同樣呈現(xiàn)下降的趨勢，同樣在前10 d，丙酸鹽的含量迅速下降至198 mg/L，丙酸鹽的降解速率約為19.8 mg/(L·d)，與此對應的硫酸鹽的含量同樣迅速下降，并且在10 d下降至79 mg/L。SRB會利用碳源提供了電子將硫酸鹽還原為H2S，H2S的產生量隨時間呈現(xiàn)出先急劇上升后緩慢上升的趨勢。H2S在前15 d內的產量約為8.7 mg，H2S的產生速率約為0.57 mg/d，與乙酸鹽作為碳源前10 d H2S的釋放速率相近。當以丙酸鹽為碳源時，反應體系中檢測到乙酸鹽。乙酸鹽的含量隨時間呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，乙酸鹽的含量最高值為72 mg/L，然后乙酸鹽的含量逐漸降低。上述實驗結果表明SRB首先利用反應體系內的丙酸鹽還原硫酸鹽產生H2S。此外，反應體系中還存在同型產乙酸菌，該類菌群利用丙酸鹽合成乙酸，這也是導致丙酸鹽含量下降的原因之一。在丙酸鹽為碳源的系統(tǒng)中，H2S的最大產量為10.3 mg，顯著高于以乙酸鹽為電子供體的系統(tǒng)，說明相較于乙酸鹽，SRB更能利用丙酸鹽還原硫酸鹽。

在實際廢水中碳源多以乙酸鹽和丙酸鹽混合，圖5進一步探究了m(C)/m(S)=4，初始pH=7.0 時，乙酸鹽和丙酸鹽混合(質量比為1:1)重力排水管網(wǎng)中碳源，硫酸鹽及H2S含量的變化。如圖5所示，初始乙酸鹽和丙酸鹽的含量均為250 mg/L，硫酸鹽的含量為125 mg/L。隨反應時間，乙酸鹽和丙酸鹽及硫酸鹽的含量呈現(xiàn)下降趨勢，在前15 d，乙酸鹽的含量下降至165 mg/L，其利用率約為34%，而此時丙酸鹽的含量則下降為102 mg/L，丙酸鹽的利用率約為59.2%，顯著高于乙酸鹽。上述結果表明在乙酸鹽和丙酸鹽混合體系中，SRB對混合體系中丙酸的利用較高。硫酸鹽的含量隨時間逐漸下降，并且在15 d時下降至85 mg/L，該含量同樣高于丙酸鹽為單一碳源體系，說明在混合碳源體系中硫酸鹽的還原率下降。在混合碳源體系中，H2S的最大產量為9.4 mg，處于乙酸鹽和丙酸鹽單一碳源之間。

圖5 乙酸鹽和丙酸鹽為混合碳源對H2S釋放的影響

SRB中關鍵酶的活性對H2S的釋放同樣具有絕對性作用，表2展示了不同碳源情況下，SRB內多種功能酶細胞色素酶，紅素還原酶，鐵還原酶及過氧化氫酶的相對活性。當以丙酸鹽為單一碳源時，細胞色素酶，紅素還原酶，鐵還原酶及過氧化氫酶的活性分別提高至124%、112%、135%和114%，說明丙酸為單一碳源較乙酸鹽為單一碳源時SRB的活性高，這也是該條件下H2S釋放量高的原因之一。當混合體系中碳源變?yōu)橐宜猁}和丙酸鹽混合時，上述關鍵酶的活性較單獨乙酸鹽作為碳源時高，但低于丙酸鹽作為單一碳源組別，該結果進一步證實了SRB更偏愛丙酸鹽作為電子供體。徐警衛(wèi)[14]研究同樣表明在不同初始pH下SRB利用丙酸鹽的效率要高于乙酸鹽。

表2 不同碳源對SRB體內功能酶活性的影響

注：以乙酸鹽為單一碳源時SRB體內各種關鍵酶活性定義為100%。

3 結論

(1)m(C)/m(S)對重力排水管網(wǎng)中甲烷及H2S的釋放規(guī)律具有影響，且當m(C)/m(S)由4升高至8時，甲烷及H2S的釋放量由15.9 g和0.9 g下降至7.4 g和0.3 g，然而進一步升高m(C)/m(S)至16時，甲烷和H2S的釋放量顯著提高。

(2)m(C)/m(S)升高促進了產甲烷菌的相對豐度，當m(C)/m(S)=4時，Methanobacterium、Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter的占比分別為5.9%、10.3%和10.3%，而當m(C)/m(S)進一步升高至8時，上述關鍵均屬相對豐度則下降至6.1%、10.4%和10.6%。此外，m(C)/m(S)升高，Desulfonema的相對豐度呈現(xiàn)上升趨勢

(3)碳源對SRB活性影響表明相較于乙酸鹽，SRB更易利用丙酸鹽作為電子供體。丙酸鹽作為電子供體時，重力排水管網(wǎng)中H2S的釋放量增加。