污水管道生物膜大揭秘

水處理網(wǎng)訊:“污水管道生物膜是污水管道生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)、影響因素以及物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化功能的研究對于豐富污水管道認知、優(yōu)化污水管道管理具有重要意義，亦可為科學(xué)研究和政府決策提供支撐?！蔽鬯艿郎锬さ沫h(huán)境功能

有利功能：預(yù)處理污水，去除污水中部分COD和總氮，降低污水廠負荷。

不利功能：產(chǎn)生CH4和H2S等代謝產(chǎn)物，危害管道安全和人體健康；加速管道腐蝕，增加管道運維成本。

污水管道生物膜結(jié)構(gòu)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)：一般而言，污水管道生物膜的厚度在1mm左右。污水管道生物膜由無機物（水、無機鹽）和有機物（微生物、胞外聚合物）組成。有機物中主要為胞外聚合物，以蛋白質(zhì)為主，而微生物僅占有機物總量15%，每克干重生物膜含約108-1012個微生物。

群落結(jié)構(gòu)：污水管道生物膜群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前研究較多的是細菌和古菌。從分類的角度講，細菌以變形菌門為優(yōu)勢菌，擬桿菌門、厚壁菌門以及放線菌門亦有大量分布。從功能菌的角度講，發(fā)酵細菌主要有Trichococcus和Cloacibacterium，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌主要有Veillonella和Anaerolinea，反硝化細菌主要有Rhodobacter和Dechloromonas，硫酸鹽還原菌主要有Desulfomicrobium和Desulfobacter，硫氧化菌主要有Sphingomonas和Acidiphilium，產(chǎn)甲烷古菌主要有Methanosaeta和Methanothrix。

污水管道生物膜的影響因素

a) 污水管道運行模式

運行模式對污水管道生物膜的影響，其核心是污水溶解氧的影響。以最為常見的重力流管道和壓力流管道為例進行分析（圖1）。通風(fēng)良好的重力流管道由于污水上方存在空氣，污水溶解氧相對較高，管道生物膜表層以好氧菌為主，里層以缺氧菌和厭氧菌為主。通風(fēng)不良的重力流管道由于復(fù)氧過程較弱，污水溶解氧的長期低于0.5 mg/L，形成的管道生物膜主要以缺氧菌和厭氧菌為主。壓力流管道由于管道被污水充滿，沒有空氣進行復(fù)氧過程，管道環(huán)境基本處于厭氧狀態(tài)，形成的生物膜基本為厭氧菌。

b) 污水水質(zhì)污水在管道輸送的過程中，由于管道生物膜和懸浮微生物的降解作用，水質(zhì)逐漸發(fā)生變化，進而改變管道生物膜的群落結(jié)構(gòu)。在通風(fēng)不良的管道中，隨著管道長度的增加，污水中的溶解氧逐漸降低，管道環(huán)境逐漸向缺氧和厭氧方向發(fā)展，生物膜中產(chǎn)甲烷古菌和硫酸鹽還原菌的豐度逐漸升高。在通風(fēng)良好的管道中，溶解氧在管道沿程方向變化相對較小，生物膜縱向厚度上的溶解氧變化導(dǎo)致的生物膜群落結(jié)構(gòu)差異顯著。污水pH整體相對變化不大，但是在局部微環(huán)境中的pH變化會顯著改變局部生物膜群落結(jié)構(gòu)，相關(guān)的研究在管道腐蝕領(lǐng)域較多。

c) 剪切應(yīng)力

污水在管道流動的過程中，管壁處的流體剪切應(yīng)力對生物膜具有顯著影響。重力流污水管道為防止管道淤積，一般需要保持0.6-0.75 m/s的污水流速，對應(yīng)的剪切應(yīng)力約為1-2N/m2。一般而言，低剪切應(yīng)力的環(huán)境容易形成管道沉積物，促進生物膜的形成；高剪切應(yīng)力的環(huán)境容易降低生物膜中的微生物多樣性并減緩生物膜的生長過程。

d) 其他

管材對生物膜也有重要影響。一般而言，世界上的污水管道應(yīng)用最為廣泛的是混凝土管道和塑料管道。塑料管道由于在耐腐蝕性和運輸安裝成本方面明顯優(yōu)于混凝土管道，其應(yīng)用越來越廣泛。但是，混凝土管道內(nèi)生物膜的H2S氧化速率大約高于塑料管道兩個數(shù)量級，將混凝土管道替換為塑料管道可能會增加管道中H2S的濃度，改變生物膜群落結(jié)構(gòu)。這種管材替換雖然降低了管道運輸安裝的建設(shè)成本和管道腐蝕方面的運維成本，但是可能增加管道H2S的積累。污水停留時間和A/V (潤濕面積/污水體積) 對硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷古菌有一定的影響。物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化

a) 有機物

污水中的有機物在管道生物膜和懸浮微生物的作用下，可以被逐漸降解為揮發(fā)性脂肪酸、CH4和CO2。其中，管道生物膜產(chǎn)甲烷過程是非常值得關(guān)注的。一般而言，微生物的產(chǎn)甲烷過程有三種通路，即乙酸型、甲醇型和CO2型，污水管道生物膜主要通過乙酸型通路產(chǎn)甲烷，其中最為主要的產(chǎn)甲烷菌為Methanosaeta和Methanothrix（圖2）。一般而言，管道產(chǎn)甲烷過程更傾向于發(fā)生在高COD、長水力停留時間以及高A/V的厭/缺氧管道內(nèi)。因此，在通風(fēng)不良的流速較慢的重力流管道和壓力流管道內(nèi)應(yīng)格外注意產(chǎn)甲烷風(fēng)險。大量研究探索了采用投加化學(xué)藥劑的方法來控制管道產(chǎn)甲烷過程，例如投加堿、鐵鹽、氮的氧化物以及氧氣等。其中，向壓力流管道中投加堿、鐵鹽和硝酸鹽是較為有效安全的管道產(chǎn)甲烷控制措施。在重力流管道中，維持較高的污水流速并保持良好的管道通風(fēng)是更好的長期管控手段。

b)硫

污水中的硫酸鹽可以在厭氧條件下被硫酸鹽還原菌還原為H2S，H2S繼而被硫氧化菌氧化為單質(zhì)硫和硫酸鹽。H2S氣體是一種具有惡臭的有毒氣體，其氧化形成的硫酸可以加速管道的腐蝕。Desulfomicrobium、Desulfobacter和Desulfuromonas是污水管道中較為常見的硫酸鹽還原菌，而Acidiphilium、Thiomonas和Thiobacillus是較為常見的硫氧化菌（圖3）。H2S較易在高溫、長水力停留時間以及高COD濃度的管道中大量產(chǎn)生。可以采用強化管道通風(fēng)、提高管道坡度以及取消化糞池等手段降低H2S產(chǎn)生量。另外，投加硝酸鹽、亞硝酸鹽、堿、鐵鹽以及氧氣等方案都可以降低管道H2S的產(chǎn)量，其中加堿升高污水pH是最為有效的控制方案。但是，從長期看，優(yōu)化管道設(shè)計和施工水平，保持良好的管道通風(fēng)并降低污水停留時間才是更好的控制手段。

c) 氮

污水管道生物膜中存在氮循環(huán)功能菌，例如反硝化菌和固氮菌等（圖4）。在污水處理設(shè)施中常見的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌在污水管道生物膜中豐度很低，主要是由于管道整體的缺氧環(huán)境和污水中豐富的有機物強化了生長迅速的異養(yǎng)型細菌的增殖，而自養(yǎng)型的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌被逐漸淘汰。污水管道中可以發(fā)生顯著的反硝化過程，去除污水中部分硝酸鹽。宏基因組測序的研究結(jié)果也證明，污水管道生物膜中反硝化功能基因是所有氮循環(huán)功能基因中豐度最高的。但是，目前關(guān)于污水管道氮循環(huán)的研究相比于有機物降解研究和硫代謝研究仍然明顯不足。

d) 新型微污染物

污水管道中一些新型微污染物（包括部分生物標(biāo)記物、抗性基因以及人工納米材料等）存在遷移轉(zhuǎn)化過程。一些基于污水的流行病學(xué)研究，研究了毒品、煙草和酒精等生物標(biāo)志物在污水管道中的變化過程，通過獲得的結(jié)論預(yù)測區(qū)域內(nèi)毒品、煙草以及酒精等在人群中的使用情況，取得了不錯的預(yù)測效果。污水管道生物膜中含有大量的抗性基因，是抗性基因的源和匯之一，具有潛在的安全風(fēng)險。污水管道生物膜在代謝過程中產(chǎn)生了大量的代謝物，例如硫化物、半胱氨酸以及組氨酸等，可以與污水中的人工納米材料絡(luò)合，影響其在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為。展望污水管道微生物研究主要集中在市政污水管道上，然而應(yīng)用廣泛的真空流污水管道、農(nóng)村污水管道以及工業(yè)污水管道中生物膜的研究仍然缺乏，需進一步探究。

已有管道生物膜結(jié)果多基于實驗室規(guī)模的穩(wěn)定流態(tài)研究，而現(xiàn)實中的污水管道大多處于變化流態(tài)中。流態(tài)的變化會導(dǎo)致剪切應(yīng)力的變化，進而影響管道生物膜的特性。因此，未來研究應(yīng)關(guān)注流態(tài)變化對于管道生物膜的影響。

近年來，動態(tài)模型已應(yīng)用于污水處理反應(yīng)器的研究并獲得了不錯的模擬結(jié)果，其可進一步應(yīng)用于管道生物膜的模擬研究中。

污水管道生物膜對于氮和新型污染物遷移轉(zhuǎn)化的研究尚不足，需進一步深入探究。

原標(biāo)題:污水管道生物膜大揭秘