碳硫質(zhì)量比及碳源種類調(diào)控重力排水管道內(nèi)甲烷及硫化氫排放特征

時(shí) 紅, 鄭杰榮

(太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

排水管網(wǎng)是城市公共設(shè)施的重要組成部分，其承擔(dān)污水和雨水的收集與輸送任務(wù)[1]。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)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(chǎn)甲烷菌及硫酸鹽還原菌，從而在污水在輸送過(guò)程中產(chǎn)生甲烷及硫化氫(H2S)[2]。據(jù)報(bào)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(shè)施產(chǎn)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(fèi)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(chǎn)生已成為研究的熱點(diǎn)[4]。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)采用的裝置為實(shí)驗(yàn)室搭建的聚氯乙烯(PVC)重力排水管道，兩端設(shè)有總體積為30 L，有效體積為25 L的儲(chǔ)水箱，中間采用排水管道連接，排水管道的長(zhǎng)度為12.0 m，內(nèi)徑為60 mm，坡度約為5‰，在管道內(nèi)部水面以下設(shè)有生物膜載體以便生物膜生長(zhǎng)及形成。此外，通過(guò)回流蠕動(dòng)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(nèi)部水流速度約為0.6 m/s，排水管網(wǎng)內(nèi)電子液壓系統(tǒng)控制為-300～-350 mV，溫度控制為35 ℃，pH通過(guò)高水位水箱內(nèi)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(zhì)

高水位水箱污水采用人工配水，以乙酸鈉和丙酸鈉(質(zhì)量比為2:1)為混合碳源，進(jìn)水化學(xué)需氧量(COD)的濃度約為600 mg/L。整個(gè)運(yùn)行周期約為120 d，該時(shí)期平均分為四個(gè)階段(階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)，在階段Ⅰ～Ⅳ中，控制進(jìn)水硫酸鹽(以Na2SO4計(jì))的質(zhì)量濃度，并保持m(C)/m(S)約為4、8、12和16。為了真實(shí)模擬實(shí)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(jìn)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(shè)置實(shí)驗(yàn)探究乙酸鹽，丙酸鹽為單獨(dú)碳源及乙酸鹽和丙酸鹽混合碳源對(duì)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(shí)驗(yàn)開(kāi)始前向管網(wǎng)內(nèi)充入氮?dú)庖耘艃艨諝獗ＷC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(cè)定，氣相色譜儀配有熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)色譜柱型號(hào)選為TDX-1填充柱，載氣為氮?dú)?，柱溫?0 ℃，進(jìn)樣口溫度為100 ℃，檢測(cè)器溫度為100 ℃。此外，污水中還可能含有溶解性甲烷，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取50 mL污水，進(jìn)行溶解性甲烷和COD含量測(cè)定，詳細(xì)的測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[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(jì)[9]。在排水管網(wǎng)上端設(shè)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(jié)構(gòu)分析：完成測(cè)試后，取各種工況下生物膜進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析。微生物結(jié)構(gòu)分析主要由環(huán)境樣品DNA抽取，設(shè)計(jì)合成引物接頭，PCR擴(kuò)增，PCR產(chǎn)物定量與均一化，構(gòu)建PE文庫(kù)以及Illumina測(cè)序，詳細(xì)的測(cè)定過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 m(C)/m(S)對(duì)甲烷、H2S產(chǎn)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(zhǎng)期運(yùn)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(chǎn)生量隨時(shí)間呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。在低m(C)/m(S)比(階段I)時(shí)，甲烷產(chǎn)生量較低，甲烷產(chǎn)量隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至30 d時(shí)，甲烷積累產(chǎn)量?jī)H為15.9 g，H2S積累量為0.9 g。在反應(yīng)時(shí)間為31～60 d，甲烷和H2S的積累量較緩慢，在階段Ⅱ內(nèi)，甲烷和H2S的積累量分別為7.4、0.3 g，分別時(shí)階段Ⅰ的46.5%和33.3%，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適當(dāng)升高m(C)/m(S)有助于降低反應(yīng)體系內(nèi)甲烷和H2S的積累。在階段Ⅲ中，m(C)/m(S)進(jìn)一步升高至12，而此階段內(nèi)甲烷和H2S的積累分別升高至37.4、10.5 g，說(shuō)明過(guò)量m(C)/m(S)能夠促進(jìn)甲烷和H2S的排放。當(dāng)進(jìn)入階段Ⅳ時(shí)，m(C)/m(S)進(jìn)一步升高至16，此階段內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過(guò)高m(C)/m(S)導(dǎo)致甲烷和H2S的釋放與積累。

圖2進(jìn)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(shí)，出水COD的含量由258 mg/L升高至280 mg/L，相應(yīng)的去除效率由56.9%下降至53.2%。當(dāng)m(C)/m(S)進(jìn)一步升高至12和16時(shí)，出水COD的濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)并下降至214 mg/L和189 mg/L，相應(yīng)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(dǎo)致COD去除效率升高的原因可能在于模擬管道內(nèi)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(duì)各階段生物膜內(nèi)產(chǎn)甲烷古菌及硫酸鹽還原菌的影響

m(C)/m(S)是影響產(chǎn)甲烷古菌和硫酸鹽還原菌競(jìng)爭(zhēng)碳源的關(guān)鍵參數(shù)，因此，m(C)/m(S)對(duì)排水管網(wǎng)內(nèi)壁生物膜種群群落結(jié)構(gòu)至關(guān)重要[12]。細(xì)菌序列長(zhǎng)度是微生物群落特征的一個(gè)重要參數(shù)，表1所示，m(C)/m(S)由4升高至8時(shí)，細(xì)菌序列長(zhǎng)度由38 912降低至31 556，說(shuō)明反應(yīng)體系中細(xì)菌豐度下降。而m(C)/m(S)進(jìn)一步升高至12和16時(shí)，細(xì)菌序列長(zhǎng)度也隨之升高至41 581和42 569，說(shuō)明細(xì)菌豐度增加。

表1 m(C)/m(S)對(duì)重力排水管網(wǎng)中生物膜細(xì)菌序列長(zhǎng)度的影響

圖3進(jìn)一步展示了各階段穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期微生物群落特征。如圖3所示，Methanobacterium，Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter是產(chǎn)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(dāng)m(C)/m(S)=4時(shí)，Methanobacterium、Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter的占比分別為5.9%、10.3%和10.3%，而當(dāng)m(C)/m(S)進(jìn)一步升高至8時(shí)，上述關(guān)鍵均屬相對(duì)豐度則下降至6.1%、10.4%和10.6%，說(shuō)明m(C)/m(S)的升高提高了產(chǎn)甲烷古菌的相對(duì)豐富。而當(dāng)m(C)/m(S)進(jìn)一步提高至12時(shí)，Methanobacterium、Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter的占比進(jìn)一步提高至6.5%、11.2%和11.3%，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與甲烷產(chǎn)量相一致。Desulfonema作為硫酸鹽還原菌中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)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(duì)豐度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。Desulfotomaculum和Desulfovibrio同樣是H2S生產(chǎn)的重要菌屬，其生活習(xí)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(píng)果酸和磺酸鹽產(chǎn)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(duì)豐度的下降是m(C)/m(S)升高導(dǎo)致H2S釋放量下降的原因之一。

圖3 m(C)/m(S)對(duì)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(duì)產(chǎn)甲烷古菌和硫酸鹽還原菌競(jìng)爭(zhēng)的影響

氫氣和乙酸是SRB與MA競(jìng)爭(zhēng)的電子供體，污水管網(wǎng)中氫氣含量較低，因此本研究重點(diǎn)探究SRB與MA對(duì)排水管網(wǎng)中VFA(主要為乙酸鹽和丙酸鹽)競(jìng)爭(zhēng)的影響。圖4為乙酸為碳源時(shí)，反應(yīng)周期內(nèi)乙酸鹽的含量隨時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且在15 d后乙酸鹽的減少量逐漸變小，在25 d時(shí)，乙酸鹽的含量為101 mg/L。與此同時(shí)，硫酸鹽的含量同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且在時(shí)間為25 d時(shí)，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(nèi)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(shuō)明當(dāng)乙酸鹽為唯一碳源時(shí)，重力排水管網(wǎng)中H2S的產(chǎn)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(duì)H2S釋放的影響。丙酸鹽的含量隨時(shí)間同樣呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，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(duì)應(yīng)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(huì)利用碳源提供了電子將硫酸鹽還原為H2S，H2S的產(chǎn)生量隨時(shí)間呈現(xiàn)出先急劇上升后緩慢上升的趨勢(shì)。H2S在前15 d內(nèi)的產(chǎn)量約為8.7 mg，H2S的產(chǎn)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(dāng)以丙酸鹽為碳源時(shí)，反應(yīng)體系中檢測(cè)到乙酸鹽。乙酸鹽的含量隨時(shí)間呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SRB首先利用反應(yīng)體系內(nèi)的丙酸鹽還原硫酸鹽產(chǎn)生H2S。此外，反應(yīng)體系中還存在同型產(chǎn)乙酸菌，該類菌群利用丙酸鹽合成乙酸，這也是導(dǎo)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(chǎn)量為10.3 mg，顯著高于以乙酸鹽為電子供體的系統(tǒng)，說(shuō)明相較于乙酸鹽，SRB更能利用丙酸鹽還原硫酸鹽。

在實(shí)際廢水中碳源多以乙酸鹽和丙酸鹽混合，圖5進(jìn)一步探究了m(C)/m(S)=4，初始pH=7.0 時(shí)，乙酸鹽和丙酸鹽混合(質(zhì)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(yīng)時(shí)間，乙酸鹽和丙酸鹽及硫酸鹽的含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，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(shí)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(jié)果表明在乙酸鹽和丙酸鹽混合體系中，SRB對(duì)混合體系中丙酸的利用較高。硫酸鹽的含量隨時(shí)間逐漸下降，并且在15 d時(shí)下降至85 mg/L，該含量同樣高于丙酸鹽為單一碳源體系，說(shuō)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(chǎn)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(duì)H2S釋放的影響

SRB中關(guān)鍵酶的活性對(duì)H2S的釋放同樣具有絕對(duì)性作用，表2展示了不同碳源情況下，SRB內(nèi)多種功能酶細(xì)胞色素酶，紅素還原酶，鐵還原酶及過(guò)氧化氫酶的相對(duì)活性。當(dāng)以丙酸鹽為單一碳源時(shí)，細(xì)胞色素酶，紅素還原酶，鐵還原酶及過(guò)氧化氫酶的活性分別提高至124%、112%、135%和114%，說(shuō)明丙酸為單一碳源較乙酸鹽為單一碳源時(shí)SRB的活性高，這也是該條件下H2S釋放量高的原因之一。當(dāng)混合體系中碳源變?yōu)橐宜猁}和丙酸鹽混合時(shí)，上述關(guān)鍵酶的活性較單獨(dú)乙酸鹽作為碳源時(shí)高，但低于丙酸鹽作為單一碳源組別，該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了SRB更偏愛(ài)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(duì)SRB體內(nèi)功能酶活性的影響

注：以乙酸鹽為單一碳源時(shí)SRB體內(nèi)各種關(guān)鍵酶活性定義為100%。

3 結(jié)論

(1)m(C)/m(S)對(duì)重力排水管網(wǎng)中甲烷及H2S的釋放規(guī)律具有影響，且當(dāng)m(C)/m(S)由4升高至8時(shí)，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(jìn)一步升高m(C)/m(S)至16時(shí)，甲烷和H2S的釋放量顯著提高。

(2)m(C)/m(S)升高促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度，當(dāng)m(C)/m(S)=4時(shí)，Methanobacterium、Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter的占比分別為5.9%、10.3%和10.3%，而當(dāng)m(C)/m(S)進(jìn)一步升高至8時(shí)，上述關(guān)鍵均屬相對(duì)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(duì)豐度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)

(3)碳源對(duì)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(shí)，重力排水管網(wǎng)中H2S的釋放量增加。