流態(tài)變化對(duì)污水管網(wǎng)沉積污染物分布及轉(zhuǎn)化的影響

石 烜,田嘉盟,任 博,高 歌,金 鑫,王曉昌,金鵬康 (西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

城市污水中攜帶有豐富的顆粒態(tài)污染物質(zhì),在污水管網(wǎng)輸送過(guò)程中受重力作用會(huì)逐漸沉積于管道底部形成沉積層,帶來(lái)的管道淤積是制約污水管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)污水輸送的重要因素[1-3].同時(shí)沉積層中的污染物質(zhì)為微生物繁衍增殖的環(huán)境基礎(chǔ),其中厭氧微生物代謝產(chǎn)生了大量的甲烷、硫化氫等有毒有害氣體,顯著威脅了管網(wǎng)的安全運(yùn)行[4-5].

在污水管網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的輸送過(guò)程中,污水流態(tài)對(duì)沉積層的沖刷沉積以及微生物的生化作用對(duì)系統(tǒng)中碳、氮、硫類(lèi)污染物質(zhì)含量的變化產(chǎn)生重要的影響.研究表明,污水管道內(nèi)復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)顆粒態(tài)污染物輸移產(chǎn)生較強(qiáng)的滯留作用,同時(shí)影響污水管道的正常運(yùn)行[6].隨著流速的增加,水流沖刷強(qiáng)度加大,污水中吸附在大顆粒上的有機(jī)污染物占比顯著增加,而吸附在較小顆粒上的氮、磷類(lèi)污染物占比減幅較小[7].研究發(fā)現(xiàn)[8],流經(jīng)管道的污水水質(zhì)發(fā)生了變化,SCOD濃度降低,且沉積物中微生物和污水中的微生物對(duì)其降解各占 60%和 40%.同時(shí),受到污水沖刷,沉積層釋放污染物進(jìn)入到水體中,會(huì)造成水體污染[9-11].

目前,有關(guān)污水管網(wǎng)的研究主要集中在污水與沉積物之間污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及沉積沖刷模型[12-13]等方面,污水管網(wǎng)匯流點(diǎn)位是連接不同管段重要的組成部分,因其不同管道匯流所帶來(lái)的復(fù)雜水力作用,污染物在匯流區(qū)域會(huì)產(chǎn)生與管段內(nèi)部不同沉積、轉(zhuǎn)化特性,但相關(guān)研究較少.本研究建立一套污水管網(wǎng)匯流管式反應(yīng)器,模擬不同匯流流態(tài)下的城市污水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),探索匯流區(qū)域沉積污染物分布特征,利用微生物測(cè)序手段,研究不同匯流流態(tài)下以碳、氮、硫類(lèi)污染物為基質(zhì)進(jìn)行代謝的功能性微生物繁衍特性,旨在為污水管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

城市污水匯流管道模擬反應(yīng)器為管徑200mm的有機(jī)玻璃管,總有效長(zhǎng)度16m,支管管徑100mm的有機(jī)玻璃管,總有效長(zhǎng)度 8m,為了模擬實(shí)際污水管道重力式水流狀態(tài),坡度均設(shè)置為5‰,干管轉(zhuǎn)彎處通過(guò)尺寸D×H為400mm×600mm的圓柱形檢查井連接,連接口均使用法蘭、橡膠圈密封,保證系統(tǒng)的密閉性,內(nèi)部設(shè)有擋板為保證水流流態(tài).每段模擬管段上均設(shè)有取樣點(diǎn),便于觀察模擬管段內(nèi)的水流狀態(tài).由于系統(tǒng)體積較大,為保證其內(nèi)部溫度恒定與抑制光照藻類(lèi)生長(zhǎng),管道外部均包有20mm厚的保溫材料.

整個(gè)系統(tǒng)在室溫下運(yùn)行,系統(tǒng)通過(guò)潛污泵將實(shí)驗(yàn)用水提升至模擬管道系統(tǒng)的循環(huán)水箱,進(jìn)行內(nèi)循環(huán)模擬實(shí)際污水管網(wǎng).實(shí)驗(yàn)初期 100d,系統(tǒng)在干管、支管均為 0.2m/s的低流速狀態(tài)下運(yùn)行,穩(wěn)定沉積層生物相.之后每隔30d天轉(zhuǎn)變1次流態(tài),前30d內(nèi),干管0.2m/s、支管0.2m/s(干低支低);運(yùn)行30～60d,增大支管流量,干管 0.20m/s、支管 0.5m/s(干低支高);運(yùn)行 60～80d,增大干管流量,干管0.5m/s、支管 0.2m/s(干高支低).

1.2 原水水質(zhì)

城市污水匯流管道模擬反應(yīng)器使用西安市第五污水處理廠進(jìn)水作為原水,原水中所攜帶的顆粒態(tài)物質(zhì)沉降可促使沉積層的形成.原水水質(zhì)如下:固體懸浮物濃度 SS=(580±100)mg/L;揮發(fā)性懸浮物濃度 VSS=(390±70)mg/L;總化學(xué)需氧量 TCOD=(610±100)mg/L;溶解性化學(xué)需氧量SCOD=(270±50)mg/L;總氮 TN=(55±3)mg/L;氨氮 NH3-N=(34±8)mg/L;總磷=(7.3±0.6)mg/L;pH=7.0±0.5.

1.3 取樣方法

反應(yīng)器共設(shè) 4個(gè)取樣點(diǎn),分別位于干管距匯流口2m處、支管距匯流口1m處、匯流口、匯流口后2m處,在每一運(yùn)行周期沉積層生物相繁殖穩(wěn)定之后,選取固定取樣口采集沉積物樣品,每一取樣點(diǎn)取上、中、下3層沉積物,樣品取出后放入無(wú)菌培養(yǎng)皿中,送至實(shí)驗(yàn)室-80℃超低溫冰箱保存,分別進(jìn)行常規(guī)污染物、DO、ORP以及微生物的測(cè)試.

1.4 分析方法

1.4.1 DO、ORP分析方法 對(duì)系統(tǒng)污水中的 DO與ORP進(jìn)行測(cè)定使用HQ30d便攜式測(cè)定儀(HACH.USA).沉積物中的 DO 與 ORP,使用微電極儀器(Unisense Denmark)進(jìn)行檢測(cè),各電極的頂端直徑均為 10μm.使用 N2吹脫后的超純水為基液,將沉積物樣品固定于尼龍網(wǎng)上保持靜止,將微電極自表層向內(nèi)穿透沉積物分析其內(nèi)部環(huán)境因子的變化[14].

1.4.2 常規(guī)污染物分析方法 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)TCOD、SCOD、TN、NH3-N、NO3-N、硫酸鹽、硫化物均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[15].

1.4.3 微生物種群分析方法 微生物種群采用16S高通量測(cè)序分析,由北京諾禾致源生物信息科技有限公司依照以下步驟展開(kāi)[16-18]:

(1)DNA提取與檢測(cè):使用試劑盒提取樣品中的DNA之后,使用濃度為 1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)所提取出來(lái)的DNA.

(2)PCR擴(kuò)增:提前選定所需測(cè)序的區(qū)域,依據(jù)此合成特異性引物,PCR 檢測(cè)所選取 ABI GeneAmp?9700型的PCR儀器,每個(gè)DNA樣品設(shè)置兩個(gè)平行樣本,一共 3個(gè)重復(fù)樣本按照全部實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行檢測(cè)分析,PCR擴(kuò)增完成之后,將屬于各個(gè)樣本的重復(fù) PCR產(chǎn)物進(jìn)行混合,并使用瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行跑帶操作,然后割膠回收不同樣本的 PCR產(chǎn)物,接下來(lái)使用Tris-HCl溶液進(jìn)行洗脫;最后再使用2%濃度的瓊脂糖電泳進(jìn)行驗(yàn)證分析.

(3)Miseq文庫(kù)構(gòu)建:使用PCR方法將接頭序列拼接到目標(biāo)區(qū)域外端,然后接著使用凝膠回收試劑盒割膠回收PCR的產(chǎn)物,對(duì)回收的產(chǎn)物進(jìn)行洗脫,使用瓊脂糖電泳進(jìn)行檢測(cè),最后進(jìn)行氫氧化鈉變性過(guò)程,使目標(biāo)DNA形成單鏈條的片段.

(4)Miseq測(cè)序:首先在DNA片段兩端加上序列已知的通用接頭構(gòu)建文庫(kù),文庫(kù)加載到測(cè)序芯片F(xiàn)lowcell上,文庫(kù)兩端的已知序列與Flowcell基底上的 Oligo序列互補(bǔ),每條文庫(kù)片段都經(jīng)過(guò)橋式 PCR擴(kuò)增形成一個(gè)簇,測(cè)序時(shí)采用邊合成邊測(cè)序反應(yīng),即在堿基延伸過(guò)程中,每個(gè)循環(huán)反應(yīng)只能延伸一個(gè)正確互補(bǔ)的堿基,根據(jù) 4種不同的熒光信號(hào)確認(rèn)堿基種類(lèi),保證最終的核酸序列質(zhì)量,經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)后,完整讀取核酸序列.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同匯流流速下管網(wǎng)沉積層內(nèi) DO、ORP的變化規(guī)律

由圖 1(a)可以看出,在沉積物表層,因與污水直接接觸,具有較強(qiáng)的好氧性,沿沉積層縱深的變化,逐漸由好氧轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài),以干管高流速、支管低流速下的狀態(tài)為例,在0,2,4cm的縱深處,DO含量分別為0.54,0.35,0.12mg/L.在干管、支管低流速的狀態(tài)下,表層 DO 含量最低,這是由于低流速狀態(tài)下,污水對(duì)沉積層的沖刷效果最弱,DO進(jìn)入沉積層內(nèi)部的含量最低,增加干管或支管流速后,表層 DO含量升高,其中干管高流速、支管低流速具有最高的表層含量,高達(dá) 0.54mg/L.而在沉積層底部,由于致密沉積層的存在,阻礙了溶解氧的滲透作用,不同匯流流速下,溶解氧沒(méi)有顯著的差異,僅有0.03～0.12mg/L.

如圖 1(b)所示,在上層水體自然復(fù)氧狀態(tài)下從沉積層上層至最下層,不同深度沉積層 ORP數(shù)值不斷下降.其中,3種匯流流態(tài)下沉積層表面 ORP為-63～-29mV,處于弱還原狀態(tài);而在沉積物底層處,沉積層的ORP為-289～-221mV,處于強(qiáng)還原狀態(tài),此區(qū)域也是厭氧硫酸鹽被還原的位置,在此處有大量的硫化氫、硫化物產(chǎn)生.同時(shí),可以看到在干管、支管低流速的狀態(tài)下,沉積物底層 ORP最低,為-289mV,這種狀態(tài)下沉積物中硫化物積累量最多.

圖1 不同流態(tài)下匯流區(qū)域后不同沉積層DO、ORP的變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of DO and ORP of different sedimentary layers in confluence area under different flow patterns

2.2 不同匯流流速下管網(wǎng)沉積層污染物分布特性

如圖 2所示,隨著沉積層深度的變化,TCOD和SCOD均表現(xiàn)為持續(xù)下降的趨勢(shì),以干管、支管低流速的匯流狀態(tài)為例,在沉積層表面、縱深 2cm 處、縱深 4cm處 TCOD的濃度分別為 13900～14800,10800～12500,9760～11300mg/g;SCOD的濃度分別為246～267,199～236,153～174mg/g.這是由于沉積物表層直接與污水相接觸,污水中的有機(jī)污染物質(zhì)沉降到沉積層表面,而在沉積層內(nèi)部受到污水的沖刷沉積作用較弱,TCOD、SCOD的濃度相對(duì)降低.且沉積層中微生物的生化作用也會(huì)對(duì)有機(jī)污染物起到一定的降解作用,但微生物的生化作用比物理沖刷沉降對(duì)污染物的含量影響可以忽略.增加干管或支管流速,污水沖刷作用增強(qiáng),污染物顆粒沉降作用減弱,對(duì)應(yīng)區(qū)域的TCOD、SCOD濃度均有所降低.

從圖2可以看出,TN濃度沿沉積層垂直方向呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),以干管、支管低流速的匯流狀態(tài)為例,在匯流點(diǎn)沉積層表面、縱深2cm處、縱深4cm處TN的濃度分別為201,154,127mg/g.這是由于沉積層表面的孔隙率更大,吸附污水中的氮類(lèi)污染物的能力更強(qiáng),隨著沉積層深度的增加,沉積層更加致密,孔隙率降低,吸收污染物的能力減弱.同時(shí),增大管道流速,污水對(duì)沉積層的沖刷作用加強(qiáng),更多的顆粒態(tài)污染物質(zhì)從沉積層剝離進(jìn)入污水中,TN的濃度在沉積層垂直方向變化較大.NH3-N、NO3-N來(lái)源于污水中原本攜帶的污染物質(zhì)以及 TN降解轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物,同樣受到污水的沖刷沉積作用而與TN具有在沉積層中類(lèi)似的分布規(guī)律.

圖2 不同匯流流態(tài)下碳、氮、硫類(lèi)污染物沿沉積層縱深的變化規(guī)律Fig.2 Variation rules of carbon, nitrogen and sulfur pollutants along the depth of sedimentary layer under different confluence flow patterns

由于污水的沖刷沉積作用,沿縱深方向沉積層中的硫酸鹽含量逐漸降低,以干管、支管低流速的匯流狀態(tài)為例,在匯流點(diǎn)沉積層表面、縱深 2cm處、縱深4cm處硫酸鹽的濃度分別為0.49,0.36,0.21mg/g,同時(shí),管道流速的增大,也會(huì)加強(qiáng)污水的沖刷作用,硫酸鹽濃度進(jìn)一步降低.而由于污水中原有硫化物的含量較低,沉降在沉積層表面的硫化物很少且硫酸鹽還原菌嚴(yán)格厭氧,在沉積層深處更有利于硫化物的產(chǎn)生,沿縱深方向沉積層中的硫化物含量逐漸升高,以干管、支管低流速的匯流狀態(tài)為例,在匯流點(diǎn)沉積層表面、2cm縱深處、4cm縱深處硫化物的濃度分別為0.57,0.68,0.94mg/g.

2.3 不同匯流流態(tài)下沉積層中微生物多樣性變化特征

利用匯流口后2m處沉積層生物相檢測(cè)到的種群數(shù)量(Observed species)反映不同匯流流速下污水匯流管道微生物的種群結(jié)構(gòu)[19],如圖 3所示,干管、支管低流速的匯流狀態(tài)下,沉積物具有具有最多的種群數(shù)量,這與沉積層 DO 的檢測(cè)結(jié)果相一致,低流速狀態(tài)下,污水對(duì)沉積層的沖刷作用最弱,沉積層受污水流速擾動(dòng)較小,DO含量最低,更有利于厭氧微生物的增長(zhǎng),增大干管、支管流速,污水對(duì)沉積層的沖刷作用加劇,攜帶污水中的溶解氧進(jìn)入沉積層中,不同程度的影響微生物的繁殖.

由圖 3還可見(jiàn),干管、支管低流速狀態(tài)下,微生物種群的多樣性最大,這是由于低流速狀態(tài)下不同沉積層氧化還原電位值具有最大的跨度,有利于不同種微生物的繁殖生長(zhǎng).

圖3 匯流區(qū)域后不同沉積層Observed species和Shannon indexFig.3 Observed species and Shannon Index of different sedimentary layers after confluents

為進(jìn)一步探明不同匯流流速下匯流管道沉積層不同縱斷面內(nèi)功能性微生物種群分布的差異性,利用三元相圖對(duì)3種匯流流速狀態(tài)下的微生物種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析.如圖 4(a)所示,匯流管網(wǎng)中甲烷絲菌屬(Methanosaeta)具有最高的豐度且在干管、支管低流速的匯流狀下是最優(yōu)勢(shì)的微生物種群,相對(duì)豐度高達(dá)12.38%,表明Methanosaeta是污水管道沉積物中最為優(yōu)勢(shì)的微生物種群.

如圖4(b)、(c)、(d)所示,在匯流管網(wǎng)沉積層表面變形菌門(mén)中的菌屬(Sulfuritortus)和廣古菌門(mén)中的菌屬(ferruginibacter)豐度最高,說(shuō)明這2種菌屬在好氧條件下具有更好的繁殖特性.其中Sulfuritortus在干管、支管低流速狀態(tài)下的沉積層表面相對(duì)豐度最高,高達(dá)10.88%,而ferruginibacter在干管高流速、支管低流速狀態(tài)下的沉積層表面聚集最多,相對(duì)豐度 4.35%.沿沉積層縱深向下,Sulfuritortus和 ferruginibacter的豐度逐漸降低,而甲烷絲菌屬(Methanosaeta)、產(chǎn)硫酸桿菌(Thiobacillus)和變形菌綱中的菌屬(Sulfurimonas)豐度逐漸增加.同時(shí),在沉積層的最深處,甲烷絲菌屬(Methanosaeta) 是最優(yōu)勢(shì)的微生物種群,在干管低流速、支管高流速的匯流狀態(tài)下相對(duì)豐度最高,高達(dá)17.00%,這表明在沉積層底部,強(qiáng)制厭氧以及低氧化還原電位的條件下, Methanosaeta具有最強(qiáng)的繁殖能力.

圖4 不同匯流流態(tài)下沉積層微生物種群分布Fig.4 Microbial population distribution in the sedimentary layer under different confluence flow states

2.4 不同匯流流態(tài)對(duì)沉積層內(nèi)功能性微生物分布 特性的影響

如圖 5所示,由于污水管網(wǎng)中存在嚴(yán)重的甲烷逸散現(xiàn)象,因此產(chǎn)甲烷菌(MA)必然是沉積物生物相中的重要組成部分,在 3種匯流流速狀態(tài)下Methanosaeta[20]均是產(chǎn)甲烷菌(MA)中最優(yōu)勢(shì)屬水平微生物種群,隨著支管、干管流速的增大,Methanosaeta的相對(duì)豐度逐漸降低,這是由于流速的增大一方面將沉積層中原有的碳源基質(zhì)剝離到污水中,減少了微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);另一方面造成沉積層內(nèi)部 DO的上升,抑制了厭氧菌屬M(fèi)ethanosaeta的產(chǎn)生.Desulfomicrobium是硫酸鹽還原菌(SRB)中主要的微生物菌屬[21].其中隨著支管、干管流速的增大,相對(duì)豐度逐漸降低,這是由于Desulfomicrobium屬厭氧菌,管道流速的增加會(huì)造成的水流紊動(dòng)會(huì)導(dǎo)致沉積層內(nèi)部溶解氧上升,抑制了Desulfomicrobium的產(chǎn)生,同時(shí)也造成了硫化細(xì)菌Thiobacillus種群豐度的增加,Thiobacillus[22]屬硫氧化細(xì)菌(SOB),好氧菌屬,能夠氧化硫化氫、元素硫、硫代硫酸鹽和連四硫酸鹽等,而形成硫酸,并從此過(guò)程中獲得能量.Caldisericum是水解發(fā)酵菌(FB)中最優(yōu)勢(shì)屬水平微生物種群[23], Caldisericum屬于兼性厭氧菌,適宜生長(zhǎng)在有機(jī)物質(zhì)含量較高的環(huán)境中,具有水解發(fā)酵的特性,同時(shí)隨支管、干管流速的上升,由于污水對(duì)沉積層的沖刷沉積,沉積層有機(jī)質(zhì)含量下降且溶解氧含量上升,Caldarium的相對(duì)豐度下降.以Denitratisoma為代表的反硝化細(xì)菌(DNB)數(shù)量極低[24],這是由于匯流管道處于厭氧環(huán)境,硝化反應(yīng)很難進(jìn)行,因此污水以及沉積層中的硝酸根含量極少,DNB難以進(jìn)行穩(wěn)定的代謝繁殖過(guò)程.

圖5 不同匯流條件下沉積層功能性微生物的相對(duì)豐度Fig.5 Relative abundance of functional microorganisms in sediments under different confluence conditions

綜上,城市污水匯流管網(wǎng)中污染物轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化是由多種生化反應(yīng)共同作用完成的,其中污水匯流管道中的污水對(duì)沉積層的沖刷沉積作用,造成沉積層內(nèi)部溶解氧以及污染物的分布變化,DO的不同為各類(lèi)屬種微生物提供了生長(zhǎng)繁殖的環(huán)境,而不同污染物質(zhì)為沉積層中的不同種類(lèi)微生物提供代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),微生物的繁殖反過(guò)來(lái)對(duì)污水中的污染物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的降解.

3 結(jié)論

3.1 城市污水匯流管網(wǎng)沉積層沿縱深方向 DO含量降低,ORP值降低且隨著管道流速的增加,DO含量在沉積層縱深方向呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì).

3.2 城市污水匯流管網(wǎng)模擬系統(tǒng)研究沿沉積層深度方向,COD、TN、NH3-N、NO3-N、硫酸鹽含量逐漸減低、硫化物含量逐漸升高,同時(shí)增大管道流速,污染物的濃度在沉積層垂直方向變化也相應(yīng)增大.

3.3 匯流管網(wǎng)中甲烷絲菌屬(Methanosaeta)具有最高的豐度且在干管、支管低流速的匯流狀下是最優(yōu)勢(shì)的微生物種群,并且沿沉積層縱深向下,變形菌門(mén)中的菌屬(Sulfuritortus)和廣古菌門(mén)中的菌屬(ferruginibacter)的豐度逐漸降低,而甲烷絲菌屬(Methanosaeta)、產(chǎn)硫酸桿菌(Thiobacillus)和變形菌綱中的菌屬(Sulfurimonas)豐度逐漸增加.

3.4 屬水平微生物種群 MA、SRB、SOB、FW、DNB在不同匯流流速的城市污水匯流管網(wǎng)中發(fā)生了優(yōu)勢(shì)種群的轉(zhuǎn)變,隨著支管、干管流速的增大,產(chǎn)甲烷菌(MA)中優(yōu)勢(shì)菌屬M(fèi)ethanosaeta、硫酸鹽還原菌(SRB)中優(yōu)勢(shì)菌屬Desulfomicrobium、水解發(fā)酵菌(FB)中優(yōu)勢(shì)菌屬Caldisericum的相對(duì)豐度逐漸減低,硫氧化細(xì)菌(SOB)中優(yōu)勢(shì)菌屬Thiobacillus相對(duì)豐度增加,以 Denitratisoma為代表的反硝化細(xì)菌(DNB)種群數(shù)量極低.