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污水管道生物膜大揭秘

编辑:上海马桶下水道疏通公司时间:2020-10-14

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  北极星水处理网讯:污水管道生物膜是污水管道生态系统的重要组成部分,其结构、影响因素、物质转移转化功能的研究对丰富污水管道认知、优化污水管道管理具有重要意义,也可以为科学研究和政府决策提供支持。污水管道生物膜的环保功能。

  有利功能:预处理污水,去除污水中的一部分COD和总氮,降低污水厂的负荷。

  不利功能:产生CH4和H2S等代谢产品,加快危害管道安全和人体健康的管道腐蚀,增加管道运输成本。

  污水管道生物膜结构。

  物质结构:一般来说,污水管道生物膜的厚度约为1毫米。污水管道生物膜由无机物(水、无机盐)和有机物(微生物、细胞外聚合物)构成。有机物中主要细胞外聚合物,以蛋白质为主,微生物只占有机物总量的15%,每克干重生物膜约含有108-1012个微生物。

  群落结构:污水管生物膜群落结构复杂,目前多研究细菌和古菌。从分类的角度来看,细菌以变形菌门为优势菌,杆菌门、厚壁菌门、放线菌门也大量分布。从功能菌的角度来看,发酵细菌主要有Trichoccus和Cloacibacterium,生产氢乙酸菌主要有Veillonela和Anaerolinea,反硝化细菌主要有Rhodobacter和Dechloronas,硫酸盐还原菌主要有Desulfomicrobium和Desulfobacter,硫氧化菌主要有Sphingomonas和Acidiphililium,生产甲烷古菌主要有Mesusulfomicromi和Desumicrobacrobacrobacte。

  污水管道生物膜的影响因素。

  a)污水管道运行模式。

  运行模式对污水管道生物膜的影响,其核心是污水溶解氧的影响。以最常见的重力流管和压力流管为例进行分析(图1)。通风良好的重力流管道由于污水上方存在空气,污水溶解氧相对较高,管道生物膜表层以好氧菌为主,内层以缺氧菌和厌氧菌为主。通风不良的重力流管道由于复氧过程较弱,污水溶解氧的长期低于0.5毫克/L,形成的管道生物膜主要以缺氧菌和厌氧菌为主。压力流管道由于管道充满污水,没有空气复氧过程,管道环境基本处于厌氧状态,形成的生物膜基本上是厌氧菌。

  b)污水水质污水在管道运输过程中,由于管道生物膜和悬浮微生物的分解作用,水质逐渐变化,改变了管道生物膜的群落结构。在通风不良的管道中,随着管道长短的增加,污水中的溶解氧逐渐降低,管道环境逐渐向缺氧和厌氧方向发展,生物膜中甲烷古菌和硫酸盐还原菌的丰富度逐渐提高。在通风良好的管道中,溶解氧在管道沿途的方向变化比较小,生物膜纵向厚度的溶解氧变化引起的生物膜群落结构差异显着。污水pH整体相对变化较小,但局部微环境中的pH变化显着改变局部生物膜群落结构,相关研究在管道腐蚀领域较多。

  c)剪切应力。

  污水在管道流动过程中,管壁流体剪切应力对生物膜有显着影响。重力流污水管道一般需要保持0.6-0.75m/s的污水流速,相应的剪切应力约为1-2N/m2。一般来说,低剪应力的环境容易形成管道沉积物,促进生物膜的形成,高剪应力的环境容易降低生物膜中微生物的多样性,缓和生物膜的生长过程。

  d)其他。

  管材对生物膜也有重要影响。一般来说,世界污水管道应用最广泛的是混凝土管道和塑料管道。塑料管在耐腐蚀性和运输安装成本方面明显优于混凝土管,因此其应用越来越广泛。但混凝土管内生物膜的H2S氧化速率大约高于塑料管两个数量级,如果将混凝土管替换成塑料管,可能会增加管内H2S的浓度,改变生物膜的群落结构。这种管材更换降低了管道运输设置的建设成本和管道腐蚀的运输成本,但有可能增加管道H2S的积累。污水停留时间和A/V(湿润面积/污水体积)对硫酸盐还原菌和甲烷古菌的生产有一定的影响。物质转移转换。

  a)有机物。

  污水中的有机物在管道生物膜和悬浮微生物的作用下,可逐渐分解为挥发性脂肪酸、CH4和CO2。其中,管道生物膜生产甲烷的过程值得关注。一般来说,微生物甲烷的生产过程有乙酸型、甲醇型、CO2型三种通道,污水管道生物膜主要通过乙酸型通道生产甲烷,其中最主要的甲烷菌是Methanosa和Methanothrix(图2)。一般来说,管道生产甲烷的过程倾向于发生在高COD、长水力停留时间、高A/V的厌恶/缺氧管道中。因此,通风不良流速慢的重力流管和压力流管内应特别注意甲烷的风险。大量研究探索了投入化学药剂的方法,控制管道生产甲烷的过程,如投入碱、铁盐、氮的氧化物、氧等。其中,在压力流管道中加入碱、铁盐和硝酸盐是有效安全的管道生产甲烷的控制措施。在重力流管道中,维持高污水流速,维持良好的管道换气是更好的长期管理手段。

  b)硫。

  污水中的硫酸盐在厌氧条件下被硫酸盐还原为H2S,H2S被硫酸菌氧化为单质硫和硫酸盐。H2S气体是一种具有恶臭的有毒气体,其氧化形成的硫酸可以加速管道的腐蚀。Desulfomicrobium、Desulfobacter和Desulfuromonas是污水管道中常见的硫酸盐还原菌,Acidiphilium、Thiomonas和Thiobacillus是常见的硫氧化菌(图3)。H2S在高温、长水力停留时间、高COD浓度的配管中容易大量发生。加强管道换气,提高管道坡度,取消粪池等手段可以降低H2S的产量。此外,添加硝酸盐、亚硝酸盐、碱、铁盐和氧气可以降低管道H2S的产量,其中添加碱提高污水pH是最有效的控制方案。但从长远来看,优化管道设计和施工水平,保持良好的管道通风,降低污水停留时间是更好的控制手段。

  c)氮。

  污水管道生物膜中有氮循环功能菌,如反硝化菌和固氮菌(图4)。污水处理设施常见的氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌在污水管道生物膜中丰富度低,主要是因为整个管道的缺氧环境和污水中丰富的有机物加强了生长迅速的异养型细菌的增殖,自养型氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌逐渐被淘汰。污水管道可发生明显的反硝化过程,去除污水部分硝酸盐。宏基因组测序的研究结果也证明,污水管道生物膜中的反硝化功能基因是所有氮循环功能基因中最丰富的。但目前,污水管道氮循环的研究明显不足于有机物分解研究和硫代谢研究。

  d)新型微污染物。

  污水管道中的一些新型微污染物(包括一些生物标志物、抗性基因和人工纳米材料)有转移过程。根据污水流行病学研究,研究了毒品、烟草、酒精等生物标志物在污水管道中的变化过程,通过得到的结论预测了地区内毒品、烟草、酒精等在人群中的使用情况,取得了良好的预测效果。污水管道生物膜含有大量的抗性基因,是抗性基因的来源和汇率之一,具有潜在的安全风险。污水管道生物膜在代谢过程中产生了硫化物、半胱氨酸、组氨酸等多种代谢物,可与污水中的人工纳米材料结合,影响环境中的转移行为。展望。

  污水管道微生物研究主要集中在市政污水管道上,但应用广泛的真空流污水管道、农村污水管道、工业污水管道生物膜研究还不足,需要进一步探究。

  现有管道生物膜的结果大多基于实验室规模的稳定流态研究,但现实中的污水管道大多处于变化流态中。流态的变化会导致剪切应力的变化,从而影响管道生物膜的特性。因此,未来的研究应注意流态变化对管道生物膜的影响。

  近年来,动态模型应用于污水处理反应器的研究,取得了良好的模拟结果,可以进一步应用于管道生物膜的模拟研究。

  污水管道生物膜对氮和新型污染物转移转换的研究还不足,需要进一步深入探索。

  原标题:污水管道生物膜大揭秘。

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