熱線：021-66110810,66110819
手機(jī)：13564362870
Greywater: Understanding biofilm bacteria succession, pollutant removal and low sulfide generation in small diameter gravity sewers
灰水：小口徑重力下水道中生物膜細(xì)菌演替、污染物去除及低硫化物生成的理解
來源：Journal of Cleaner Production, Volume 268, 2020, Article 122426
《清潔生產(chǎn)雜志》，第268卷，2020年，文章編號122426
摘要
本研究探討了采用小口徑重力下水道（SDGS）單獨(dú)收集灰水（生活廢水中除廁所污水外的部分）時(shí)，其生物膜內(nèi)的細(xì)菌特性、污染物去除能力及硫化物生成情況。通過運(yùn)行SDGS反應(yīng)器并結(jié)合定量聚合酶鏈反應(yīng)（qPCR）和高通量測序技術(shù)，進(jìn)行了為期90天的研究。結(jié)果表明，灰水SDGS生物膜的厚度（主要在1040-2120μm之間）、細(xì)菌數(shù)量（約4×10^8 個(gè)細(xì)胞/cm2）、細(xì)菌群落及功能菌分布均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）是優(yōu)勢菌門，假單胞菌屬（Pseudomonas）和腸桿菌屬（Enterobacter）豐度相對穩(wěn)定。硫酸鹽還原菌（SRB）和反硝化細(xì)菌（DNB）存在于生物膜中，SRB數(shù)量不依賴于溶解氧濃度，而與生物膜厚度呈線性關(guān)系。灰水SDGS能夠穩(wěn)定降低化學(xué)需氧量（COD），但對氮磷的去除效果不穩(wěn)定。研究證實(shí)，灰水SDGS產(chǎn)生的硫化物濃度極低（<0.08 mg L?1 km?1），這對下水道的運(yùn)行維護(hù)非常有利。本研究深入分析了灰水SDGS中的細(xì)菌群落和污染物去除情況，并確認(rèn)了其低硫化物生成的特性，有助于下水道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
研究目的
本研究旨在探究利用小口徑重力下水道（SDGS）單獨(dú)收集灰水時(shí)，其系統(tǒng)內(nèi)生物膜的細(xì)菌群落演替規(guī)律、對污染物的去除能力，以及硫化物生成的特征和強(qiáng)度，以評估灰水SDGS系統(tǒng)在污染物預(yù)處理和避免下水道腐蝕方面的潛力。
研究思路
1. 系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行：搭建5個(gè)串聯(lián)的實(shí)驗(yàn)室尺度反應(yīng)器（G1-G5）來模擬長達(dá)1000米的灰水SDGS系統(tǒng)，并連續(xù)運(yùn)行90天。
2. 水質(zhì)與生物膜表征：定期監(jiān)測灰水水質(zhì)（DO、pH、COD、TN、NH??-N、TP、硫酸鹽、硫化物）和生物膜物理參數(shù)（厚度、細(xì)菌總數(shù)）。
3. 微生物群落分析：運(yùn)用qPCR技術(shù)定量分析生物膜中的總細(xì)菌、SRB和DNB的絕對數(shù)量；利用Illumina高通量測序技術(shù)解析細(xì)菌群落的組成、多樣性和演替規(guī)律。
4. 功能與性能關(guān)聯(lián)：將微生物群落結(jié)構(gòu)、功能菌數(shù)量與系統(tǒng)的污染物（COD、N、P）去除效率及硫化物生成量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，闡明其內(nèi)在聯(lián)系。
測量的數(shù)據(jù)及研究意義
1. 生物膜厚度與細(xì)菌總數(shù)（來自圖2）：生物膜厚度在90天內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化，細(xì)菌數(shù)量穩(wěn)定在約4×10^8 cells/cm2。該數(shù)據(jù)揭示了灰水SDGS中生物膜獨(dú)特的生長動(dòng)力學(xué)（非傳統(tǒng)穩(wěn)定增厚），為其獨(dú)特的微環(huán)境提供了物理基礎(chǔ)。
2. 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與演替（來自圖3a, b）： Proteobacteria（60.39±12.31%）和Bacteroidetes（26.22±13.94%）是絕對優(yōu)勢門，Pseudomonas（14.47±6.59%）和Enterobacter（6.01±2.01%）是穩(wěn)定存在的屬。該數(shù)據(jù)表明灰水SDGS形成了獨(dú)特且隨時(shí)間演替的微生物生態(tài)系統(tǒng)，其中某些關(guān)鍵菌屬具有穩(wěn)定性。
3. 功能菌（SRB, DNB）的定量與分布（來自圖4a, b, c）：通過qPCR和測序均檢測到SRB和DNB的存在。SRB數(shù)量與生物膜厚度呈線性相關(guān)（R2=0.79），而與水體DO濃度無關(guān)。該數(shù)據(jù)至關(guān)重要，它表明生物膜厚度而非水體DO是決定SRB棲息的關(guān)鍵因素，厚生物膜內(nèi)部能形成厭氧微環(huán)境供SRB生長。
4. 污染物濃度沿程變化（來自圖5a）：COD的去除是穩(wěn)定且有效的（總?cè)コ始s22.31%），而TN和TP的去除效果不穩(wěn)定且微弱。該數(shù)據(jù)明確了灰水SDGS的主要功能是去除有機(jī)物（預(yù)處理），但不能依賴其進(jìn)行可靠的脫氮除磷。
5. 硫化物生成量（來自圖5b）：整個(gè)系統(tǒng)（1000米）的硫化物生成量極低，最高值僅約0.08 mg/L，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)污水下水道。該數(shù)據(jù)是本研究最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)之一，證實(shí)了灰水SDGS在控制硫化物腐蝕和異味方面的巨大優(yōu)勢。
結(jié)論
1. 灰水SDGS中能形成獨(dú)特且動(dòng)態(tài)變化的生物膜，其微生物群落隨時(shí)間發(fā)生顯著演替，但Proteobacteria、Bacteroidetes、Pseudomonas和Enterobacter始終占據(jù)主導(dǎo)或穩(wěn)定地位。
2. SRB存在于生物膜中，其數(shù)量與生物膜厚度直接相關(guān)，表明生物膜內(nèi)部的厭氧微環(huán)境是其生存的決定因素，而非水體的整體DO水平。
3. 灰水SDGS能穩(wěn)定有效地去除COD，可作為灰水有機(jī)物的預(yù)處理單元，但其對氮磷的去除不可靠，需要后續(xù)處理工藝。
4. 最關(guān)鍵的是，灰水SDGS的硫化物生成量極低（<0.08 mg L?1 km?1），比傳統(tǒng)污水下水道低近兩個(gè)數(shù)量級。這主要?dú)w因于灰水中有機(jī)物（SRB底物）濃度較低且系統(tǒng)整體DO水平較高。
5. 因此，采用SDGS進(jìn)行灰水的單獨(dú)收集，是一種兼具經(jīng)濟(jì)效益（低維護(hù)成本）和環(huán)境效益（低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、利于回用）的可持續(xù)方案。
使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義
本研究中使用丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)（具體型號提及了MM33和LS18）來測量生物膜的厚度。其研究意義在于：
1. 高精度空間分辨率：Unisense微電極能夠精確穿透生物膜并測量其厚度，提供了關(guān)于生物膜物理結(jié)構(gòu)形成和動(dòng)態(tài)變化的直接、定量數(shù)據(jù)。本研究觀察到生物膜厚度并非持續(xù)增加，而是呈現(xiàn)周期性變化，這一獨(dú)特現(xiàn)象是理解灰水SDGS中微生物過程和污染物轉(zhuǎn)化機(jī)制的關(guān)鍵前提。
2. 揭示微環(huán)境與功能的聯(lián)系：生物膜厚度數(shù)據(jù)與SRB數(shù)量的線性關(guān)系（R2=0.79）是本研究的核心發(fā)現(xiàn)之一。Unisense電極提供的精確厚度測量，使得建立這一關(guān)系成為可能。它強(qiáng)有力地證明，盡管灰水主體中的DO濃度相對較高（G5中仍>0.5 mg/L），但厚生物膜內(nèi)部形成了有效的DO梯度，從而為嚴(yán)格厭氧的SRB創(chuàng)造了生存空間。這解釋了為何在看似有氧的條件下系統(tǒng)中仍能檢測到SRB。
3. 區(qū)分整體與局部環(huán)境：測量數(shù)據(jù)表明，不能僅憑水體主體的DO濃度來預(yù)測下水道管壁微生物的活性和功能。Unisense電極對生物膜厚度的測量，幫助研究者將“水體環(huán)境”與“生物膜微環(huán)境”區(qū)分開來，強(qiáng)調(diào)了從微觀尺度研究下水道過程的必要性。
綜上所述，Unisense微電極提供的生物膜厚度數(shù)據(jù)，不僅是描述性的參數(shù)，更是連接物理結(jié)構(gòu)（厚度）、化學(xué)微環(huán)境（厭氧區(qū)）和生物功能（SRB活性）之間的橋梁，為合理解釋灰水SDGS低硫化物生成這一突出優(yōu)勢提供了關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。