Modeling of methane formation in gravity sewer system: the impact of microorganism and hydraulic condition

重力下水道系統(tǒng)中甲烷形成的建模：微生物和水力條件的影響

來(lái)源：AMB Express, Volume 8, 2018, Article number 34

《AMB快報(bào)》，第8卷，2018年，文章編號(hào)34

 

摘要

論文摘要闡述了重力下水道系統(tǒng)是甲烷形成和排放的重要來(lái)源，盡管已有模型預(yù)測(cè)甲烷產(chǎn)量，但微生物量的影響被間接表示。本研究建立了七個(gè)不同壁剪切應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下水道，測(cè)量了生物膜厚度、微生物量、溶解氧分布、微生物群落和甲烷產(chǎn)量。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停苯用枋黾淄楫a(chǎn)量、微生物量和壁剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，在不同壁剪切應(yīng)力下，溶解氧濃度沿生物膜深度顯著下降，溶解氧減少率與壁剪切應(yīng)力強(qiáng)度正相關(guān)。成熟生物膜中的優(yōu)勢(shì)古菌物種相似，但比例差異顯著。在2.0 Pa壁剪切應(yīng)力下生物膜中Methanospirillum的豐度比1.29 Pa時(shí)高53.08%。最大甲烷產(chǎn)率為2.04 mg/L wastewater day，出現(xiàn)在壁剪切應(yīng)力為1.45 Pa時(shí)，比最小產(chǎn)率（0.5 Pa時(shí)）高1.2倍。建立模型的R2值為0.95，測(cè)量與模擬的差異在1.5-13.0%范圍內(nèi)。

 

研究目的

研究目的是解釋壁剪切應(yīng)力如何影響甲烷排放，并建立一個(gè)更可靠的模型來(lái)預(yù)測(cè)重力下水道中的甲烷排放，直接考慮微生物量的影響，而不是間接通過表面積等參數(shù)。

 

研究思路

研究思路首先建立七個(gè)平行運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模模擬下水道，設(shè)置不同壁剪切應(yīng)力（0.5、0.8、1.12、1.29、1.45、2.0和2.5 Pa），使用合成污水，維持水溫和pH穩(wěn)定。測(cè)量生物膜厚度、微生物量（通過總固體和EPS分析）、溶解氧分布、微生物群落（通過高通量測(cè)序）和甲烷產(chǎn)量。基于這些數(shù)據(jù)，開發(fā)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停P(guān)聯(lián)甲烷產(chǎn)量、微生物量和壁剪切應(yīng)力，并使用不同COD濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了生物膜厚度隨時(shí)間的變化，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 2。研究意義是評(píng)估生物膜生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，顯示厚度先增后減至穩(wěn)定，壁剪切應(yīng)力影響厚度和密度，例如在1.29 Pa時(shí)厚度最大（2.7±0.1 mm），幫助理解生物膜結(jié)構(gòu)形成。

 

2 測(cè)量了溶解氧沿生物膜深度的分布，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 4。研究意義是揭示氧氣滲透受剪切應(yīng)力影響，溶解氧減少率與剪切應(yīng)力正相關(guān)，例如在2.0 Pa時(shí)氧氣滲透深度最小（1450 μm），表明剪切應(yīng)力改變微生物環(huán)境，影響甲烷形成。

 

3 測(cè)量了微生物群落組成，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 5和Table 1。研究意義是分析古菌物種豐度，顯示Methanospirillum和DHVEG-6為優(yōu)勢(shì)種，但比例隨剪切應(yīng)力變化，例如Methanospirillum在2.0 Pa時(shí)占78.84%，表明剪切應(yīng)力影響產(chǎn)甲烷菌活性。

 

 

4 測(cè)量了甲烷產(chǎn)量，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 6和Fig. 9。研究意義是量化甲烷產(chǎn)率，顯示在1.45 Pa時(shí)最大（2.04 mg/L wastewater day），驗(yàn)證剪切應(yīng)力優(yōu)化可增強(qiáng)甲烷形成，為模型提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

 

5 測(cè)量了微生物量，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 7。研究意義是直接關(guān)聯(lián)微生物量與甲烷產(chǎn)量，顯示微生物量隨剪切應(yīng)力先增后減，在1.45 Pa時(shí)最大，支持模型開發(fā)中微生物量的核心作用。

 

結(jié)論

1 壁剪切應(yīng)力影響生物膜物理結(jié)構(gòu)，如厚度和密度，以及微生物組成，從而調(diào)控甲烷產(chǎn)量。

2 開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軠?zhǔn)確預(yù)測(cè)甲烷產(chǎn)量（R2=0.95），直接整合微生物量和剪切應(yīng)力，優(yōu)于先前模型。

3 微生物量是甲烷形成的關(guān)鍵因素，Methanospirillum起主要作用，模型驗(yàn)證顯示差異在可接受范圍（1.5-13.0%）。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量生物膜厚度和溶解氧分布數(shù)據(jù)的研究意義在于提供高精度、實(shí)時(shí)的空間分辨率數(shù)據(jù)，從而深入理解生物膜內(nèi)部微環(huán)境變化。在該研究中，微電極用于測(cè)量生物膜厚度（步驟距離達(dá)微米級(jí)）和溶解氧濃度（響應(yīng)時(shí)間小于3秒），幫助精確確定氧氣滲透深度（如Fig. 4所示，溶解氧在生物膜深度下降至零）。這些數(shù)據(jù)揭示了壁剪切應(yīng)力如何影響氧氣擴(kuò)散和微生物活動(dòng)：較高剪切應(yīng)力導(dǎo)致生物膜密度增加，溶解氧減少更快，創(chuàng)造更厭氧的環(huán)境，從而促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)。例如，在2.0 Pa時(shí)，氧氣滲透深度最小（1450 μm），表明微生物更易在缺氧條件下產(chǎn)甲烷。這種測(cè)量直接支持了模型參數(shù)化，驗(yàn)證了剪切應(yīng)力通過改變?nèi)芙庋醴植奸g接調(diào)控甲烷產(chǎn)量的機(jī)制，為優(yōu)化下水道設(shè)計(jì)以減少溫室氣體排放提供了科學(xué)依據(jù)。此外，微電極的高靈敏度和低擾動(dòng)特性確保了數(shù)據(jù)可靠性，避免了傳統(tǒng)方法可能帶來(lái)的誤差，突出了其在環(huán)境微生物學(xué)研究中的重要性。