Effect of flow rate on growth and oxygen consumption of biofilm in gravity sewer

流速對重力下水道中生物膜生長和氧氣消耗的影響

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 24, Pages 427-435, 2017

《環境科學與污染研究》第24卷，第427-435頁，2017年

 

摘要

摘要闡述了將下水道視為反應器的功能依賴于其中的生物膜。本文通過微電極技術、氧氣吸收率（OUR）技術和454高通量測序技術，研究了不同水力條件下生物膜的形成、結構、氧氣傳遞和活性。結果表明，當壁面剪切應力分別為1.12、1.29和1.45 Pa時，穩態生物膜的孔隙率分別為69.1%、64.4%和55.1%，OUR最大值分別為0.033、0.027和0.022 mg/(L·s)，下水道中的COD去除效率分別達到40%、35%和32%。研究結果對提高下水道處理效率具有重要意義。

 

研究目的

研究旨在探討壁面剪切應力如何通過影響生物膜結構來調控生物膜活性，從而影響重力下水道中的COD去除效率，為優化下水道作為反應器的功能提供理論依據和實踐指導。

 

研究思路

研究通過建立三個實驗室規模的重力下水道反應器，模擬不同壁面剪切應力條件（1.12、1.29和1.45 Pa），使用合成廢水培養生物膜。利用微電極系統測量生物膜厚度和溶解氧分布，通過孔隙率測試、高通量測序和OUR實驗分析生物膜物理結構、微生物群落和氧氣消耗特性，最終評估COD去除效率，以揭示水力條件對生物膜功能和下水道處理性能的影響。

 

測量的數據及研究意義

1 生物膜厚度：數據來自圖4，顯示生物膜厚度隨壁面剪切應力變化，在1.29 Pa時最大（2.7±0.1 mm）。研究意義在于生物膜厚度影響傳質過程，進而調控微生物活性和降解效率。

 

2 孔隙率：數據來自圖5、6、7、8，顯示孔隙率隨壁面剪切應力增加而降低（從69.1%到55.1%）。研究意義是孔隙率決定氧氣和底物在生物膜內的傳遞能力，影響微生物的分布和代謝活動。

 

 

 

 

3 溶解氧分布：使用丹麥Unisense電極測量，數據來自圖6、7、8，顯示溶解氧隨生物膜厚度增加而下降，在較高剪切應力下氧氣滲透深度更淺。研究意義是溶解氧條件直接影響好氧和厭氧微生物的平衡，進而影響群落結構和功能。

4 微生物群落結構：數據來自表2和圖10，通過高通量測序顯示主要菌門為Proteobacteria、Candidate_division_TM7和Bacteroidetes，其比例隨剪切應力變化。研究意義是微生物多樣性差異反映了環境適應性，與氧氣條件和孔隙率相關，影響降解能力。

 

 

5 氧氣吸收率（OUR）：數據來自圖11，顯示OUR最大值隨剪切應力增加而降低（從0.033到0.022 mg/(L·s)）。研究意義是OUR表征異養微生物活性，其變化與氧氣可用性和微生物組成直接相關，是評估生物膜代謝強度的關鍵指標。

 

6 COD去除效率：數據來自圖12，顯示效率隨剪切應力增加而降低（從40%到32%）。研究意義是COD去除效率綜合反映生物膜的整體性能，與孔隙率、OUR和微生物結構協同作用，為下水道優化設計提供依據。

 

 

結論

1 壁面剪切應力顯著影響生物膜的物理和微生物結構，孔隙率隨剪切應力增加而降低，微生物群落中Proteobacteria和Bacteroidetes比例減少，而Candidate_division_TM7增加。

2 剪切應力通過改變孔隙率和氧氣分布，影響OUR和COD去除效率，較低剪切應力（1.12 Pa）下生物膜活性更高，處理效果更優。

3 研究結果為通過調節流速優化下水道性能提供了理論基礎，強調了水力條件在“下水道作為反應器”應用中的重要性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量溶解氧分布的研究意義在于其高精度和快速響應能力（響應時間小于3秒），能夠實時捕捉生物膜內部的氧氣梯度變化。如圖6、7、8所示，電極數據揭示了氧氣滲透深度隨壁面剪切應力增加而減小（從2350 μm到1750 μm），這直接證明了孔隙率對氧氣傳遞的限制作用。這種測量不僅量化了生物膜的微環境缺氧程度，還關聯了微生物的空間分布，例如好氧菌在氧氣豐富區域的優勢。此外，數據幫助驗證了氧氣條件對微生物群落結構的影響（如Proteobacteria的減少），為理解生物膜代謝機制和優化下水道通氣策略提供了關鍵證據，突顯了微電極技術在環境微生物學研究中的價值。