Sulfide and methane production in sewer sediments

管道沉積物中硫化物和甲烷的生產

來源：Water Research. 2015, 70, 350-359

 

摘要內容

這篇論文研究了重力下水道中沉積物對硫化物和甲烷生產的貢獻。摘要指出，下水道沉積物具有高度生物活性，但以往研究多關注生物膜，而沉積物的作用被低估。通過實驗室培養真實下水道沉積物，研究發現沉積物產生硫化物和甲烷的速率顯著：硫化物平均生產速率為9.20±0.39 g S/m2·d，高于生物膜；甲烷平均生產速率為1.56±0.14 g CH?/m2·d，與生物膜相當。微傳感器和孔隙水測量顯示，硫化物生產集中在沉積物表層（0-2 mm），而甲烷生產發生在更深區域（最深至3.5 cm），這是由于硫酸鹽和可溶性有機碳的滲透限制所致。研究還通過建模提出了半階動力學模型來預測生產速率。

研究目的

本研究旨在理解重力下水道沉積物中硫化物和甲烷的生產過程，并建立數學模型來描述這些過程，以填補當前下水道模型中沉積物生物轉化知識的空白。

研究思路

研究采用多方法結合的實驗策略：

 

樣品采集與培養：從悉尼的真實重力下水道采集沉積物，在實驗室反應器中模擬下水道條件培養超過一年，以獲得完整且分層的沉積物（反應器示意圖見Fig.1）。

批量測試：定期進行批量測試，測量硫化物和甲烷的生產速率，評估沉積物活性。

現場測量：使用微傳感器（如Unisense電極）測量沉積物剖面的溶解氧（DO）、pH和硫化氫（H?S），并采集孔隙水分析硫酸鹽和甲烷濃度。

微生物分析：通過熒光原位雜交（FISH）分析沉積物不同深度的微生物群落（如硫酸鹽還原菌SRB和產甲烷古菌MA）。

 

數學建模：建立一維傳輸反應模型，模擬硫酸鹽和有機碳的滲透對生產速率的影響，并推導經驗模型。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

硫化物和甲烷生產速率：

 

數據內容：通過批量測試測量沉積物的面積生產速率。硫化物速率達9.20±0.39 g S/m2·d，甲烷速率為1.56±0.14 g CH?/m2·d。

研究意義：量化沉積物對下水道排放的貢獻，表明沉積物是硫化物和甲烷的重要來源，速率高于或等于生物膜，提示現有下水道模型需修正。

 

數據來源：這些數據來自圖2，顯示了培養期間速率的變化。

 

微傳感器剖面數據（DO、pH、H?S）：

 

數據內容：使用Unisense微電極測量沉積物垂直剖面的溶解氧、pH和硫化氫濃度。例如，DO在沉積物表面被快速消耗，H?S濃度在0-2 mm深度迅速增加。

研究意義：揭示硫化物生產集中在表層（0-2 mm），且沉積物整體呈厭氧狀態；這些高分辨率數據直接證明了硫酸鹽還原的活躍區域，并幫助計算硫化物生產活性（通過擴散反應模型）。

 

數據來源：圖3展示了H?S和DO的剖面。

 

孔隙水化學數據（硫酸鹽和甲烷濃度）：

 

數據內容：孔隙水采樣顯示硫酸鹽濃度從表面13.0 mg S/L降至0.5 cm處2.3 mg S/L，而甲烷濃度從表面增加至2.5-3.5 cm處穩定。

研究意義：證實硫酸鹽滲透限制導致硫化物生產僅限于表層，而可溶性有機碳的更深滲透支持了甲烷在深層生產；這些數據解釋了微生物活動的底物依賴性。

 

數據來源：圖4a和4b提供了硫酸鹽和甲烷的深度剖面。

 

微生物群落分布：

 

數據內容：FISH分析顯示SRB在表層（0-1 cm）占主導（相對豐度35%），而MA在更深區域（1-3 cm）豐度增加。

研究意義：表明SRB和MA的分層與化學剖面一致，支持了競爭動力學假設；微生物分布受底物可用性調控，而非硫化物毒性。

 

數據來源：圖4d（同上圖4）展示了SRB和MA的相對分數。

 

模型模擬數據：

 

數據內容：一維模型預測了硫酸鹽和可溶性有機碳的滲透剖面，以及生產速率對底物濃度的依賴性。

研究意義：驗證了半階動力學模型的適用性，簡化了下水道網絡建模；模型顯示硫化物生產依賴硫酸鹽濃度，甲烷生產依賴可溶性COD濃度。

 

數據來源：圖5顯示了底物濃度對速率的影響。

 

結論

論文得出以下關鍵結論：

 

下水道沉積物是硫化物和甲烷的重要來源，硫化物生產速率高于生物膜，甲烷速率與生物膜相當。

硫化物生產集中在沉積物表層（0-2 mm）；甲烷生產發生在更深區域（最深至3.5 cm）。微生物群落（SRB和MA）的分層由動力學差異和底物傳輸限制控制。

 

硫化物和甲烷生產速率可用半階動力學模型描述，分別依賴于水體硫酸鹽和可溶性COD濃度，這為下水道網絡建模提供了實用工具。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的微電極（包括溶解氧、pH和硫化氫微電極）進行了高分辨率測量，這些數據的研究意義如下：

 

提供毫米級空間分辨率：Unisense微電極能以亞毫米精度測量沉積物剖面的DO、pH和H?S（如圖3所示）。例如，DO微電極顯示沉積物表面存在約1 mm厚的擴散邊界層，且DO在表面被完全消耗，證實沉積物整體厭氧；H?S微電極揭示硫化物濃度在0-2 mm深度快速增加，峰值達10 mg/L以上。這種高分辨率避免了傳統采樣的空間模糊性，準確定位了硫化物生產的熱點區域。

直接驗證生產機制和活性計算：H?S剖面數據與DO數據結合，允許通過擴散反應模型計算硫化物生產活性（圖3a中顯示活性最高在0-2 mm）。這些數據直接證明硫化物生產由硫酸鹽還原驅動，且僅限于表層 due to sulfate penetration；同時，H?S在深層降低表明硫化物消耗，可能源于化學氧化或微生物過程。Unisense電極的同步測量確保了數據可靠性，避免了傳感器干擾。

揭示環境條件對微生物活動的影響：pH和DO剖面顯示沉積物呈中性pH（7.6-7.8）和厭氧狀態，這為SRB和MA的活動提供了理想條件。例如，DO微電極數據證明即使水體DO較高（4 mg/L），沉積物內仍無氧滲透，支持了厭氧過程的持續性。這些數據幫助理解沉積物作為“生物反應器”的功能，并解釋了為什么甲烷生產能在深層持續。

 

支持模型校準和生態推斷：Unisense電極數據用于校準一維模型（圖4），驗證了SRB和MA的動力學參數。例如，H?S剖面與模型預測匹配，表明半階動力學適用；這些高精度測量還推斷出沉積物中硫化物毒性不是微生物限制的主因（濃度遠低于抑制閾值），而底物限制才是關鍵。

 

總之，Unisense電極的高分辨率數據不僅首次量化了下水道沉積物的原位生物地球化學過程，還深化了對硫和碳循環的理解，為下水道管理（如腐蝕和溫室氣體控制）提供了科學依據。這些測量突出了沉積物在城市化水系統中的生態重要性，并推動了更精確的工程模型發展。