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    城市污水管網的規(guī)律

    作者:北京中天恒遠 發(fā)布于:2018-03-31 13:38:56瀏覽量:

      今天為您介紹的是——城市污水管網的規(guī)律

      城市污水管網是一個收集、 運輸城市污水的系統,是城市水利基建的重要組成部分[1]. 然而,污水在管網內的運輸過程中水質發(fā)生了變化,生化需氧量(BOD)、 化學需氧量(COD)會有不同程度的變化[2~6],溶解性有機碳(DOC)也存在著降低的現象[7~9]. 同時,在污水運輸過程中,還發(fā)現管網的管壁上有生物膜的形成[10~12],由此人們開始關注污水管網中微生物對水質的改變作用.

      在城市污水管網中,由于污水中含有揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等物質,為產甲烷過程提供了物質基礎[13~15]. 先前研究發(fā)現,在管網中,確實有CH4的產生[16~18]. 管網中CH4的產生對管網的運行管理和污水處理帶來極大的隱患. CH4是一種溫室氣體,管網中的CH4排放到空氣當中會加劇溫室效應[19, 20]; 當管網內CH4濃度超過5%時有爆炸的危險[21, 22]; 管網內CH4的產生會帶走一部分COD,這不利于后續(xù)污水處理廠的生物脫氮除磷的過程[23, 24],因此管網中CH4的產生是值得關注的問題. CH4的產生與管網中的產甲烷菌有關,因此研究管網中的產甲烷菌也具有重要意義. 然而,目前對管網內產甲烷菌的演替規(guī)律了解甚少.

      基于此,本文通過建立一套1 200 m管道系統,對污水管網內CH4沿程變化及產甲烷菌的分布特性進行研究,并探明了產甲烷菌可利用基質與產甲烷菌分布之間的關系.

      1 材料與方法

      1.1 實驗條件和原水水質

      反應器為城市污水模擬管網反應器[25],以西安市城市污水作為原水,在室溫下運行,實驗溫度為(25±2)℃,pH為7.2±0.3,密封性良好. 管網沿程的溶解氧(DO)為(0.3±0.05)mg ·L-1,沿程變化不大,總體變化趨勢為沿程降低,且由于管網始端和末端暴露在空氣中,溶解氧相對含量較高,溶解氧沿程變化如圖 1所示.

      

     

      圖 1 管網沿程中溶解氧的變化

      在反應器連續(xù)運行期間,通過控制管網坡度為5‰和污水充滿度0.6,來使污水流速為0.6m ·s-1,水力停留時間為1h. 污水依靠重力進入模擬管段. 在反應器連續(xù)運行期間,原水的水質狀況如表 1所示.

      

     

      表 1 城市污水管網中的水質特性

      1.2 取樣方法

      在800 m的管網系統中選取8個取樣點,其中選取原水作為0 m處的取樣點,然后一次在分別選取30、 100、 200、 400、 600、 800、 1 000和1 200 m處作為剩余的8個取樣點進行水質分析,分析指標包括COD、 氨氮(NH+4-N)、 總氮(TN)、 總磷(TP)等常規(guī)指標及發(fā)酵產物. 對于生物分析所需要的生物膜樣品采集,以30、 100、 200、 400、 600、 800、 1 000和1 200 m作為生物膜取樣點. 首先將8個位置的管段兩端的活結松開,取下管段,將管段里的有機玻璃條取出,用無菌棉簽將適量的生物膜從有機玻璃載體上刮入一次性培養(yǎng)皿中并將培養(yǎng)皿蓋好,然后立即放入裝有干冰的保溫盒并送至實驗室-20℃保存.

      1.3 分析方法

      1.3.1 乙酸分析

      水樣分析之前用3%的磷酸將水樣的pH調節(jié)到4左右,再將水樣用0.45 μm濾膜過濾. 分析儀器為GC-2014氣相色譜儀(日本島津). 氫火焰離子化檢測器,色譜柱為DB-FFAP(30 m×0.5 μm×0.32 mm). 升溫程序: 初始柱溫100℃保持2 min,以10℃ ·min-1的速度升至120℃保持2 min,再以6℃ ·min-1升至200℃保持2 min. 進樣口溫度200℃,檢測器溫度230℃,進樣量1 μL. N2作為載氣和補償氣,速率均為20mL ·min-1. H2速率為35mL ·min-1,空氣為350mL ·min-1.

      1.3.2 甲醇分析

      測定甲醇和乙醇的濃度選用方法為氣相色譜法,進樣方式為頂空進樣. 分析儀器為GC-2014氣相色譜儀(日本島津),色譜柱為CB-5(30 m×0.5 μm×0.32 mm),FID檢測器,并配有AOC-5000頂空自動進樣器. 升溫程序: 50℃保持5 min,以5℃ ·min-1的速度升至100℃,保持2 min,以5℃ ·min-1的升溫速度升至200℃. 進樣口溫度為200℃,檢測器溫度為280℃; 載氣流量為5.0mL ·min-1; 分流比2 ∶1. 頂空自動進樣器條件: 加熱平衡溫度為80℃,加熱平衡時間30 min; 取樣針溫度為90℃; 進樣體積1.0 mL.

      1.3.3 甲酸分析

      分析儀器選用LC2010AHT液相色譜儀(日本島津),色譜柱為Hypersil BDS C18(250 mm×4.6 mm×5 μm),紫外檢測器,波長設置為210 nm. 流動相為0.02mol ·L-1 KH2PO4 ∶甲醇(體積比為95 ∶5),用磷酸調節(jié)pH到2. 流速設置為1.0mL ·min-1,柱溫30℃,進樣體積10 μL.

      1.3.4 甲胺分析

      甲胺濃度采用液相色譜法進行測定. 上機測樣之前對樣品進行PITC衍生化處理,并用C18柱進行固相萃取. 分析儀器選用LC2010AHT液相色譜儀(日本島津),色譜柱為Hypersil BDS C18(250 mm×4.6 mm×5 μm),紫外檢測器,波長設置為240 nm. 流動相為乙腈 ∶水(體積比為30 ∶70),流速設置為1.0mL ·min-1,柱溫30℃,進樣體積10 μL.

      1.3.5 CH4分析

      CH4的測定選用氣相色譜法,分析儀器為GC-2014氣相色譜儀(日本島津). 檢測器為熱導檢測器(TCD),色譜柱型號為TDX-01填充柱. 柱溫設置為100℃,保持10 min. N2作為尾氣,流速為10.0mL ·min-1. Ar作為載氣,流速為48mL ·min-1. 使用標準氣體混合氣校準,其組分為37% CO2、 4% N2、 0.802% H2以及CH4.

      1.3.6 其他水質分析

      實驗中COD、 NH+4-N、 TN和TP的測定采用國家標準方法.

      1.3.7 DNA提取和PCR擴增

      采用Power Soil DNA提取試劑盒(MO Biomedical,U.S.)對生物膜樣本中的DNA進行提取,提取方法按照試劑盒制造商提供的方法使用說明書進行. 對于產甲烷菌基因片段的擴增,選用特異性引物MLf 5′- GGTGGTGTMGGATTCACACARTA YGCWACAGC-3′和MLr 5′- TTCATTGCRTAGTTW GGRTAGTT- 3′[26]. PCR反應體系(20 μL): 5×FastPfu Buffer 4 μL,dNTPs 2 μL,引物各0.8 μL,FastPfu聚合酶0.4 μL,模板DNA 10 ng,加無菌水至20 μL. PCR條件: 95℃預變性2 min,95℃變性30 s,55℃退火30 s,72℃延伸30 s,25個循環(huán),比較后72℃延伸5 min. 2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物.

      1.3.8 產甲烷菌454高通量測序

      用AeyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產物,Tris-HCl洗脫,并用2%瓊脂糖電泳檢測. 參照電泳初步定量結果,將PCR產物用QuantiFluorTM-ST藍色熒光定量系統(Promega公司)進行檢測定量,之后按照每個樣本的測序要求,進行相應比例的混合. 用Roche GS FLX Titanium emPCR試劑盒對混合物進行emPCR擴增,擴增后的混合物按照454平臺的標準方法,在Roche 454 GS FLX+Titanium平臺上進行上機測序.

      2 結果與分析

      2.1 管網系統中CH4氣體的產生

      圖 2中展現了管網中CH4的含量的變化趨勢,結果表明CH4含量較低均在3%以下,遠小于50%,所以管網內甲烷化程度較低[27]. 從中可以看出,CH4在管網中的變化規(guī)律是沿程增加的. 在0~30 m處,沒有CH4的產生,這可能由于在管網始端,污水中溶解氧含量較高,不適合產甲烷菌富集生長,此外污水中的有機物質以大分子有機物為主,這些大分子有機物質無法被產甲烷菌直接利用. 隨著管網沿程距離的不斷增加,管道內CH4的含量也不斷升高,在1 200 m處達到比較大值,其含量為2.75%. CH4含量沿程升高,這是由于管道內的水解發(fā)酵過程使得大分子物質轉化為VFA(乙酸)等小分子物質,產甲烷菌得以不斷利用乙酸等可利用基質,使得CH4在管網中不斷產生并得到積累,故管網中的CH4含量隨之升高.

      

     

      圖 2 管網沿程中CH4含量的變化

      2.2 管網系統中產甲烷菌的沿程分布特性 2.2.1 管網系統中產甲烷菌的構成及多樣性分布

      表 2反映了管網中產甲烷菌的構成及其相對豐度情況,從中可以看出,管網中檢測到的產甲烷菌共有9種,其中甲烷八疊球菌屬、 廣古菌門中的菌屬、 甲烷桿菌科中的菌屬和古菌門中的菌屬在管網中始終存在.

      

     

      表 2 管網中產甲烷菌的構成1)/%

      圖 3展現了管網沿程產甲烷菌的多樣性變化. Shannon指數是表征物種多樣性的指標[28],因此在圖 3中是通過Shannon指數來反映產甲烷菌的多樣性變化. 由于在管網初始端30 m處的生物膜樣本中沒有生成有效序列,即在30 m處沒有檢測到產甲烷菌,故30 m處不存在產甲烷菌,這可以很好地解釋圖 2中30 m處沒有CH4的生成. 從中可以看出,100~600 m之間Shannon指數沿程降低,由100 m處的2.7降低至600 m處的1.58,600~800 m處的Shannon指數保持穩(wěn)定,說明管網800 m之前產甲烷菌的多樣性沿程降低,且在600~800 m之間保持穩(wěn)定; 在管網1 000 m處,Shannon指數突然升高,此后一直保持穩(wěn)定,Shannon指數穩(wěn)定在2.2左右,說明管網末端多樣性較為豐富且保持穩(wěn)定.

      

     

      圖 3 產甲烷菌多樣性在管網中的沿程變化

      2.2.2 管網系統中產甲烷菌菌群結構分析

      圖 4所示的是產甲烷菌的熱圖分析,是在屬水平下進行的分析,不同的顏色代表了不同的相對豐度值,藍色相對豐度比較低,紅色相對豐度比較高,圖頂的分支表示了樣本之間的結構相似性. 由于30 m沒有產甲烷菌,因此管網30 m處的樣本不參與熱圖分析. 圖 4中聚類結果表明,管網100~1 200 m中的產甲烷菌群落結構共分為兩大類,其中200~800 m為一類,100、 1 000和1 200 m為一類. 200~800 m這一類中,600 m和800 m中的群落結構比較為相近,而在100、 1 000和1 200 m的這一類中,以1 000 m和1 200 m的群落結構比較為相似; 在800 m和1 000 m這一相鄰位置處,群落結構發(fā)生了明顯的改變,說明在該處存在著產甲烷菌的演替現象. 同時,根據圖中的顏色分布可以看出,在管網中的優(yōu)勢菌群有甲烷八疊球菌屬、 廣古菌門中的菌屬和甲烷桿菌科中的菌屬,其中甲烷八疊球菌屬和廣古菌門中的菌屬為主要優(yōu)勢菌群.

      

     

      圖 4 產甲烷菌聚類(熱圖)分析

      2.2.3 產甲烷菌的菌屬演替過程

      優(yōu)勢菌群是一個群落中的主要構成部分,基于1.2.2節(jié)的結果對管網中的優(yōu)勢產甲烷菌進行進一步的分析. 圖 5反映了管網中優(yōu)勢產甲烷菌相對豐度的沿程變化,結果表明,甲烷八疊球菌屬、 廣古菌門中的菌屬和甲烷桿菌科中的菌屬,這3種產甲烷菌相對豐度變化規(guī)律較為明顯. 在管網30 m處,3種菌屬都不存在,在管網100~800 m范圍內,甲烷八疊球菌屬的相對豐度在3種優(yōu)勢菌屬中比較高,且隨著管網距離的增加相對豐度也不斷增加,與之相反,廣古菌門中的菌屬和甲烷桿菌科中的菌屬在管網100~800 m的范圍內相對豐度的沿程變化趨勢與甲烷八疊球菌屬嚴格相反,它們的相對豐度在管網中沿程降低,其中甲烷桿菌科中的菌屬在600~800 m之間失去優(yōu)勢地位,相對豐度均在0.7%以下; 在管網1 000~1 200 m范圍內,甲烷八疊球菌屬的相對豐度降低并保持穩(wěn)定,廣古菌門中的菌屬和甲烷桿菌科中的菌屬相對豐度升高并保持穩(wěn)定,其中廣古菌門中的菌屬)超過甲烷八疊球菌屬成為3種菌屬中相對豐度比較高的菌屬. 從圖 5中可以看出,600 m和800 m、 1 000 m和1 200 m的優(yōu)勢菌屬的相對豐度變化不大,這與圖 4中的群落結構分析可以很好地對應起來,也說明了群落中的優(yōu)勢菌屬的構成基本反映了群落結構的構成情況. 同時,在800~1 000 m的過程中,3種產甲烷菌的相對豐度、 優(yōu)勢地位和變化趨勢都發(fā)生了改變,說明在該管網范圍內,產甲烷菌群中菌屬發(fā)生了演替過程,即在該處廣古菌門中的菌屬取代了甲烷八疊球菌屬成為優(yōu)勢菌屬.

      

     

      圖 5 優(yōu)勢產甲烷菌相對豐度在管網中的沿程變化

      2.3 產甲烷菌可利用基質的變化規(guī)律

      圖 6反映了產甲烷菌可利用基質的變化情況. 管道中存在的產甲烷菌可利用基質有甲酸、 甲醇、 甲胺、 乙酸(“三甲一乙”)和H2,其中乙酸的含量比較高,而甲胺的含量極低. 由于H2是氣相產物且在管網中的含量很低,本文對H2不做過多論述. “三甲一乙”這4種基質在管網中的變化規(guī)律基本一致,均呈現出先增加后降低的變化趨勢.

      

     

      圖 6 管網中產甲烷菌可以用基質的沿程變化

      乙酸在整個管網中含量比較高,在管網0~600 m沿程增加并在600 m處達到比較大值8.67mg ·L-1,并在600~800 m處保持穩(wěn)定,而后開始沿程逐漸下降; 甲酸在管網0~400 m沿程增加并在400 m處達到比較大值3.64mg ·L-1,而后開始沿程降低; 甲醇在30 m處達到比較大值2.17mg ·L-1后開始沿程降低; 而甲胺在整個管網中的含量之中保持在很低的水平且濃度不超過0.015mg ·L-1,在800 m處含量比較高0.011mg ·L-1. 這4種基質在管網中均存在含量降低的現象,說明這4種基質在管網中都被產甲烷菌利用生成CH4. 在管網中,乙酸是含量比較高的產甲烷可利用基質,即產甲烷菌可以利用的乙酸多,且根據厭氧三階段理論,在發(fā)酵產甲烷過程中72%的CH4主要來自于乙酸[29],說明在管網中產甲烷菌主要利用乙酸. 管網中0~800 m處甲烷八疊球菌屬相對豐度比較高,主要利用乙酸生成CH4[30, 31],甲烷八疊球菌屬的相對豐度在該范圍內沿程增加,這很好地解釋了在0~800 m乙酸含量的變化情況,且600~800 m乙酸含量保持穩(wěn)定,而甲烷八疊球菌屬的相對豐度也保持穩(wěn)定; 管網800 m處以后,乙酸含量下降,且微生物代謝過程中使得某些中間產物富集,這對甲烷八疊球菌屬而言,環(huán)境開始變得惡劣,這就使得其在該環(huán)境下處于不利的地位,競爭能力下降,從而相對豐度下降,廣古菌門中的菌屬和甲烷桿菌科中的菌屬在該環(huán)境下競爭優(yōu)勢增強,相對豐度增加.

      3 結論

      (1)城市污水管網中生成CH4的量較低,管網中甲烷化程度較低. 在管網初始端沒有CH4的產生,而后隨著管網距離的增加,CH4在管網中呈現出了逐漸增加的變化趨勢.

      (2)城市污水管網中產甲烷菌主要包含,甲烷八疊球菌屬、 廣古菌門中的菌屬和甲烷桿菌科中的菌屬這3種. 產甲烷菌的群落結構在800~1 000 m發(fā)生了明顯的改變,在管網該范圍內發(fā)生了廣古菌門中的菌屬取代甲烷八疊球菌屬成為優(yōu)勢菌屬的演替過程.

      (3)城市污水管網中產甲烷菌可利用基質“三甲一乙”中乙酸含量比較高,甲胺含量始終維持在極低的水平. 這些物質在管網中均呈現出了先增加后降低的變化趨勢,其中乙酸在600~800 m含量維持穩(wěn)定. 由于不同產甲烷菌屬適應的物質條件和環(huán)境條件不同,因此這些物質條件和環(huán)境條件的改變,使得產甲烷菌在管網中的分布發(fā)生了改變.

      

     

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