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图1 管道内部横截面
排水管道中生物膜的菌群分布与污水处理中颗粒污泥的微生物群落结构相似,SRB、MA存在分层分布的现象。由于MA的附着性较高、对厌氧环境要求更严格,MA主要分布在生物膜内部,SRB则通常生长在表面。污水中的硫酸盐进入生物膜后迅速被SRB还原利用,研究表明,管道底泥表面的硫酸盐浓度约为45 mg˙L−1,而在1 cm处仅为3 mg˙L−1,限制了SRB向内部增殖。而sCOD难以被完全消耗、能够向深层继续渗透,因此MA在内层占据优势。
管道生物膜的厚度约为700 μm,SRB主要分布在0~300 μm的外层,MA则主要分布在250 μm以下的内层。从丰度来看,SRB在总微生物中所占比例从生物膜表面的20%逐渐下降到400 μm处的3%,MA占比则从生物膜表面的3%增加到700 μm处的75%。管道底泥一般厚度达数厘米,底泥的最上层(0~2 cm)是硫化物还原的主要场所,产甲烷的主要场所更深,范围约占2.5~3.5 cm。SRB与MA两者的相对丰度也随深度而变化,SRB的相对比例从底泥表面的35%逐渐降至1 cm处的4%,2 cm以下SRB的存在可忽略不计。
2 排水管道中生物膜主要菌群的代谢机理
控制管道中H2S、CH4的根本途径是深入了解SRB、MA的菌群结构和特征,从代谢层面上抑制这2类菌群的生长繁殖。
2.1 SRB分类及代谢机理
SRB能够利用氢、乙酸、高级脂肪酸、醇、芳香族化合物、部分氨基酸、糖、多种苯环取代基的酸类及长链溶解性烷烃等作为电子供体,除硫酸盐外,富马酸、二甲基亚砜、磺酸盐等也可作为某些SRB的最终电子受体,最终产生H2S、乙酸、CO2等代谢终产物。
硫酸盐的还原途径如图2所示,SO42−/SO32−本身氧化还原电位过低,SO42−须被激活成强氧化剂APS,之后再还原为S2−。污水中的有机碳源被降解时所产生的ATP和高能电子在这一途径中被利用。某些SRB还可以利用硝酸盐作为唯一氮源,进行同化代谢。
图2 硫酸盐还原途径
据不完全统计,已知的SRB共有40个属137个种,分属细菌界和古菌界(见表1),其中大多数属于δ-变形菌纲。管道中SRB的菌群结构与废水处理中有所不同:ITO等发现,在管道生物膜中,Desulfobulbus是SRB的优势菌属,占总SRB数量的23%,该菌属以利用丙酸为主;而废水处理中最主要的SRB为Desulfovibrio和Desulfotomaculum,Desulfovibrio是典型的氢营养型SRB。
表1 SRB菌群分类
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