你知道排水管道中生物膜的菌群结构和分布特征吗？

城市排水系统由化粪池、排水管网、泵站、污水处理厂等设施组成，是城市重要的基础设施，其中排水管网集污废水、雨水的收集、输送等功能于一体，对城市的未来发展水平起到了决定性的作用。随着城市化进程的不断推进，城市地上建设规模不断扩大，而地下排水管网却往往被忽略。截至2015年末，全国城市排水管道长度达53.96万km，服务城镇人口达77  116万人，而相应的检测维修工作则十分薄弱。随着管龄逐渐增长，老旧管网缺乏日常养护，易出现腐蚀、破裂、错位等问题，继而导致污水渗漏、地下水入渗，危及水环境质量、引发城市内涝。

污水在城市排水管道中的长时间输送以及管道中相对封闭的状态，造成了管道中废气的积累，其危害性不亚于污水处理过程中产生的有毒有害气体，其中H₂S与CH₄的危害性最为突出。污水中的硫酸盐被硫酸盐还原菌(sulfate-reducing  bacteria, SRB)转化成H₂S，腐蚀管道结构、增加修复成本。管道中的厌氧环境亦适于产甲烷菌(methanogenic archaea,  MA)的生长，研究表明，管道中液相甲烷浓度高达20~25  mg˙L⁻¹，其对温室效应的贡献相当于处理等量污水所消耗的能源，且极易引发下水道爆炸事故;产甲烷过程中利用了大量溶解性COD(soluble COD,  sCOD)， 增大了后续污水处理厂生物脱氮的难度。

本研究概述了排水管道中生物膜的菌群结构和分布特征，重点阐述与分析了管道内SRB和MA的代谢机理及相互关系，总结了管道废气控制技术对SRB、MA的不同抑制效果，从而为城市排水管网运行维护提供理论支撑。

1 排水管道中生物膜的菌群分布特征

城市排水管道中的污水以生活污水为主，含有丰富的碳、氮、磷等营养物质，且管道内部为密闭空间，为厌氧菌的生长提供了有利条件。实际管道生物膜中的细菌以拟杆菌纲、β-变形菌纲、δ-变形菌纲为主，古菌则以甲烷鬃毛状菌科、甲烷球菌科为主。SRB还原硫酸盐所产生的H₂S是管道腐蚀的主要原因，同时，研究表明，污水在管道输送途中削减了大量sCOD，其中72%的削减量来自于产甲烷过程。因此，SRB和MA是管道中的2种关键菌群，实际管道中液相CH₄、H₂S浓度可达30  mg˙L⁻¹、12 mg˙L⁻¹ 。目前，国内排水管道的材质多为混凝土，管道内壁粗糙不平、比表面积较大，虽然水泥的水化过程产生了较高的碱度，但H₂S的积累逐渐降低了液相pH，同时腐蚀管道表面，使微生物能够不断侵入管壁内部，进一步加剧管道结构破损(见图1)。

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