污水管道生物膜大揭秘

“污水管道生物膜是污水管道生态系统的重要组成部分，其结构、影响因素以及物质迁移转化功能的研究对于丰富污水管道认知、优化污水管道管理具有重要意义，亦可为科学研究和政府决策提供支撑。”污水管道生物膜的环境功能

有利功能：预处理污水，去除污水中部分COD和总氮，降低污水厂负荷。

不利功能：产生CH4和H2S等代谢产物，危害管道安全和人体健康；加速管道腐蚀，增加管道运维成本。

污水管道生物膜结构

物质结构：一般而言，污水管道生物膜的厚度在1mm左右。污水管道生物膜由无机物（水、无机盐）和有机物（微生物、胞外聚合物）组成。有机物中主要为胞外聚合物，以蛋白质为主，而微生物仅占有机物总量15%，每克干重生物膜含约108-1012个微生物。

群落结构：污水管道生物膜群落结构复杂，目前研究较多的是细菌和古菌。从分类的角度讲，细菌以变形菌门为优势菌，拟杆菌门、厚壁菌门以及放线菌门亦有大量分布。从功能菌的角度讲，发酵细菌主要有Trichococcus和Cloacibacterium，产氢产乙酸菌主要有Veillonella和Anaerolinea，反硝化细菌主要有Rhodobacter和Dechloromonas，硫酸盐还原菌主要有Desulfomicrobium和Desulfobacter，硫氧化菌主要有Sphingomonas和Acidiphilium，产甲烷古菌主要有Methanosaeta和Methanothrix。

污水管道生物膜的影响因素

a) 污水管道运行模式

运行模式对污水管道生物膜的影响，其核心是污水溶解氧的影响。以最为常见的重力流管道和压力流管道为例进行分析（图1）。通风良好的重力流管道由于污水上方存在空气，污水溶解氧相对较高，管道生物膜表层以好氧菌为主，里层以缺氧菌和厌氧菌为主。通风不良的重力流管道由于复氧过程较弱，污水溶解氧的长期低于0.5 mg/L，形成的管道生物膜主要以缺氧菌和厌氧菌为主。压力流管道由于管道被污水充满，没有空气进行复氧过程，管道环境基本处于厌氧状态，形成的生物膜基本为厌氧菌。

b) 污水水质污水在管道输送的过程中，由于管道生物膜和悬浮微生物的降解作用，水质逐渐发生变化，进而改变管道生物膜的群落结构。在通风不良的管道中，随着管道长度的增加，污水中的溶解氧逐渐降低，管道环境逐渐向缺氧和厌氧方向发展，生物膜中产甲烷古菌和硫酸盐还原菌的丰度逐渐升高。在通风良好的管道中，溶解氧在管道沿程方向变化相对较小，生物膜纵向厚度上的溶解氧变化导致的生物膜群落结构差异显著。污水pH整体相对变化不大，但是在局部微环境中的pH变化会显著改变局部生物膜群落结构，相关的研究在管道腐蚀领域较多。

c) 剪切应力

污水在管道流动的过程中，管壁处的流体剪切应力对生物膜具有显著影响。重力流污水管道为防止管道淤积，一般需要保持0.6-0.75 m/s的污水流速，对应的剪切应力约为1-2N/m2。一般而言，低剪切应力的环境容易形成管道沉积物，促进生物膜的形成；高剪切应力的环境容易降低生物膜中的微生物多样性并减缓生物膜的生长过程。

d) 其他

管材对生物膜也有重要影响。一般而言，世界上的污水管道应用最为广泛的是混凝土管道和塑料管道。塑料管道由于在耐腐蚀性和运输安装成本方面明显优于混凝土管道，其应用越来越广泛。但是，混凝土管道内生物膜的H2S氧化速率大约高于塑料管道两个数量级，将混凝土管道替换为塑料管道可能会增加管道中H2S的浓度，改变生物膜群落结构。这种管材替换虽然降低了管道运输安装的建设成本和管道腐蚀方面的运维成本，但是可能增加管道H2S的积累。污水停留时间和A/V (润湿面积/污水体积) 对硫酸盐还原菌和产甲烷古菌有一定的影响。物质迁移转化

a) 有机物

污水中的有机物在管道生物膜和悬浮微生物的作用下，可以被逐渐降解为挥发性脂肪酸、CH4和CO2。其中，管道生物膜产甲烷过程是非常值得关注的。一般而言，微生物的产甲烷过程有三种通路，即乙酸型、甲醇型和CO2型，污水管道生物膜主要通过乙酸型通路产甲烷，其中最为主要的产甲烷菌为Methanosaeta和Methanothrix（图2）。一般而言，管道产甲烷过程更倾向于发生在高COD、长水力停留时间以及高A/V的厌/缺氧管道内。因此，在通风不良的流速较慢的重力流管道和压力流管道内应格外注意产甲烷风险。大量研究探索了采用投加化学药剂的方法来控制管道产甲烷过程，例如投加碱、铁盐、氮的氧化物以及氧气等。其中，向压力流管道中投加碱、铁盐和硝酸盐是较为有效安全的管道产甲烷控制措施。在重力流管道中，维持较高的污水流速并保持良好的管道通风是更好的长期管控手段。

b)硫

污水中的硫酸盐可以在厌氧条件下被硫酸盐还原菌还原为H2S，H2S继而被硫氧化菌氧化为单质硫和硫酸盐。H2S气体是一种具有恶臭的有毒气体，其氧化形成的硫酸可以加速管道的腐蚀。Desulfomicrobium、Desulfobacter和Desulfuromonas是污水管道中较为常见的硫酸盐还原菌，而Acidiphilium、Thiomonas和Thiobacillus是较为常见的硫氧化菌（图3）。H2S较易在高温、长水力停留时间以及高COD浓度的管道中大量产生。可以采用强化管道通风、提高管道坡度以及取消化粪池等手段降低H2S产生量。另外，投加硝酸盐、亚硝酸盐、碱、铁盐以及氧气等方案都可以降低管道H2S的产量，其中加碱升高污水pH是最为有效的控制方案。但是，从长期看，优化管道设计和施工水平，保持良好的管道通风并降低污水停留时间才是更好的控制手段。

c) 氮

污水管道生物膜中存在氮循环功能菌，例如反硝化菌和固氮菌等（图4）。在污水处理设施中常见的氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌在污水管道生物膜中丰度很低，主要是由于管道整体的缺氧环境和污水中丰富的有机物强化了生长迅速的异养型细菌的增殖，而自养型的氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌被逐渐淘汰。污水管道中可以发生显著的反硝化过程，去除污水中部分硝酸盐。宏基因组测序的研究结果也证明，污水管道生物膜中反硝化功能基因是所有氮循环功能基因中丰度最高的。但是，目前关于污水管道氮循环的研究相比于有机物降解研究和硫代谢研究仍然明显不足。

d) 新型微污染物

污水管道中一些新型微污染物（包括部分生物标记物、抗性基因以及人工纳米材料等）存在迁移转化过程。一些基于污水的流行病学研究，研究了毒品、烟草和酒精等生物标志物在污水管道中的变化过程，通过获得的结论预测区域内毒品、烟草以及酒精等在人群中的使用情况，取得了不错的预测效果。污水管道生物膜中含有大量的抗性基因，是抗性基因的源和汇之一，具有潜在的安全风险。污水管道生物膜在代谢过程中产生了大量的代谢物，例如硫化物、半胱氨酸以及组氨酸等，可以与污水中的人工纳米材料络合，影响其在环境中的迁移转化行为。展望

• 污水管道微生物研究主要集中在市政污水管道上，然而应用广泛的真空流污水管道、农村污水管道以及工业污水管道中生物膜的研究仍然缺乏，需进一步探究。

• 已有管道生物膜结果多基于实验室规模的稳定流态研究，而现实中的污水管道大多处于变化流态中。流态的变化会导致剪切应力的变化，进而影响管道生物膜的特性。因此，未来研究应关注流态变化对于管道生物膜的影响。

• 近年来，动态模型已应用于污水处理反应器的研究并获得了不错的模拟结果，其可进一步应用于管道生物膜的模拟研究中。

• 污水管道生物膜对于氮和新型污染物迁移转化的研究尚不足，需进一步深入探究。