Characteristics of sewer biofilms in aerobic rural small diameter gravity sewers

有氧農村小直徑重力下水道中生物膜的特性

來源: Journal of Environmental Sciences, 90 (2020) 1-9

《環境科學學報》，第90卷 2020年 1-9頁

 

摘要

介紹了小直徑重力下水道（SDGS）因其低成本和快速建造的特點而被廣泛應用于農村污水收集，但對其生物膜特性尚不清楚。本研究通過實驗室模擬不同水流條件和坡度，研究了有氧農村SDGS生物膜的特性。結果表明，生物膜平均厚度在350-650μm之間，在變流和高坡度條件下厚度減小；蛋白質是生物膜胞外聚合物（EPS）中最豐富的物質；通過16S rRNA測序發現優勢菌群為變形菌門、放線菌門和擬桿菌門，且功能菌在不同條件下分布不同；變流條件下反硝化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌和硫酸鹽還原菌（SRB）的相對豐度低于穩流條件；高坡度（15‰）減少了SRB的存在，這可用于緩解有氧SDGS中H2S的積累。總體而言，本研究描述了有氧農村SDGS生物膜的特性，并基于這些特性為SDGS的優化設計提供了寶貴建議。

 

研究目的

探究有氧農村小直徑重力下水道（SDGS）中生物膜的特性，包括其形態、組成和細菌群落，并重點考察水流條件（穩流與變流）和管道坡度對生物膜特性的影響，以期為SDGS的優化設計和應用提供理論依據和建議。

 

研究思路

通過搭建六組實驗室規模的SDGS模擬系統，在不同水流條件（穩流、變流）和不同坡度（5‰、10‰、15‰）下運行，培養成熟生物膜后，對生物膜樣本進行采集和分析。分析內容包括生物膜的形態（如厚度）、化學成分（如EPS組成）和微生物群落結構（通過16S rRNA高通量測序），特別關注了功能菌群的分布，從而揭示水流條件和坡度對SDGS生物膜特性的影響。

 

測量的數據及研究意義

1 生物膜厚度：使用丹麥Unisense微電極系統和彎絲測量，數據來自圖3。研究意義在于厚度反映了生物膜的宏觀生長狀況，受水流剪切力和環境條件影響，是評估生物膜物理特性和反應器性能的關鍵參數。

 

2 總固體（TS）和揮發性固體（VS）：使用標準方法測量。研究意義在于VS/TS比值高表明生物膜有機質含量高，生物活性強，反映了生物膜的組成和潛在代謝活性。

3 胞外聚合物（EPS）組成：測量了蛋白質、腐殖質和多糖的含量。研究意義在于EPS影響生物膜的結構穩定性、附著性和傳質過程，蛋白質作為主要成分其變化反映了生物膜對環境的適應。

4 細菌群落結構：通過Illumina HiSeq測序16S rRNA基因，分析了門水平和屬水平的菌群分布，數據來自圖4。研究意義在于揭示微生物群落的整體構成和多樣性，幫助理解SDGS生物膜的生態功能。

 

5 功能細菌的相對豐度：包括反硝化細菌（DNB）、氨氧化細菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）、硫氧化細菌（SOB）和硫酸鹽還原菌（SRB），數據來自圖6。研究意義在于這些功能菌直接參與氮、硫等元素的生物地球化學循環，影響污水的預處理效果和硫化氫等惡臭氣體的產生，其豐度變化對于評估和控制下水道環境至關重要。

 

結論

1 有氧農村SDGS生物膜的平均厚度在350-650μm之間，變流條件和高坡度會導致厚度減小。

2 蛋白質是SDGS生物膜EPS中最主要的組分。

3 優勢菌門是變形菌門、放線菌門和擬桿菌門，優勢菌屬是Arenimonas、Paenarthrobacter和Flavobacterium。

4 檢測到了DNB、AOB、NOB、SRB和SOB等功能菌，其中DNB的豐度明顯高于其他功能菌。

5 水流條件和坡度對生物膜的形態和菌群特性有顯著影響，且水流條件的影響更為明顯。變流條件降低了生物膜厚度、菌群多樣性以及部分功能菌（如NOB、DNB、SRB）的相對豐度。基于穩流條件的研究可能會高估功能菌在真實流動條件下的豐度。

6 高坡度（15‰）在變流條件下降低了SRB的豐度，提高了SOB的豐度，有助于降低H2S積累和惡臭產生的風險。

 

使用丹麥unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極系統測量出的生物膜厚度數據具有重要的研究意義。該電極提供了高分辨率的空間測量（分辨率50μm），能夠精確刻畫生物膜在三維空間上的分布異質性。研究發現生物膜在最厚處通常位于水-氣界面，這是因為該處剪切力相對較低而局部溶解氧濃度較高。這種精確的厚度測量使得研究者能夠定量評估水流剪切力（由水流條件和坡度導致）對生物膜生長和穩定性的影響，例如變流條件產生的時變高剪切力可以沖刷生物膜使其變薄。因此，這些厚度數據是連接流體力學條件與生物膜生理生態特性的關鍵橋梁，對于理解和預測下水道中生物膜相關的物質轉化（如硫化氫生成）和系統管理具有重要意義。