污水管网硫化氢与甲烷生成的水力影响机制研究

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城市污水管网沉积物中含有大量的微生物,其中硫酸盐还原菌(SRB)与产甲烷菌(MA)为优势菌群,在代谢过程中产生了硫化氢(H2S)和甲烷(CH4)气体,其具有的易燃易爆性、有毒性显著威胁了污水管网的安全稳定运行。为探明城市污水管网中水力扰动对硫化氢和甲烷生成的影响,本研究通过控制不同流速扰动沉积物,解析了水力扰动对污水管道中沉积层污染物、环境因子、硫酸盐还原菌和产甲烷菌的影响,进而为控制污水管网中硫化氢与甲烷气体的产生提供了理论依据。论文的主要结论有以下几方面:(1)对水力扰动前后沉积层污染物分层分布的变化规律检测,结果表明,碳类、氮类、磷类和硫酸盐污染物主要富集在表层,且随沉积层深度的增加而减少,硫化物主要富集在底层且随沉积层深度的增加而不断增加。在不同流速水力扰动下沉积物各层的碳类、硫类、氮类和磷类污染物的含量均呈现减少趋势。(2)对沉积层中不同水力条件下的环境因子变化规律进行监测,结果表明,沉积层中的DO、ORP在水力扰动下均不断增大,其中DO在水力扰动下增大了0.03~0.40 mg·L-1,ORP在水力扰动下增大了16~158 mv;通过Spearman分析EPS与硫酸盐还原菌和产甲烷菌正相关,EPS在0.5 m·s-1水力扰动下含量不断增多,0.75 m·s-1~1.2 m·s-1水力扰动下其含量不断减少。沉积层中EPS等污染物质及DO、ORP等环境因子在较大水力扰动下(v≥0.75 m·s-1)变得不利于硫酸盐还原菌和产甲烷菌的代谢繁衍。(3)通过对不同水力条件下沉积层中硫酸盐还原菌和产甲烷菌的种群分布检测可知,属水平硫酸盐还原菌种群有Desulfomicrobium、Desulforhabdus、Desulfobulbus、Desulfococcus、Desulfovibrio等18种,其在水力扰动下呈现减少趋势;属水平产甲烷菌种群有Methanosaeta、Methanobacterium、Methanolinea、Methanospirillum等11种,在0.5 m·s-1流速下微生物群落所占比例整体增加,在0.75 m·s-1~1.2 m·s-1流速下微生物群落所占比例整体减少。沉积层中硫酸盐还原菌与产甲烷菌微生物群落所占比例在较大水力扰动下(v≥0.75 m·s-1)均呈减小趋势。(4)结合水力扰动下沉积层污染物、环境因子的变化规律,以及硫酸盐还原菌和产甲烷菌种群丰度变化可知,水力扰动不利于硫酸盐还原菌与产甲烷菌代谢产生硫化氢与甲烷气体。同时,通过对水力扰动下污水管道中硫化氢与甲烷气体浓度监测,发现1.0 m·s-1~1.2 m·s-1流速能短时间内对沉积层产生剧烈的扰动,抑制约95%硫化氢气体、90%甲烷气体的产生。研究结果为控制污水管网中硫化氢与甲烷气体的产生提供了理论依据。
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