城市排水系統(tǒng)由化糞池、排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等設(shè)施組成，是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其中排水管網(wǎng)集污廢水、雨水的收集、輸送等功能于一體，對(duì)城市的未來(lái)發(fā)展水平起到了決定性的作用。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市地上建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，而地下排水管網(wǎng)卻往往被忽略。截至2015年末，全國(guó)城市排水管道長(zhǎng)度達(dá)53.96萬(wàn)km，服務(wù)城鎮(zhèn)人口達(dá)77 116萬(wàn)人，而相應(yīng)的檢測(cè)維修工作則十分薄弱。隨著管齡逐漸增長(zhǎng)，老舊管網(wǎng)缺乏日常養(yǎng)護(hù)，易出現(xiàn)腐蝕、破裂、錯(cuò)位等問(wèn)題，繼而導(dǎo)致污水滲漏、地下水入滲，危及水環(huán)境質(zhì)量、引發(fā)城市內(nèi)澇。
污水在城市排水管道中的長(zhǎng)時(shí)間輸送以及管道中相對(duì)封閉的狀態(tài)，造成了管道中廢氣的積累，其危害性不亞于污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害氣體，其中H2S與CH4的危害性最為突出。污水中的硫酸鹽被硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)轉(zhuǎn)化成H2S，腐蝕管道結(jié)構(gòu)、增加修復(fù)成本。管道中的厭氧環(huán)境亦適于產(chǎn)甲烷菌(methanogenic archaea, MA)的生長(zhǎng)，研究表明，管道中液相甲烷濃度高達(dá)20~25 mg˙L−1，其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)相當(dāng)于處理等量污水所消耗的能源，且極易引發(fā)下水道爆炸事故;產(chǎn)甲烷過(guò)程中利用了大量溶解性COD(soluble COD, sCOD)， 增大了后續(xù)污水處理廠生物脫氮的難度。
本研究概述了排水管道中生物膜的菌群結(jié)構(gòu)和分布特征，重點(diǎn)闡述與分析了管道內(nèi)SRB和MA的代謝機(jī)理及相互關(guān)系，總結(jié)了管道廢氣控制技術(shù)對(duì)SRB、MA的不同抑制效果，從而為城市排水管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)提供理論支撐。
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為主，含有豐富的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且管道內(nèi)部為密閉空間，為厭氧菌的生長(zhǎng)提供了有利條件。實(shí)際管道生物膜中的細(xì)菌以擬桿菌綱、β-變形菌綱、δ-變形菌綱為主，古菌則以甲烷鬃毛狀菌科、甲烷球菌科為主。SRB還原硫酸鹽所產(chǎn)生的H2S是管道腐蝕的主要原因，同時(shí)，研究表明，污水在管道輸送途中削減了大量sCOD，其中72%的削減量來(lái)自于產(chǎn)甲烷過(guò)程。因此，SRB和MA是管道中的2種關(guān)鍵菌群，實(shí)際管道中液相CH4、H2S濃度可達(dá)30 mg˙L−1、12 mg˙L−1 。目前，國(guó)內(nèi)排水管道的材質(zhì)多為混凝土，管道內(nèi)壁粗糙不平、比表面積較大，雖然水泥的水化過(guò)程產(chǎn)生了較高的堿度，但H2S的積累逐漸降低了液相pH，同時(shí)腐蝕管道表面，使微生物能夠不斷侵入管壁內(nèi)部，進(jìn)一步加劇管道結(jié)構(gòu)破損(見(jiàn)圖1)。
圖1 管道內(nèi)部橫截面
排水管道中生物膜的菌群分布與污水處理中顆粒污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)相似，SRB、MA存在分層分布的現(xiàn)象。由于MA的附著性較高、對(duì)厭氧環(huán)境要求更嚴(yán)格，MA主要分布在生物膜內(nèi)部，SRB則通常生長(zhǎng)在表面。污水中的硫酸鹽進(jìn)入生物膜后迅速被SRB還原利用，研究表明，管道底泥表面的硫酸鹽濃度約為45 mg˙L−1，而在1 cm處僅為3 mg˙L−1，限制了SRB向內(nèi)部增殖。而sCOD難以被完全消耗、能夠向深層繼續(xù)滲透，因此MA在內(nèi)層占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
管道生物膜的厚度約為700 μm，SRB主要分布在0~300 μm的外層，MA則主要分布在250 μm以下的內(nèi)層。從豐度來(lái)看，SRB在總微生物中所占比例從生物膜表面的20%逐漸下降到400 μm處的3%，MA占比則從生物膜表面的3%增加到700 μm處的75%。管道底泥一般厚度達(dá)數(shù)厘米，底泥的最上層(0~2 cm)是硫化物還原的主要場(chǎng)所，產(chǎn)甲烷的主要場(chǎng)所更深，范圍約占2.5~3.5 cm。SRB與MA兩者的相對(duì)豐度也隨深度而變化，SRB的相對(duì)比例從底泥表面的35%逐漸降至1 cm處的4%，2 cm以下SRB的存在可忽略不計(jì)。
2 排水管道中生物膜主要菌群的代謝機(jī)理
控制管道中H2S、CH4的根本途徑是深入了解SRB、MA的菌群結(jié)構(gòu)和特征，從代謝層面上抑制這2類菌群的生長(zhǎng)繁殖。
2.1 SRB分類及代謝機(jī)理
SRB能夠利用氫、乙酸、高級(jí)脂肪酸、醇、芳香族化合物、部分氨基酸、糖、多種苯環(huán)取代基的酸類及長(zhǎng)鏈溶解性烷烴等作為電子供體，除硫酸鹽外，富馬酸、二甲基亞砜、磺酸鹽等也可作為某些SRB的最終電子受體，最終產(chǎn)生H2S、乙酸、CO2等代謝終產(chǎn)物。
硫酸鹽的還原途徑如圖2所示，SO42−/SO32−本身氧化還原電位過(guò)低，SO42−須被激活成強(qiáng)氧化劑APS，之后再還原為S2−。污水中的有機(jī)碳源被降解時(shí)所產(chǎn)生的ATP和高能電子在這一途徑中被利用。某些SRB還可以利用硝酸鹽作為唯一氮源，進(jìn)行同化代謝。
圖2 硫酸鹽還原途徑
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已知的SRB共有40個(gè)屬137個(gè)種，分屬細(xì)菌界和古菌界(見(jiàn)表1)，其中大多數(shù)屬于δ-變形菌綱。管道中SRB的菌群結(jié)構(gòu)與廢水處理中有所不同：ITO等發(fā)現(xiàn)，在管道生物膜中，Desulfobulbus是SRB的優(yōu)勢(shì)菌屬，占總SRB數(shù)量的23%，該菌屬以利用丙酸為主;而廢水處理中最主要的SRB為Desulfovibrio和Desulfotomaculum，Desulfovibrio是典型的氫營(yíng)養(yǎng)型SRB。
表1 SRB菌群分類
