Greywater: Understanding biofilm bacteria succession, pollutant removal and low sulfide generation in small diameter gravity sewers  

灰水：小口徑重力下水道中生物膜細菌演替、污染物去除及低硫化物生成的理解  

來源：Journal of Cleaner Production, Volume 268, 2020, Article 122426  

《清潔生產雜志》，第268卷，2020年，文章編號122426  

 

摘要  

本研究探討了采用小口徑重力下水道（SDGS）單獨收集灰水（生活廢水中除廁所污水外的部分）時，其生物膜內的細菌特性、污染物去除能力及硫化物生成情況。通過運行SDGS反應器并結合定量聚合酶鏈反應（qPCR）和高通量測序技術，進行了為期90天的研究。結果表明，灰水SDGS生物膜的厚度（主要在1040-2120μm之間）、細菌數量（約4×10^8 個細胞/cm2）、細菌群落及功能菌分布均呈現規律性變化。變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）是優勢菌門，假單胞菌屬（Pseudomonas）和腸桿菌屬（Enterobacter）豐度相對穩定。硫酸鹽還原菌（SRB）和反硝化細菌（DNB）存在于生物膜中，SRB數量不依賴于溶解氧濃度，而與生物膜厚度呈線性關系。灰水SDGS能夠穩定降低化學需氧量（COD），但對氮磷的去除效果不穩定。研究證實，灰水SDGS產生的硫化物濃度極低（<0.08 mg L?1 km?1），這對下水道的運行維護非常有利。本研究深入分析了灰水SDGS中的細菌群落和污染物去除情況，并確認了其低硫化物生成的特性，有助于下水道系統的可持續發展。

 

研究目的  

本研究旨在探究利用小口徑重力下水道（SDGS）單獨收集灰水時，其系統內生物膜的細菌群落演替規律、對污染物的去除能力，以及硫化物生成的特征和強度，以評估灰水SDGS系統在污染物預處理和避免下水道腐蝕方面的潛力。

 

研究思路  

1.  系統構建與運行：搭建5個串聯的實驗室尺度反應器（G1-G5）來模擬長達1000米的灰水SDGS系統，并連續運行90天。

2.  水質與生物膜表征：定期監測灰水水質（DO、pH、COD、TN、NH??-N、TP、硫酸鹽、硫化物）和生物膜物理參數（厚度、細菌總數）。

3.  微生物群落分析：運用qPCR技術定量分析生物膜中的總細菌、SRB和DNB的絕對數量；利用Illumina高通量測序技術解析細菌群落的組成、多樣性和演替規律。

4.  功能與性能關聯：將微生物群落結構、功能菌數量與系統的污染物（COD、N、P）去除效率及硫化物生成量進行關聯分析，闡明其內在聯系。

 

測量的數據及研究意義  

1.  生物膜厚度與細菌總數（來自圖2）：生物膜厚度在90天內呈現周期性變化，細菌數量穩定在約4×10^8 cells/cm2。該數據揭示了灰水SDGS中生物膜獨特的生長動力學（非傳統穩定增厚），為其獨特的微環境提供了物理基礎。

 

2.  細菌群落結構與演替（來自圖3a, b）： Proteobacteria（60.39±12.31%）和Bacteroidetes（26.22±13.94%）是絕對優勢門，Pseudomonas（14.47±6.59%）和Enterobacter（6.01±2.01%）是穩定存在的屬。該數據表明灰水SDGS形成了獨特且隨時間演替的微生物生態系統，其中某些關鍵菌屬具有穩定性。

 

3.  功能菌（SRB, DNB）的定量與分布（來自圖4a, b, c）：通過qPCR和測序均檢測到SRB和DNB的存在。SRB數量與生物膜厚度呈線性相關（R2=0.79），而與水體DO濃度無關。該數據至關重要，它表明生物膜厚度而非水體DO是決定SRB棲息的關鍵因素，厚生物膜內部能形成厭氧微環境供SRB生長。

 

4.  污染物濃度沿程變化（來自圖5a）：COD的去除是穩定且有效的（總去除率約22.31%），而TN和TP的去除效果不穩定且微弱。該數據明確了灰水SDGS的主要功能是去除有機物（預處理），但不能依賴其進行可靠的脫氮除磷。

 

5.  硫化物生成量（來自圖5b）：整個系統（1000米）的硫化物生成量極低，最高值僅約0.08 mg/L，遠低于傳統污水下水道。該數據是本研究最關鍵的發現之一，證實了灰水SDGS在控制硫化物腐蝕和異味方面的巨大優勢。

 

結論  

1.  灰水SDGS中能形成獨特且動態變化的生物膜，其微生物群落隨時間發生顯著演替，但Proteobacteria、Bacteroidetes、Pseudomonas和Enterobacter始終占據主導或穩定地位。

2.  SRB存在于生物膜中，其數量與生物膜厚度直接相關，表明生物膜內部的厭氧微環境是其生存的決定因素，而非水體的整體DO水平。

3.  灰水SDGS能穩定有效地去除COD，可作為灰水有機物的預處理單元，但其對氮磷的去除不可靠，需要后續處理工藝。

4.  最關鍵的是，灰水SDGS的硫化物生成量極低（<0.08 mg L?1 km?1），比傳統污水下水道低近兩個數量級。這主要歸因于灰水中有機物（SRB底物）濃度較低且系統整體DO水平較高。

5.  因此，采用SDGS進行灰水的單獨收集，是一種兼具經濟效益（低維護成本）和環境效益（低腐蝕風險、利于回用）的可持續方案。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究中使用丹麥Unisense公司的微電極系統（具體型號提及了MM33和LS18）來測量生物膜的厚度。其研究意義在于：  

1.  高精度空間分辨率：Unisense微電極能夠精確穿透生物膜并測量其厚度，提供了關于生物膜物理結構形成和動態變化的直接、定量數據。本研究觀察到生物膜厚度并非持續增加，而是呈現周期性變化，這一獨特現象是理解灰水SDGS中微生物過程和污染物轉化機制的關鍵前提。

2.  揭示微環境與功能的聯系：生物膜厚度數據與SRB數量的線性關系（R2=0.79）是本研究的核心發現之一。Unisense電極提供的精確厚度測量，使得建立這一關系成為可能。它強有力地證明，盡管灰水主體中的DO濃度相對較高（G5中仍>0.5 mg/L），但厚生物膜內部形成了有效的DO梯度，從而為嚴格厭氧的SRB創造了生存空間。這解釋了為何在看似有氧的條件下系統中仍能檢測到SRB。

3.  區分整體與局部環境：測量數據表明，不能僅憑水體主體的DO濃度來預測下水道管壁微生物的活性和功能。Unisense電極對生物膜厚度的測量，幫助研究者將“水體環境”與“生物膜微環境”區分開來，強調了從微觀尺度研究下水道過程的必要性。

綜上所述，Unisense微電極提供的生物膜厚度數據，不僅是描述性的參數，更是連接物理結構（厚度）、化學微環境（厭氧區）和生物功能（SRB活性）之間的橋梁，為合理解釋灰水SDGS低硫化物生成這一突出優勢提供了關鍵性的實驗證據。