“污水管道生物膜是污水管道生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)、影響因素以及物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化功能的研究對(duì)于豐富污水管道認(rèn)知、優(yōu)化污水管道管理具有重要意義，亦可為科學(xué)研究和政府決策提供支撐。”污水管道生物膜的環(huán)境功能

有利功能：預(yù)處理污水，去除污水中部分COD和總氮，降低污水廠負(fù)荷。

不利功能：產(chǎn)生CH4和H2S等代謝產(chǎn)物，危害管道安全和人體健康；加速管道腐蝕，增加管道運(yùn)維成本。

污水管道生物膜結(jié)構(gòu)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)：一般而言，污水管道生物膜的厚度在1mm左右。污水管道生物膜由無(wú)機(jī)物（水、無(wú)機(jī)鹽）和有機(jī)物（微生物、胞外聚合物）組成。有機(jī)物中主要為胞外聚合物，以蛋白質(zhì)為主，而微生物僅占有機(jī)物總量15%，每克干重生物膜含約108-1012個(gè)微生物。

群落結(jié)構(gòu)：污水管道生物膜群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前研究較多的是細(xì)菌和古菌。從分類的角度講，細(xì)菌以變形菌門為優(yōu)勢(shì)菌，擬桿菌門、厚壁菌門以及放線菌門亦有大量分布。從功能菌的角度講，發(fā)酵細(xì)菌主要有Trichococcus和Cloacibacterium，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌主要有Veillonella和Anaerolinea，反硝化細(xì)菌主要有Rhodobacter和Dechloromonas，硫酸鹽還原菌主要有Desulfomicrobium和Desulfobacter，硫氧化菌主要有Sphingomonas和Acidiphilium，產(chǎn)甲烷古菌主要有Methanosaeta和Methanothrix。

污水管道生物膜的影響因素

a) 污水管道運(yùn)行模式

運(yùn)行模式對(duì)污水管道生物膜的影響，其核心是污水溶解氧的影響。以最為常見(jiàn)的重力流管道和壓力流管道為例進(jìn)行分析（圖1）。通風(fēng)良好的重力流管道由于污水上方存在空氣，污水溶解氧相對(duì)較高，管道生物膜表層以好氧菌為主，里層以缺氧菌和厭氧菌為主。通風(fēng)不良的重力流管道由于復(fù)氧過(guò)程較弱，污水溶解氧的長(zhǎng)期低于0.5 mg/L，形成的管道生物膜主要以缺氧菌和厭氧菌為主。壓力流管道由于管道被污水充滿，沒(méi)有空氣進(jìn)行復(fù)氧過(guò)程，管道環(huán)境基本處于厭氧狀態(tài)，形成的生物膜基本為厭氧菌。

b) 污水水質(zhì)污水在管道輸送的過(guò)程中，由于管道生物膜和懸浮微生物的降解作用，水質(zhì)逐漸發(fā)生變化，進(jìn)而改變管道生物膜的群落結(jié)構(gòu)。在通風(fēng)不良的管道中，隨著管道長(zhǎng)度的增加，污水中的溶解氧逐漸降低，管道環(huán)境逐漸向缺氧和厭氧方向發(fā)展，生物膜中產(chǎn)甲烷古菌和硫酸鹽還原菌的豐度逐漸升高。在通風(fēng)良好的管道中，溶解氧在管道沿程方向變化相對(duì)較小，生物膜縱向厚度上的溶解氧變化導(dǎo)致的生物膜群落結(jié)構(gòu)差異顯著。污水pH整體相對(duì)變化不大，但是在局部微環(huán)境中的pH變化會(huì)顯著改變局部生物膜群落結(jié)構(gòu)，相關(guān)的研究在管道腐蝕領(lǐng)域較多。

c) 剪切應(yīng)力

污水在管道流動(dòng)的過(guò)程中，管壁處的流體剪切應(yīng)力對(duì)生物膜具有顯著影響。重力流污水管道為防止管道淤積，一般需要保持0.6-0.75 m/s的污水流速，對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力約為1-2N/m2。一般而言，低剪切應(yīng)力的環(huán)境容易形成管道沉積物，促進(jìn)生物膜的形成；高剪切應(yīng)力的環(huán)境容易降低生物膜中的微生物多樣性并減緩生物膜的生長(zhǎng)過(guò)程。

d) 其他

管材對(duì)生物膜也有重要影響。一般而言，世界上的污水管道應(yīng)用最為廣泛的是混凝土管道和塑料管道。塑料管道由于在耐腐蝕性和運(yùn)輸安裝成本方面明顯優(yōu)于混凝土管道，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是，混凝土管道內(nèi)生物膜的H2S氧化速率大約高于塑料管道兩個(gè)數(shù)量級(jí)，將混凝土管道替換為塑料管道可能會(huì)增加管道中H2S的濃度，改變生物膜群落結(jié)構(gòu)。這種管材替換雖然降低了管道運(yùn)輸安裝的建設(shè)成本和管道腐蝕方面的運(yùn)維成本，但是可能增加管道H2S的積累。污水停留時(shí)間和A/V (潤(rùn)濕面積/污水體積) 對(duì)硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷古菌有一定的影響。物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化

a) 有機(jī)物

污水中的有機(jī)物在管道生物膜和懸浮微生物的作用下，可以被逐漸降解為揮發(fā)性脂肪酸、CH4和CO2。其中，管道生物膜產(chǎn)甲烷過(guò)程是非常值得關(guān)注的。一般而言，微生物的產(chǎn)甲烷過(guò)程有三種通路，即乙酸型、甲醇型和CO2型，污水管道生物膜主要通過(guò)乙酸型通路產(chǎn)甲烷，其中最為主要的產(chǎn)甲烷菌為Methanosaeta和Methanothrix（圖2）。一般而言，管道產(chǎn)甲烷過(guò)程更傾向于發(fā)生在高COD、長(zhǎng)水力停留時(shí)間以及高A/V的厭/缺氧管道內(nèi)。因此，在通風(fēng)不良的流速較慢的重力流管道和壓力流管道內(nèi)應(yīng)格外注意產(chǎn)甲烷風(fēng)險(xiǎn)。大量研究探索了采用投加化學(xué)藥劑的方法來(lái)控制管道產(chǎn)甲烷過(guò)程，例如投加堿、鐵鹽、氮的氧化物以及氧氣等。其中，向壓力流管道中投加堿、鐵鹽和硝酸鹽是較為有效安全的管道產(chǎn)甲烷控制措施。在重力流管道中，維持較高的污水流速并保持良好的管道通風(fēng)是更好的長(zhǎng)期管控手段。

b)硫

污水中的硫酸鹽可以在厭氧條件下被硫酸鹽還原菌還原為H2S，H2S繼而被硫氧化菌氧化為單質(zhì)硫和硫酸鹽。H2S氣體是一種具有惡臭的有毒氣體，其氧化形成的硫酸可以加速管道的腐蝕。Desulfomicrobium、Desulfobacter和Desulfuromonas是污水管道中較為常見(jiàn)的硫酸鹽還原菌，而Acidiphilium、Thiomonas和Thiobacillus是較為常見(jiàn)的硫氧化菌（圖3）。H2S較易在高溫、長(zhǎng)水力停留時(shí)間以及高COD濃度的管道中大量產(chǎn)生�？梢圆捎脧�(qiáng)化管道通風(fēng)、提高管道坡度以及取消化糞池等手段降低H2S產(chǎn)生量。另外，投加硝酸鹽、亞硝酸鹽、堿、鐵鹽以及氧氣等方案都可以降低管道H2S的產(chǎn)量，其中加堿升高污水pH是最為有效的控制方案。但是，從長(zhǎng)期看，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)和施工水平，保持良好的管道通風(fēng)并降低污水停留時(shí)間才是更好的控制手段。

c) 氮

污水管道生物膜中存在氮循環(huán)功能菌，例如反硝化菌和固氮菌等（圖4）。在污水處理設(shè)施中常見(jiàn)的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌在污水管道生物膜中豐度很低，主要是由于管道整體的缺氧環(huán)境和污水中豐富的有機(jī)物強(qiáng)化了生長(zhǎng)迅速的異養(yǎng)型細(xì)菌的增殖，而自養(yǎng)型的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌被逐漸淘汰。污水管道中可以發(fā)生顯著的反硝化過(guò)程，去除污水中部分硝酸鹽。宏基因組測(cè)序的研究結(jié)果也證明，污水管道生物膜中反硝化功能基因是所有氮循環(huán)功能基因中豐度最高的。但是，目前關(guān)于污水管道氮循環(huán)的研究相比于有機(jī)物降解研究和硫代謝研究仍然明顯不足。

d) 新型微污染物

污水管道中一些新型微污染物（包括部分生物標(biāo)記物、抗性基因以及人工納米材料等）存在遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。一些基于污水的流行病學(xué)研究，研究了毒品、煙草和酒精等生物標(biāo)志物在污水管道中的變化過(guò)程，通過(guò)獲得的結(jié)論預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)毒品、煙草以及酒精等在人群中的使用情況，取得了不錯(cuò)的預(yù)測(cè)效果。污水管道生物膜中含有大量的抗性基因，是抗性基因的源和匯之一，具有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。污水管道生物膜在代謝過(guò)程中產(chǎn)生了大量的代謝物，例如硫化物、半胱氨酸以及組氨酸等，可以與污水中的人工納米材料絡(luò)合，影響其在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為。展望

• 污水管道微生物研究主要集中在市政污水管道上，然而應(yīng)用廣泛的真空流污水管道、農(nóng)村污水管道以及工業(yè)污水管道中生物膜的研究仍然缺乏，需進(jìn)一步探究。

• 已有管道生物膜結(jié)果多基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的穩(wěn)定流態(tài)研究，而現(xiàn)實(shí)中的污水管道大多處于變化流態(tài)中。流態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致剪切應(yīng)力的變化，進(jìn)而影響管道生物膜的特性。因此，未來(lái)研究應(yīng)關(guān)注流態(tài)變化對(duì)于管道生物膜的影響。

• 近年來(lái)，動(dòng)態(tài)模型已應(yīng)用于污水處理反應(yīng)器的研究并獲得了不錯(cuò)的模擬結(jié)果，其可進(jìn)一步應(yīng)用于管道生物膜的模擬研究中。

• 污水管道生物膜對(duì)于氮和新型污染物遷移轉(zhuǎn)化的研究尚不足，需進(jìn)一步深入探究。

原標(biāo)題:污水管道生物膜大揭秘