Effect of flow rate on growth and oxygen consumption of biofilm in gravity sewer

流速對重力下水道中生物膜生長和氧氣消耗的影響

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 24, Pages 427-435, 2017

《環(huán)境科學(xué)與污染研究》第24卷，第427-435頁，2017年

 

摘要

摘要闡述了將下水道視為反應(yīng)器的功能依賴于其中的生物膜。本文通過微電極技術(shù)、氧氣吸收率（OUR）技術(shù)和454高通量測序技術(shù)，研究了不同水力條件下生物膜的形成、結(jié)構(gòu)、氧氣傳遞和活性。結(jié)果表明，當(dāng)壁面剪切應(yīng)力分別為1.12、1.29和1.45 Pa時(shí)，穩(wěn)態(tài)生物膜的孔隙率分別為69.1%、64.4%和55.1%，OUR最大值分別為0.033、0.027和0.022 mg/(L·s)，下水道中的COD去除效率分別達(dá)到40%、35%和32%。研究結(jié)果對提高下水道處理效率具有重要意義。

 

研究目的

研究旨在探討壁面剪切應(yīng)力如何通過影響生物膜結(jié)構(gòu)來調(diào)控生物膜活性，從而影響重力下水道中的COD去除效率，為優(yōu)化下水道作為反應(yīng)器的功能提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

 

研究思路

研究通過建立三個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的重力下水道反應(yīng)器，模擬不同壁面剪切應(yīng)力條件（1.12、1.29和1.45 Pa），使用合成廢水培養(yǎng)生物膜。利用微電極系統(tǒng)測量生物膜厚度和溶解氧分布，通過孔隙率測試、高通量測序和OUR實(shí)驗(yàn)分析生物膜物理結(jié)構(gòu)、微生物群落和氧氣消耗特性，最終評估COD去除效率，以揭示水力條件對生物膜功能和下水道處理性能的影響。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 生物膜厚度：數(shù)據(jù)來自圖4，顯示生物膜厚度隨壁面剪切應(yīng)力變化，在1.29 Pa時(shí)最大（2.7±0.1 mm）。研究意義在于生物膜厚度影響傳質(zhì)過程，進(jìn)而調(diào)控微生物活性和降解效率。

 

2 孔隙率：數(shù)據(jù)來自圖5、6、7、8，顯示孔隙率隨壁面剪切應(yīng)力增加而降低（從69.1%到55.1%）。研究意義是孔隙率決定氧氣和底物在生物膜內(nèi)的傳遞能力，影響微生物的分布和代謝活動(dòng)。

 

 

 

 

3 溶解氧分布：使用丹麥Unisense電極測量，數(shù)據(jù)來自圖6、7、8，顯示溶解氧隨生物膜厚度增加而下降，在較高剪切應(yīng)力下氧氣滲透深度更淺。研究意義是溶解氧條件直接影響好氧和厭氧微生物的平衡，進(jìn)而影響群落結(jié)構(gòu)和功能。

4 微生物群落結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)來自表2和圖10，通過高通量測序顯示主要菌門為Proteobacteria、Candidate_division_TM7和Bacteroidetes，其比例隨剪切應(yīng)力變化。研究意義是微生物多樣性差異反映了環(huán)境適應(yīng)性，與氧氣條件和孔隙率相關(guān)，影響降解能力。

 

 

5 氧氣吸收率（OUR）：數(shù)據(jù)來自圖11，顯示OUR最大值隨剪切應(yīng)力增加而降低（從0.033到0.022 mg/(L·s)）。研究意義是OUR表征異養(yǎng)微生物活性，其變化與氧氣可用性和微生物組成直接相關(guān)，是評估生物膜代謝強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。

 

6 COD去除效率：數(shù)據(jù)來自圖12，顯示效率隨剪切應(yīng)力增加而降低（從40%到32%）。研究意義是COD去除效率綜合反映生物膜的整體性能，與孔隙率、OUR和微生物結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，為下水道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

 

結(jié)論

1 壁面剪切應(yīng)力顯著影響生物膜的物理和微生物結(jié)構(gòu)，孔隙率隨剪切應(yīng)力增加而降低，微生物群落中Proteobacteria和Bacteroidetes比例減少，而Candidate_division_TM7增加。

2 剪切應(yīng)力通過改變孔隙率和氧氣分布，影響OUR和COD去除效率，較低剪切應(yīng)力（1.12 Pa）下生物膜活性更高，處理效果更優(yōu)。

3 研究結(jié)果為通過調(diào)節(jié)流速優(yōu)化下水道性能提供了理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)了水力條件在“下水道作為反應(yīng)器”應(yīng)用中的重要性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量溶解氧分布的研究意義在于其高精度和快速響應(yīng)能力（響應(yīng)時(shí)間小于3秒），能夠?qū)崟r(shí)捕捉生物膜內(nèi)部的氧氣梯度變化。如圖6、7、8所示，電極數(shù)據(jù)揭示了氧氣滲透深度隨壁面剪切應(yīng)力增加而減小（從2350 μm到1750 μm），這直接證明了孔隙率對氧氣傳遞的限制作用。這種測量不僅量化了生物膜的微環(huán)境缺氧程度，還關(guān)聯(lián)了微生物的空間分布，例如好氧菌在氧氣豐富區(qū)域的優(yōu)勢。此外，數(shù)據(jù)幫助驗(yàn)證了氧氣條件對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響（如Proteobacteria的減少），為理解生物膜代謝機(jī)制和優(yōu)化下水道通氣策略提供了關(guān)鍵證據(jù)，突顯了微電極技術(shù)在環(huán)境微生物學(xué)研究中的價(jià)值。