重力流排水管道内碳硫比对甲烷和硫化氢产生以及碳转化的影响

摘要

由于甲烷对全球温室效应的巨大贡献和硫化氢对排水管道的腐蚀问题，排水管道内甲烷和硫化氢的产生受到越来越多的关注。排水管道内甲烷和硫化氢的产生主要是由于排水管道生物膜内的产甲烷菌和硫酸盐还原菌的作用。排水管道内好氧、缺氧、厌氧的交替出现以及污水在排水管道内数小时的停留时间，使得产甲烷菌和硫酸盐还原菌能够在排水管道生物膜内共存。在甲烷和硫化氢产生过程中，产甲烷菌和硫酸盐还原菌都需要利用乙酸和氢气作为电子供体，这必然会导致产甲烷菌和硫酸盐还原菌对共同电子供体的竞争。影响产甲烷菌和硫酸盐还原菌竞争的因素很多，而碳硫比是最主要的一个因素。本论文主要关注了重力流排水管道内碳硫比对甲烷和硫化氢的产生以及产甲烷菌和硫酸盐还原菌对电子供体竞争的影响。为此，本研究搭设了排水管道生物膜反应器，在三种碳硫比（C/S=3，6.08和9）条件下运行，利用气相色谱仪对甲烷、硫化氢和二氧化碳进行测试，根据甲烷和硫化氢产量，建立了排水管道内甲烷和硫化氢产量模型。试验结束后，结合高通量测序技术对三种碳硫比下生物膜内产生结构进行了探究。另外，本论文还对硫酸盐还原菌对乙酸和丙酸的利用能力进行了分析。
　　本研究得出的主要结论如下：
　　①三种碳硫比条件下，尽管产甲烷菌门和硫酸盐还原菌门种类数相差不多，可是产甲烷菌数量却远远多于硫酸盐还原菌数量。碳硫比等于3时，共检测到6种产甲烷菌门和7种硫酸盐还原菌门，在三种碳硫比条件下，产甲烷菌数量最少，硫酸盐还原菌数量最多，Methanobacterium，Terrestrial-Miscellaneous-Gp-TMEG和Methanothermobacter是产甲烷菌中的优势菌种，Desulfitobacterium是硫酸盐还原菌中的优势菌种。碳硫比等于6.08时，共检测到6种产甲烷菌门和6种硫酸盐还原菌门，Methanobacterium和Methanosarcina是产甲烷菌中的优势菌种，Desulfotomaculum,Desulfovibrio和Desulfitobacterium是硫酸盐还原菌中的优势菌种。碳硫比等于9时，共检测到6种产甲烷菌门和5种硫酸盐还原菌菌门，在三种碳硫比条件下，产甲烷菌数量最多，硫酸盐还原菌数量最少，Methanosarcina在产甲烷菌中处于完全主导地位，而Desulfitobacterium是硫酸盐还原菌中的优势菌种。
　　②排水管道内，碳硫比对甲烷产量的影响明显大于对硫化氢产量的影响，最小甲烷产量比最大甲烷产量少了172％，而最小硫化氢产量只比最大硫化氢产量少了72%。三种碳硫比条件下，甲烷产量明显比硫化氢产量多。最大甲烷产量118.45mg，在碳硫比等于9时获得，而硫化氢最大产量仅仅只有27.65mg，在碳硫比等于3时获得。
　　③相同条件下，硫酸盐还原菌对丙酸的利用能力更强。三种碳硫比条件下，丙酸的消耗量都明显大于乙酸消耗量，硫酸盐还原菌利用丙酸产生的硫化氢也大于其利用乙酸产生的硫化氢。碳硫比等于3时，每毫克乙酸能够产生0.02mg硫化氢，每毫克丙酸能够产生0.028mg硫化氢。碳硫比等于6.08时，每毫克乙酸产生0.007mg硫化氢，每毫克丙酸能产生0.015mg硫化氢。碳硫比等于9时，每毫克乙酸产生0.006mg硫化氢，每毫克丙酸产生0.011mg硫化氢。碳硫比等于3时，即硫酸盐浓度为333.3mg/L时，硫酸盐还原菌对乙酸和丙酸都能有效利用，而碳硫比等于6.08和9，即硫酸盐浓度分别为164.5mg/L和111.1mg/L时，硫酸盐还原菌更倾向利用丙酸。
　　④三种碳硫比条件下，产甲烷菌所利用的碳源都大于硫酸盐还原菌所利用碳源。高的碳硫比对产甲烷菌在和硫酸盐还原菌对碳源的竞争中的胜出至关重要。碳硫比等于9时，产甲烷菌在和硫酸盐还原菌对碳源的竞争中处于完全主导的地位。而碳硫比等于3时，虽然有足够的电子受体，但是硫酸盐还原菌依然不能在和产甲烷菌的竞争中处于主导地位，而且在实验后期，随着硫酸盐的消耗产甲烷菌却在和硫酸盐还原菌的竞争中胜出。
　　⑤建立了重力流排水管道内甲烷和硫化氢产量模型，模型建立和验证时的 R2都大于0.90，表明本模型是合理的，可靠的。本模型综合考虑了碳硫比及其他水力条件，并且能够同时预测重力流排水管道内甲烷和硫化氢的产生，对甲烷和硫化氢的控制研究具有重要指导意义。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究目的与内容

2 材料与方法

2.1试验装置搭建与运行

2.2 试验用水来源与水质

2.3化学测试

2.4高通量测序

2.5 硫酸盐还原菌对乙酸和丙酸利用能力分析试验

3 不同碳硫比对微生物群落结构及甲烷、硫化氢产量的影响

3.1 碳硫比对微生物群落结构的影响

3.2碳硫比对甲烷和硫化氢产量的影响

3.3 本章小结

4 不同碳硫比条件下产甲烷菌和硫酸盐还原菌对碳源的竞争

4.1不同碳硫比条件下硫酸盐还原菌对乙酸和丙酸的利用

4.2不同碳硫比条件下碳的迁移转化

4.3本章小结

5 重力流排水管道内甲烷和硫化氢产量模型研究

5.1模型建立

5.2模型验证

5.3本章小结

6 结论与建议

6.1结论

6.2建议

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和专利

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目