Different ferric dosing strategies could result in different control mechanisms of sulfide and methane production in sediments of gravity sewers

不同的鐵投加策略可導(dǎo)致重力式下水道沉積物中硫化物和甲烷生成的不同控制機(jī)制

來源：Water Research 164 (2019) 114914

 

論文摘要

本研究探討了在重力排水管道沉積物中，采用不同的三價(jià)鐵（Fe3?）投加策略（不同瞬時(shí)投加量和頻率）對控制硫化物（H?S）和甲烷（CH?） 產(chǎn)生的效果及其內(nèi)在機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，雖然所有Fe3?投加策略都能在短期內(nèi)有效抑制硫化物濃度，但其控制機(jī)制截然不同。采用低劑量、高頻率的策略時(shí)，F(xiàn)e3?無法滲透到沉積物深層，因此對硫酸鹽還原菌（SRB）和產(chǎn)甲烷古菌（MA）的活性沒有顯著抑制，硫化物主要通過化學(xué)氧化和沉淀被去除，甲烷產(chǎn)生不受影響。而采用高劑量、低頻率的策略時(shí)，F(xiàn)e3?能滲透并顯著抑制表層沉積物中SRB和MA的活性，使產(chǎn)硫區(qū)向深層移動(dòng)，并部分抑制（21%）甲烷的產(chǎn)生。

 

研究目的

本研究的主要目的是：

 

探究不同的Fe3?投加策略（不同劑量和頻率）對重力排水管道沉積物中硫化物和甲烷產(chǎn)生的控制效果。

分析不同策略對沉積物不同深度的硫酸鹽還原菌（SRB）和產(chǎn)甲烷古菌（MA）的抑制效果。

闡明不同F(xiàn)e3?投加策略下，控制硫化物和甲烷產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制。

 

為實(shí)踐中優(yōu)化鐵鹽投加策略以控制管道惡臭和腐蝕提供理論依據(jù)。

 

研究思路

本研究采用了 “實(shí)驗(yàn)室規(guī)模模擬反應(yīng)器”與“多維度分析” 相結(jié)合的研究思路：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：建立三個(gè)平行的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模排水管道沉積物反應(yīng)器（R1, R2, R3），其中R2作為空白對照。在R1和R3中分別施加不同的FeCl?投加策略（詳見表1），進(jìn)行長期（212天）運(yùn)行。

 

多維度分析：在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，綜合運(yùn)用多種技術(shù)進(jìn)行分析：

 

化學(xué)監(jiān)測：定期檢測反應(yīng)器出水中硫化物、硫酸鹽、甲烷、化學(xué)需氧量（COD）等濃度的變化。

丹麥Unisense微電極分析：測量沉積物剖面中溶解性總硫化物、pH和氧化還原電位（ORP） 的微尺度分布。

 

微生物群落分析：通過高通量測序，分析沉積物上、中、下三層中SRB和MA的群落結(jié)構(gòu)和豐度。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來源）

本研究測量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

出水硫化物和甲烷濃度：

 

意義：直接評估不同F(xiàn)e3?投加策略的實(shí)際控制效果。數(shù)據(jù)顯示，所有策略都能快速降低硫化物濃度，但只有高劑量策略能部分抑制甲烷產(chǎn)生。

 

 

來源：出水硫化物濃度變化見圖2；出水甲烷濃度變化見圖3b。

 

沉積物內(nèi)部化學(xué)微環(huán)境（硫化物、ORP剖面）：

 

意義：這是理解控制機(jī)制的關(guān)鍵。剖面數(shù)據(jù)直觀揭示了Fe3?投加策略如何改變沉積物內(nèi)部的氧化還原狀態(tài)和生物化學(xué)反應(yīng)區(qū)帶。

 

來源：沉積物剖面中總?cè)芙庑粤蚧锖蚈RP的分布見圖4a和4b。

 

微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度：

 

意義：從生物學(xué)角度解釋控制機(jī)制的差異。結(jié)果顯示，高劑量策略顯著改變了表層沉積物中SRB和MA的豐度和空間分布。

 

 

來源：屬水平細(xì)菌群落（包括SRB）的熱圖見圖7；SRB、MA和鐵還原菌（IRB）在各層總相對豐度見圖8。

 

研究結(jié)論

 

有效性：所有測試的Fe3?投加策略都能有效（>90%）控制排水管道中的硫化物濃度。

機(jī)制差異：控制機(jī)制因策略而異。低劑量、高頻率策略主要通過化學(xué)作用（Fe3?與H?S反應(yīng)生成FeS和單質(zhì)S）在污水水體中去除硫化物，不抑制微生物活性。高劑量、低頻率策略則主要通過生物抑制作用，抑制表層沉積物中SRB和MA的活性，同時(shí)伴隨化學(xué)作用。

微生物響應(yīng)：高劑量策略迫使產(chǎn)硫區(qū)從表層（0-5毫米）轉(zhuǎn)移至深層（20-25毫米），并部分抑制了甲烷的產(chǎn)生（降低21%）。

 

實(shí)踐啟示：在Fe/S摩爾比一定的情況下，低劑量、高頻率的Fe3?投加策略對于控制重力排水管道中的硫化物是更具成本效益的選擇，尤其在不需考慮甲烷減排時(shí)。高劑量策略會(huì)導(dǎo)致大量鐵鹽沉積在管道中，增加維護(hù)成本。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在本文中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于測量沉積物剖面中溶解性總硫化物、pH和氧化還原電位（ORP） 的垂直分布，分辨率高達(dá)0.5毫米（數(shù)據(jù)見圖4）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

提供高分辨率空間證據(jù)，揭示機(jī)制差異的核心：Unisense微電極提供的毫米級分辨率數(shù)據(jù)，是區(qū)分兩種控制機(jī)制的決定性證據(jù)。對于低劑量策略，硫化物剖面（圖4a 中R1）顯示，沉積物表層仍存在明顯的硫化物產(chǎn)生區(qū)（0-5毫米），且ORP剖面（圖4b 中R1）與對照組（R2）相似。這直接證明了Fe3?未能有效滲透到沉積物中，其作用僅限于與水相中的硫化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。對于高劑量策略，硫化物剖面（圖4a 中R3）清晰顯示，在沉積物表層（0-20毫米）幾乎檢測不到硫化物，產(chǎn)硫峰面下移至20-25毫米深處。同時(shí)，ORP剖面（圖4b 中R3）顯示表層ORP值急劇升高（約+700 mV）。這為“Fe3?滲透入沉積物表層并創(chuàng)造氧化性環(huán)境，從而抑制了該區(qū)域SRB活性”的結(jié)論提供了最直觀、最有力的原位證據(jù)。

定量化Fe3?的滲透深度和影響范圍：微電極數(shù)據(jù)不僅是定性的（產(chǎn)硫區(qū)下移了），更是定量的。它精確地顯示出高劑量Fe3?的影響深度大約在20毫米處。這解釋了為何甲烷產(chǎn)生只被部分抑制（21%），因?yàn)楫a(chǎn)甲烷古菌（MA）主要棲息在沉積物更深處，該區(qū)域的ORP并未被顯著改變（圖4b 中20-30毫米深處，R3的ORP僅略高于R2）。這將化學(xué)投加與微生物響應(yīng)在空間上直接關(guān)聯(lián)起來。

 

支撐整個(gè)研究的核心結(jié)論：Unisense微電極獲得的高分辨率空間數(shù)據(jù)，是整個(gè)研究邏輯鏈條的基石。它將宏觀的出水濃度數(shù)據(jù)（圖2, 圖3）與微觀的微生物群落數(shù)據(jù)（圖7, 圖8）完美地連接起來。整個(gè)機(jī)理鏈條可簡述為：高劑量Fe3?投加 → Fe3?滲透至沉積物表層 → 表層ORP顯著升高（由Unisense電極證實(shí)）→ 表層SRB和MA活性被抑制 → 產(chǎn)硫區(qū)下移（由Unisense電極證實(shí)）→ 表層微生物群落結(jié)構(gòu)改變 → 硫化物控制主要通過生物抑制，甲烷產(chǎn)生部分抑制。

 

綜上所述，使用Unisense微電極獲得的化學(xué)微環(huán)境剖面數(shù)據(jù)，為本研究揭示不同鐵鹽投加策略背后截然不同的物理化學(xué)-生物學(xué)耦合機(jī)制提供了無可替代的高精度空間證據(jù)，使研究結(jié)論深刻而可靠，對工程實(shí)踐具有明確的指導(dǎo)意義。