重庆市某城区污水管道水力、水质和微生物特征及其主要相关性研究

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掌握污水管道沿程水质特征变化及其水力特征和微生物多样性的影响机制,对于污水管道系统诊断、监测方案设置以及污水厂进水水质的确定和调控等具有重要的理论意义,对于污水管道运行管理、污水处理提质增效等具有较高的实用价值。一方面,有关重庆山地城市分流制污水管道水质特征变化及其影响因素的研究尚少见报道,另一方面,现有国内外污水管道水质特征、变化及影响机制的研究尚存在一定的不足,还有待进一步完善和加强。本研究以重庆市某主城区污水管道为研究对象,对其水质、水力特征和微生物多样性等进行了实地采样、监测和测试,采用荧光光谱学、微生物群落测序以及相关性分析等多种手段,探究了溶解性有机物(DOM)特征变化以及水力特征、微生物多样性等与污水管道水质特征变化的相关关系。取得的主要研究结果如下:(1)获取了研究管道前、中、后段的COD、TN、NH3-N、NO3-N、TP、DO等水质指标浓度值,除NO3-N浓度有明显下降、TP浓度变化不明显外,其余各指标浓度均表现为沿程增加;计算得到前、中、后段的C/N均值分别为17.35、19.10、17.60,C/P均值分别为185.44、336.20、168.94;在DOM中,芳香蛋白类物质Ⅱ平均相对含量及占比最高,溶解性微生物代谢产物平均相对含量及占比最低且沿程增加幅度最明显,微生物释放到主体水中的代谢产物会影响有机物特征;无支流汇入管段的流速、充满度变化范围分别为0.841m/s~0.994m/s、0.405~0.453,平均流速、充满度分别为0.911m/s、0.427,管段入口和出口总有机物(TCOD)平均浓度分别为836.38mg/L、882.06mg/L,溶解性有机物(DCOD)平均浓度分别为568.53mg/L(占67.98%)、616.22mg/L(占69.86%),颗粒性有机物(PCOD)平均浓度分别为267.85mg/L(占32.02%)、265.83mg/L(占30.14%),PCOD更趋向于发生沉积作用。(2)主体水中优势菌门为变形菌门(77.65%)、厚壁菌门(16.88%)、拟杆菌门(3.25%)和放线菌门(1.08%),优势菌属为假单胞菌属(40.29%)和不动杆菌属(27.74%)。生物膜中优势菌门为变形菌门(44.99%)、拟杆菌门(15.39%)、厚壁菌门(12.06%)、放线菌门(6.42%)、ε-变形菌门(9.64%)和同力菌门(5.51%),优势菌属为分枝杆菌属(6.06%)、弓形杆菌属(5.75%)、金属细菌属(5.61%)和嗜酸硫杆菌属(4.94%),主体水微生物群落物种丰度和丰富度高于沉积物表层生物膜。污水管道主体水及生物膜中微生物生化反应均以水解发酵过程为主,变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门构成优势水解发酵菌群,而放线菌门也可以降解污水有机物组分;污水可利用基质会影响水解发酵菌群结构特征,污水中大分子可利用底物的减少一定程度抑制水解发酵菌门的生长繁殖。功能性微生物相对丰度变化表明,主体水和生物膜中功能性微生物可能存在竞争关系以及“代谢链”。(3)Spearman相关性分析表明,主体水中变形菌门和拟杆菌门相对丰度与污水C/P呈显著正相关,而与TP浓度呈非常显著负相关;厚壁菌门和放线菌门则与之相反,污水C/P、TP浓度是影响主体水优势微生物群落结构特征的重要环境因子。生物膜中放线菌门相对丰度与污水TN、NH3-N以及DO浓度呈非常显著负相关,与NO3-N浓度呈非常显著正相关,而与COD浓度、p H值呈显著负相关;ε-变形菌门相对丰度与污水TP浓度呈非常显著正相关,与C/P呈显著负相关,放线菌门和ε-变形菌门是影响污水管道沿程水质特征变化过程的重要微生物。主体水中变形菌门和拟杆菌门相对丰度的增加促进污水COD浓度的削减且降低C/P,放线菌门和厚壁菌门相对丰度的增加有利于提升污水碳源,而生物膜中放线菌门相对丰度的增加可能会促进污水COD以及TN浓度的削减,而ε-变形菌门相对丰度的增加有利于增加污水C/P,提升污水碳源。(4)Spearman相关性分析表明,水力因素影响污水PCOD迁移过程以及氧传质过程。管道充满度较小时沉积作用显著,PCOD趋于减少,污水流速较快时水流剪切力冲刷作用显著,PCOD趋于增加。气相—液相、液相—生物相的氧传质过程中,管道充满度较小有利于气相—液相的氧传质过程,抑制液相—生物相的氧传质过程,而污水流速增加有利于液相—生物相的氧传质过程。污水停留时间较长有利于微生物生化反应进行,C/N、C/P趋于降低,但难生物降解基质增加,不利于污水的生物降解。论文探索了山地城市污水管道水质特征、水力特征和微生物多样性及其相关性,可为后续理论研究和实践应用提供一定的基础支撑。
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