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南京工业大学刘翠云团队Environ. Pollut.：不同水力停留时间下污水管道沉积物-水系统中硫的转化

环境人Environmentor · 公众号 · · 2024-12-18 13:25

正文

第一作者： 刘翠云

通讯作者： 刘翠云

通讯单位： 南京工业大学城市建设学院

图文摘要

污水管道硫的转化受到水流的影响，沉积物-水系统中不同位置转化的规律也有不同。本文研究了污水管道沉积物、污水和管道上部空间硫的转化过程，分析了不同水力停留时间（HRT）及深度下微生物群落结构的差异，探讨了不同HRT及深度沉积物中硫的转化规律。结果表明，厌氧条件下，污水中的硫酸盐和硫化物含量要高于沉积物，沉积物中的硫酸盐和硫化物含量随着深度增加而降低。HRT由3h减小为1h时，管道上部空间 H ₂ S 浓度明显增加，污水和沉积物中的硫酸盐含量都减少，污水和浅层沉积物中硫化物的含量明显增加。管道中硫浓度的变化及分布差异，与两类微生物群落的丰度差异有关。 Desulfobacter 、 Desulfovibrio 和 Desulfomicrobium 等硫酸盐还原菌（SRB）在浅层沉积物中相对丰度更大。相应地， Thiobacillus 、 Bacillus 等硫氧化菌（SOB）和Smithella在深层沉积物中相对丰度更大。HRT减小后除了造成SRB 和SRB的丰度变化外，流速的增加，可以提高基质供应速率，也可能使溶解氧的传质效果变差，从而增加产硫速率并使得 H ₂ S 更容易从污水中逸出。

成果简介

近日，南京工业大学刘翠云团队在期刊《Environmental Pollution》上发表了题为“Transformation of sulfur in the sediment–water system of the sewage pipeline under different hydraulic retention time”的论文。探讨了污水管道上部空间、污水和不同深度沉积物之间硫的转化规律。研究发现，污水管道中硫浓度的变化及分布差异，与硫酸盐还原菌（SRB）、硫氧化菌（SOB）在不同位置的丰度差异有关，而管道内流速的改变会造成SRB和SOB的丰度变化，从而影响沉积物-水系统中硫的转化，以及管道上部空间中 H ₂ S 的含量。

引言

污水中含有含硫污染物，进入污水管道后，在微生物作用下容易发生生物转化，带来一系列危害。比如，沉积物中硫化物（ S ^2- ）转化为硫化氢（ H ₂ S ），带来管道内恶臭，并且 H ₂ S 是强烈的神经毒素；部分 H ₂ S 被氧化形成 H ₂ SO ₄ ，会腐蚀污水管道。为此，本团队研究污水管道内污水持续流动下，硫在沉积物-水系统中的转化过程及规律，以掌握不同条件下沉积物-水系统中硫的去向，初步评估沉积物中硫的释放量、管道中 H ₂ S 逸出量，为采取有效措施减少管道内 H ₂ S 的产生提供理论依据。

图文导读

污水管道内硫的变化规律

图1 污水管道中硫的浓度变化：污水中(a) SO ₄ ^2- 和 ( b ) S ^2- ，表层沉积物中(c) SO ₄ ^2- 和 (d ) S ^2- ，底层沉积物中 (e ) SO ₄ ^2- 和 (f ) S ^2-

空间上，污水中硫酸盐的含量高于沉积物，而浅层沉积物硫酸盐的含量略高于深层沉积物中。而污水中的 S ^2- 浓度远远高于沉积物，浅层沉积物中 S ^2- 浓度高于深层沉积物。时间上，污水和沉积物中的中 SO ₄ ^2- 浓度随时间均呈现降低的趋势，尤其是底层沉积物中HRT由3h变为1h时， SO ₄ ^2- 浓度明显下降。而 S ^2- 浓度则呈现不同的变化趋势，其在污水和表层沉积物中呈现上升趋势，HRT由3h变为1h时污水的 S ^2- 浓度明显增大，而在底层沉积物中则缓慢减少。这表明，HRT的增加，会使得沉积物-水系统中 SO ₄ ^2- 含量增大，而硫化物的含量减小。

图2 管道中 H ₂ S 浓度

HRT为3h时，管道中 H ₂ S 浓度在 0 ~75ppm ， H ₂ S 浓度随时间变化不大；HRT减小为1h时，管道中 H ₂ S 浓度有增加的趋势，为5~150ppm。一方面，当HRT减小时，污水中的 S ^2- 浓度明显增大且含量较高，有利于 S ^2- 向 H ₂ S 的转化。另一方面，HRT降低，污水流速增加，虽然较高的流速可以使得氧气的体积传质系数 K _L a 更高，但氧气在水液两相间的传质时间更短，导致较高的流速拥有较差的传质效果，因此在较高的流速下，污水中溶解氧含量相对较低。而溶解氧的降低则有利于 S ^2- 以 H ₂ S 的形式存在并逸出。

此外， H ₂ S 在前端（R1和R3）中较高，在后端（R5）中较低，可能与污水基质和DO的含量有关。管道下游的氧含量可能高于上游，而DO越高越不利于 H ₂ S 的逸出，导致管道后端的 H ₂ S 含量较低。

污水管道沉积物中的硫通量

图3 管道不同深度沉积物中硫通量变化：HRT为3h时(a) R1、(b) R3和(c) R5；HRT为1h时(d) R1、(e) R3和(f) R5；不同HRT下(g)R1、(h)R3和(i)R5

在不同的HRT下，管道表层沉积物中的硫通量较高，并且随着深度增加逐渐降低。以HRT为3h时的R1为例，硫通量较高的区域主要集中在沉积物-水界面以下0~10 mm处。另外，HRT减小，沉积物中硫通量较高的区域会扩大。

污水管道沉积物中硫的转化

图4浅层和深层沉积物中微生物群落在“属”水平上相对丰度对比：（a）HRT为3h；（b）HRT为1h

浅层和深层沉积物中， S ² ^- 浓度变化的差异较大。这两个不同深度的沉积物中，与硫转化有关的菌群存在较明显的差别。浅层与深层相比，HRT为3h时， Desulfobacter 显著增加； H RT 为 1h 时， Desulfobacter 、 Desulfovibrio 、 Desulfomicrobium 显著增加。这些 S RB 菌促进了浅层沉积物中 S ² ^- 浓度的增长。

对应地，深层沉积物中，HRT为3h时， Thiobacillus 、 Bacillus 和 Smithella 显著增加。 HRT为1h时， Bacillus 和 Smithella 也为显著增加。 Smithella 在沉积层底部，在厌氧以及低氧化还原电位的条件下具有较强的繁殖能力，能够抑制SRB的生长。 Bacillus 等 S OB 菌会促进 S ² ^- 转化为 SO ₄ ^2- ，与深层沉积物中 S ² ^- 浓度减少有关。

图5不同HRT下微生物群落在“属”水平上相对丰度对比：（a）浅层沉积物（b）深层沉积物

HRT减小时，污水中 SO ₄ ^2- 和 S ^2- 浓度变化与浅层沉积物中相似，污水与浅层沉积物接触，存在物质的交换，也与浅层沉积物中的微生物有关。HRT由3 h减小为1h时，浅层沉积物中 SO ₄ ^2- 浓度减小， S ^2- 浓度明显上升。HRT减小后，优势菌属 Tolumonas （ S OB ）显著减小，使 S ^2- 被氧化的过程减慢。 Desulfobacter 、 Desulfovibrio 和 C lostridium_sensu_stricto 均为 S RB 菌，促使更多 SO ₄ ^2- 被还原为 S ^2- 。 C lostridium_sensu_stricto 属的微生物能够还原硫酸盐，产生硫化物。此外，部分 Bacillus 属可以氧化 S ^2- 。 HRT 减小，深层沉积物中 Clostridium_sensu_stricto_1 、 Bacillus 等微生物丰度显著增大，导致HRT减小时更多 SO ₄ ^2- 被还原，更多 S ^2- 被氧化，两者浓度均呈下降趋势。

HRT减小后，流速增大会促使 S ^2- 浓度的上升，适当增加流速可提高基质从污水到沉积物的供应速率，增加产硫速率。此时 H ₂ S 浓度明显增大与污水中 S ^2- 浓度增大有关，有利于 S ^2- 向 H ₂ S 的转化。如前所述，流速高时，污水中溶解氧含量相对较低，有利于 S ^2- 以 H ₂ S 的形式存在并逸出。并且流速增大，更易形成紊流，也会使 H ₂ S 从污水中逸出。

小结

厌氧条件下，污水管道污水及浅层、深层沉积物中，硫酸盐和硫化物在污水中的含量均高于沉积物，而在沉积物中随着深度增加而降低。管道内不同HRT下，污水和浅、深层沉积物中的硫含量也呈现不同的变化规律。而当HRT降至1h，管道上部空间 H ₂ S 浓度明显增加。沉积物-水上部空间的硫含量的不同变化，与管道内微生物群落差异性有较大关系。管道中硫浓度的变化及分布差异，与两类微生物群落的相对丰度差异有关。 Desulfobacter 、 Desulfovibrio 和 Desulfomicrobium 等 SRB在浅层沉积物中相对丰度更大。相应地， Thiobacillus 、 Bacillus 等 S OB 和 Smithella 在深层沉积物中相对丰度更大。另外，HRT减小时，流速增大，既提高了污水中基质的供应速率，又可能使溶解氧的传质效果变差，有利于 S ^2- 向 H ₂ S 的转化，并促使 H ₂ S 从污水中逸出。这也说明，采取措施增加管道内污水中溶解氧的传质效率，如充氧曝气，可减少 H ₂ S 从污水中的释放。

作者简介

通讯作者：刘翠云，南京工业大学城市建设学院教授，硕士生导师，市政工程研究所所长。主要从事排水管道污染物的迁移转化，新污染物的环境影响评价及控制等研究。主持了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和多项企业联合创新项目，参与国家科技重大专项子课题，江苏省建设科技项目和中科院合作项目等，以第一或通讯作者发表学术论文50余篇，获得国家授权发明专利8项。

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