Modeling of methane formation in gravity sewer system: the impact of microorganism and hydraulic condition

重力下水道系統中甲烷形成的建模：微生物和水力條件的影響

來源：AMB Express, Volume 8, 2018, Article number 34

《AMB快報》，第8卷，2018年，文章編號34

 

摘要

論文摘要闡述了重力下水道系統是甲烷形成和排放的重要來源，盡管已有模型預測甲烷產量，但微生物量的影響被間接表示。本研究建立了七個不同壁剪切應力的實驗室規模下水道，測量了生物膜厚度、微生物量、溶解氧分布、微生物群落和甲烷產量?；趯嶒灁祿_發了一個經驗模型，直接描述甲烷產量、微生物量和壁剪切應力之間的關系。結果顯示，在不同壁剪切應力下，溶解氧濃度沿生物膜深度顯著下降，溶解氧減少率與壁剪切應力強度正相關。成熟生物膜中的優勢古菌物種相似，但比例差異顯著。在2.0 Pa壁剪切應力下生物膜中Methanospirillum的豐度比1.29 Pa時高53.08%。最大甲烷產率為2.04 mg/L wastewater day，出現在壁剪切應力為1.45 Pa時，比最小產率（0.5 Pa時）高1.2倍。建立模型的R2值為0.95，測量與模擬的差異在1.5-13.0%范圍內。

 

研究目的

研究目的是解釋壁剪切應力如何影響甲烷排放，并建立一個更可靠的模型來預測重力下水道中的甲烷排放，直接考慮微生物量的影響，而不是間接通過表面積等參數。

 

研究思路

研究思路首先建立七個平行運行的實驗室規模模擬下水道，設置不同壁剪切應力（0.5、0.8、1.12、1.29、1.45、2.0和2.5 Pa），使用合成污水，維持水溫和pH穩定。測量生物膜厚度、微生物量（通過總固體和EPS分析）、溶解氧分布、微生物群落（通過高通量測序）和甲烷產量?；谶@些數據，開發一個經驗模型，關聯甲烷產量、微生物量和壁剪切應力，并使用不同COD濃度數據進行驗證。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了生物膜厚度隨時間的變化，數據來自Fig. 2。研究意義是評估生物膜生長動態，顯示厚度先增后減至穩定，壁剪切應力影響厚度和密度，例如在1.29 Pa時厚度最大（2.7±0.1 mm），幫助理解生物膜結構形成。

 

2 測量了溶解氧沿生物膜深度的分布，數據來自Fig. 4。研究意義是揭示氧氣滲透受剪切應力影響，溶解氧減少率與剪切應力正相關，例如在2.0 Pa時氧氣滲透深度最小（1450 μm），表明剪切應力改變微生物環境，影響甲烷形成。

 

3 測量了微生物群落組成，數據來自Fig. 5和Table 1。研究意義是分析古菌物種豐度，顯示Methanospirillum和DHVEG-6為優勢種，但比例隨剪切應力變化，例如Methanospirillum在2.0 Pa時占78.84%，表明剪切應力影響產甲烷菌活性。

 

 

4 測量了甲烷產量，數據來自Fig. 6和Fig. 9。研究意義是量化甲烷產率，顯示在1.45 Pa時最大（2.04 mg/L wastewater day），驗證剪切應力優化可增強甲烷形成，為模型提供關鍵參數。

 

 

5 測量了微生物量，數據來自Fig. 7。研究意義是直接關聯微生物量與甲烷產量，顯示微生物量隨剪切應力先增后減，在1.45 Pa時最大，支持模型開發中微生物量的核心作用。

 

結論

1 壁剪切應力影響生物膜物理結構，如厚度和密度，以及微生物組成，從而調控甲烷產量。

2 開發的經驗模型能準確預測甲烷產量（R2=0.95），直接整合微生物量和剪切應力，優于先前模型。

3 微生物量是甲烷形成的關鍵因素，Methanospirillum起主要作用，模型驗證顯示差異在可接受范圍（1.5-13.0%）。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量生物膜厚度和溶解氧分布數據的研究意義在于提供高精度、實時的空間分辨率數據，從而深入理解生物膜內部微環境變化。在該研究中，微電極用于測量生物膜厚度（步驟距離達微米級）和溶解氧濃度（響應時間小于3秒），幫助精確確定氧氣滲透深度（如Fig. 4所示，溶解氧在生物膜深度下降至零）。這些數據揭示了壁剪切應力如何影響氧氣擴散和微生物活動：較高剪切應力導致生物膜密度增加，溶解氧減少更快，創造更厭氧的環境，從而促進產甲烷菌生長。例如，在2.0 Pa時，氧氣滲透深度最?。?450 μm），表明微生物更易在缺氧條件下產甲烷。這種測量直接支持了模型參數化，驗證了剪切應力通過改變溶解氧分布間接調控甲烷產量的機制，為優化下水道設計以減少溫室氣體排放提供了科學依據。此外，微電極的高靈敏度和低擾動特性確保了數據可靠性，避免了傳統方法可能帶來的誤差，突出了其在環境微生物學研究中的重要性。