研究简介

下水道系统是城市水基础设施的重要组成部分，它收集和运输住宅或工业废水到处理和处置。根据污水系统的运行性质，污水系统可分为充满压力的污水渠(厌氧)和部分充满重力的污水渠，其中进行再曝气。硫化氢的产生和排放长期以来一直被认为是下水道系统异味和腐蚀的主要原因。多年来科研人员大多数关于硫化物和甲烷的研究下水道的生产主要集中在下水道生物膜上。本论文研究主要就了重力式污水管沉淀物中硫化物和甲烷生产工艺，以及提出的模型来描述这些过程。沉积物从一个真正的重力下水道收集的污水，然后在实验室里培养的模拟重力下水道条件的沉淀物反应器。在一年多的时间内实现稳态性能。通过微传感器测试批量生产试验获得的沉积物中的硫化氢浓度及沉积物的孔隙水测量、沿沉积物深度的微生物群落剖面和详细的数学模型，对沉积物中硫化物和甲烷的生产过程进行了综合评价。提出了相应的经验模型，并对预测下水道沉积物中硫化物和甲烷的产量进行了校准。

Unisense微电极研究系统的应用

应用unisense全自动微机械操作臂与微电极传感器，记录了沉积物中的溶氧DO、pH、H2S浓度梯度随泥沙深度的变化，使用unisense的SensorTrace Pro软件记录沉积物中每个深度的传感器信号（氧气、pH、H2S）。每天在沉积物的不同位置测量15-20个剖面。获得的H2S和pH剖面浓度计算获得沉积物中总溶解硫化物。并应用扩散反应模型计算了沉积物中硫化物的生成活性，扩散系数等参数

实验结果

以实验室污水底泥为研究对象，研究了污水底泥中硫化物和甲烷的生成。主要结论如下：1.下水道沉积物是硫化物和甲烷的重要来源，硫化物和甲烷的面积产量分别大于和可与下水道生物膜相比。2.由于硫酸盐的渗透限制，硫化物的生成发生在沉积物表面附近，而甲烷的生成也发生在离沉积物表面较近的地方，但由于可溶性有机物的渗透较深，与硫化物的生成相比，甲烷的生成区域要厚得多。硫酸盐还原菌与产甲烷古菌的动力学差异决定了沉积物中微生物群落的分层和微生物活动。3.沉积物中硫化物和甲烷的产率可以用半阶动力学方法很好地描述，它们分别与体积液相硫酸盐和可发酵有机碳浓度有关。

图1、应用unisense微电极系统对沉淀物反应器中的沉积物的溶氧，硫化氢以及pH等参数的测试原理图以及相关的测试数据。

图2、通过批量试验确定实验室内污水底泥中硫化物和甲烷产率的变化培养阶段。

图3、模拟稳态沉积物中总溶解硫化物和硫化物产量状态;(b):在沉积物表面附近作剖面浓度分布图。沉积物表面深度为0 cm。图中所示的浓度剖面图是第396天测量的6个剖面图的平均值，误差条显示标准差。

图4、硫酸盐(a)、甲烷(b)、硫化物(c)、SRB和MA的相对组分(d)的实验和模拟深度剖面;可发酵COD在沉积物中渗透剖面(e)的模拟结果。沉积物表面深度为0 cm。

图5、(a)高硫酸盐浓度对实验室下水道沉积物中硫化物的面积产率的影响;(b)发酵COD浓度对实验室污水底泥产甲烷率的影响。

总结

本论文研究了下水道沉积物中的污水底泥中的硫化物及甲烷的产生情况进行了相关研究，有研究表明下水道中的污水生物膜会形成大量的硫化物和甲烷。研究中所收集的沉淀物来自重力下水道并在实验室反应器中培养，以实际废水为原料，经一年多的处理后获得完整的沉积物。应用uninsense微电极研究系统记录了下水道沉积物中的溶氧DO、pH、H2S浓度梯度随泥沙深度的变化的相关数据，从而获得了沉积物的深度和数学模型揭示了硫化物的产生是发生在泥沙表面附近，表明了硫酸盐的渗透深度是有限的，甲烷的产生发生在离沉积物表面更深的区域。从而提出了关于下水道沉积物的生物膜膜形成的经验模型，这对预测下水道沉积物中硫化物和甲烷的产量方面进行了很好的校准，为今后在研究下水道沉积物方面的相关研究提供了重要的理论支持，这说明unisense微剖面分析系统在城市下水道沉积物的相关研究中具有较好的应用前景。