Experimental and modeling investigations on the unexpected hydrogen sulfide rebound in a sewer receiving nitrate addition: Mechanism and solution

Biogenic hydrogen sulfide is an odorous, toxic and corrosive gas released from sewage in sewers. To control sulfide generation and emission, nitrate is extensively applied in sewer systems for decades. However, the unexpected sulfide rebound after nitrate addition is being questioned in recent studies. Possible reasons for the sulfide rebounds have been studied, but the mechanism is still unclear, so the countermeasure is not yet proposed. In this study, a lab-scale sewer system was developed for investigating the unexpected sulfide rebounds via the traditional strategy of nitrate addition during 195-days of operation. It was observed that the sulfide pollution was even severe in a sewer receiving nitrate addition. The mechanism for the sulfide rebound can be differentiated into short-term and long-term effects based on the dominant contribution. The accumulation of intermediate elemental sulfur in biofilm resulted in a rapid sulfide rebound via the high-rate sulfur reduction after the depletion of nitrate in a short period. The presence of nitrate in sewer promoted the microorganism proliferation in biofilm, increased the biofilm thickness, re-shaped the microbial community and enhanced biological denitrification and sulfur production, which further weakened the effect of nitrate on sulfide control during the long-term operation. An optimized biofilm-initiated sewer process model demonstrated that neither the intermittent nitrate addition nor the continuous nitrate addition was a sustainable strategy for the sulfide control. To minimize the negative impact from sulfide rebounds, a (bi)monthly routine maintenance (e.g., hydraulic flushing with nitrate spike) to remove the proliferative microorganism in biofilm is necessary.     

曝气充氧对排水管网液相硫化物累积影响研究

污水管道内硫化物的产生和逸散常引起恶臭、中毒和管道腐蚀等一系列管网问题,曝气充氧可以作为一种较为适用的控制污水管道内硫化氢产生和累积的方法.针对曝气充氧控制管网液相硫化物的方法,通过实验室批量实验,研究不同曝气条件对管道液相硫化物累积、碳源消耗等反应过程的影响.结果表明,曝气充氧主要通过氧化硫化物实现对液相硫化物浓度的有效控制,硫化物累积、碳源消耗受间歇曝气频率影响显著,相对间隔较短的充氧曝气方式,可以有效防止液相硫化物累积,并且消耗较少的有机碳源.     

城市排水管道中硫化氢产气原因及影响因素分析

管道内的硫化氢气体可以引起管道腐蚀、恶臭、危害人体及动植物健康。硫化氢生成是一个物理、化学、生物作用的综合过程,其中有多种复杂反应交替进行。本文论述了城市污水管道中硫化氢的产生原因,包括参与反应的细菌及主要的反应过程。分析了影响管道内污水硫化氢产生的影响因素,对于工业、管道系统中生成的硫化氢产量的控制,可以通过控制这些反应的反应条件及反应物质来实现。     

合流制面源污染传输过程与污染源解析

科学认识和全面理解合流制面源污染发生路径和污染贡献源对于治理和改善城市水环境至关重要.本研究以珠海市典型老城区的合流制小排水区为例,分析了污染物在地表与管道中的累积-冲刷过程,并运用质量守恒法解析了污染物的贡献源.结果表明,地表街尘累积量为(28. 81±10. 69) g·m~(-2),多场降雨事件中地表街尘冲刷量为(19. 27±10. 90) g·m~(-2),冲刷率为(52. 69±13. 3)%,其冲刷形成的地表径流中SS场降雨浓度为52～109 mg·L~(-1),管道径流中SS的浓度为68～158mg·L~(-1);地表径流对SS的贡献率为39%～72%,旱流污水对SS的贡献率20%,管道沉积物再悬浮对SS的贡献率为13%～56%;管道沉积物的厚度在小雨和中雨时增加1～14 cm,大雨和暴雨时,减少7～17 cm;降雨特征影响了污染源贡献比率,其中地表径流对各污染物的贡献范围为2%～52%,旱流污水对各污染物的贡献率范围为9%～65%,管道沉积物对各污染物的贡献范围为8%～81%.基于上述研究结果,为合流制面源污染提出控制措施,以期为我国城市受纳水体污染的解决提供参考.     

负载硝酸盐有机改性沸石抑制底泥氮磷释放的效果及机制研究

通过摇床振荡试验研究,考察HDTMA有机改性沸石对硝态氮的吸附-解吸特性及对磷酸盐和氨氮的吸附特性,再通过模拟释放试验考察负载硝酸盐HDTMA有机改性沸石对底泥氮磷释放的影响.结果表明:①有机改性沸石吸附硝态氮的最佳HDTMA负载量为276?EC.Langmuir公式能较好地描述有机改性沸石对硝态氮的吸附行为,饱和单位吸附量达到1 724mg/kg,并且有机改性沸石对硝态氮的吸附速率较快.有机改性沸石吸附硝态氮之后一定条件下又会逐渐释放出来,并且吸附的硝态氮越多,硝态氮的解吸量越大.Langmuir公式能较好地描述负载硝态氮之后有机改性沸石对磷和氨氮的吸附行为,且对氨氮的理论吸附量为12.0 mg/g以及对磷的理论吸附量为O.597 mg/g.②采用有机改性沸石负载硝酸盐可以较长时间地向表层底泥提供硝态氮,并且大大减低了进入上覆水的硝态氮比例.硝酸盐负载型有机改性沸石不仅可以有效控制底泥磷的释放,而且可以控制底泥氨氮的释放.     

城市排水管道内污染物迁移转化规律研究进展

城市排水管道内污染物随水流沿程降解转化,是造成管道腐蚀、有毒有害气体产生的重要原因,掌握污染物的迁移转化规律,对于优化排水系统运行、改善管网周边环境具有重要意义.在阐述污水和沉积物两相污染特性的基础上,着重综述了管道内污染物的迁移转化规律:①常量污染物（如氮、磷、硫）在管道内好氧-厌氧交替的条件下沿程降解释放,微量污染物难以完全降解,多发生形态结构变化或由水相向沉积相中迁移.②管道生物膜对污染物的降解转化起主导作用,管道内高基质浓度环境和水流冲刷作用为生物膜稳定状态的维持创造了有利条件.③污染物迁移过程中,气体的产生受有机物浓度、温度、水力停留时间及流速的影响,应结合管道内实际污染物的组成情况采用相应的有害气体控制措施.在污染物迁移转化规律研究中,模型模拟是重要的研究方法,现有模型多从生化反应过程和水力学的角度切入,随着人工智能等新兴技术逐渐应用于管道建模,模型的精确度不断提高.建议今后加强污染物在管道内污水、沉积物、空气三相间迁移转化规律的研究,尤其是针对微量污染物的研究应广泛开展;在实际应用中,应在全面分析管道内污染特性的基础上,实施针对性的污染物抑制策略,建立符合本地特征的污染物迁移转化模型.      

排水管道沉积物微生物群落及环境因子分析

选取北京市某区的排水管道沉积物进行取样,采用高通量测序手段分析,结果表明变形菌门、广古菌门、拟杆菌门、厚壁菌门是排水管道沉积物微生物中的优势门类;在纲水平上,δ-变形菌纲、甲烷微菌纲、梭菌纲、拟杆菌纲占相对优势;在属水平上,功能性微生物硫酸盐还原菌（SRB）和产甲烷古菌（MA）普遍存在于各处管道.在所选的6段管段中,管段S3、S4处MA的相对丰度分别为20.6%、40.8%,高于其他管段,厌氧产甲烷的潜能较大,有发生可燃气积累的风险;管段S5、S6处的SRB相对丰度分别为9.14%、8.19%,高于其他管段,硫酸盐还原为硫化物的潜能较大,存在管道腐蚀的风险.RDA分析表明污水的DO、水温、硫酸根、TN与管道沉积物中微生物群落存在相关性.     

排水管道沉积物微生物群落及环境因子分析

选取北京市某区的排水管道沉积物进行取样,采用高通量测序手段分析,结果表明变形菌门、广古菌门、拟杆菌门、厚壁菌门是排水管道沉积物微生物中的优势门类;在纲水平上,δ-变形菌纲、甲烷微菌纲、梭菌纲、拟杆菌纲占相对优势;在属水平上,功能性微生物硫酸盐还原菌（SRB）和产甲烷古菌（MA）普遍存在于各处管道.在所选的6段管段中,管段S3、S4处MA的相对丰度分别为20.6%、40.8%,高于其他管段,厌氧产甲烷的潜能较大,有发生可燃气积累的风险;管段S5、S6处的SRB相对丰度分别为9.14%、8.19%,高于其他管段,硫酸盐还原为硫化物的潜能较大,存在管道腐蚀的风险.RDA分析表明污水的DO、水温、硫酸根、TN与管道沉积物中微生物群落存在相关性.     

Town-scale microbial sewer community and H2S emissions response to common chemical and biological dosing treatments

Controlling hydrogen sulfide (H₂S) odors and emissions using a single, effective treatment across a town-scale sewer network is a challenge faced by many water utilities. Implementation of a sewer diversion provided the opportunity to compare the effectiveness of magnesium hydroxide (Mg(OH)₂) and two biological dosing compounds (Bioproducts A and B), with different modes of action (MOA), in a field-test across a large sewer network. Mg(OH)₂ increases sewer pH allowing suppression of H₂S release into the sewer environment while Bioproduct A acts to disrupt microbial communication through quorum sensing (QS), reducing biofilm integrity. Bioproduct B reduces H₂S odors by scouring the sewer of fats, oils and grease (FOGs), which provide adhesion points for the microbial biofilm. Results revealed that only Mg(OH)₂ altered the microbial community structure and reduced H₂S emissions in a live sewer system, whilst Bioproducts A and B did not reduce H₂S emissions or have an observable effect on the composition of the microbial community at the dosed site. Study results recommend in situ testing of dosing treatments before implementation across an operational system.     

城市排水系统沉积物特性研究

重点阐述了沉积物的来源和组成,沉积物的颗粒粒径、有机物含量(VSS/SS)、颗粒粘性和颗粒密度等物化性质,以及附着于沉积物上的金属污染物的相关特征。其粒度分布范围是D10为1.89～223.21μm,D50为12.38～437.30μm,D90为39.06～1 572.52μm;VSS/SS的范围是1%～38%;密度范围是1.80～2.47 g/cm3。金属污染物主要的附着对象是沉积物中的细小颗粒如生物膜上。以上沉积物性质对于解决排水系统的泥沙淤积问题以及水体污染的控制都具有重要意义。     

强化厌氧污泥体系同步脱硫反硝化特性研究

以硫化物为电子给体的自养反硝化厌氧体系是代替传统异养反硝化工艺处理低C/N比含氮废水的有效工艺,可以同时去除硫化物和硝酸盐.将脱氮硫杆菌菌悬液接种到厌氧污泥体系中,脱氮硫杆菌快速富集,采用5组进水比N/S比不同的反应瓶进行试验,运行15d后,测定不同时段的出水硫化物、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐浓度等指标,考察强化厌氧污泥体系去除硫化物和硝酸盐的特性,并对生化反应机制进行初步研究.结果表明,强化厌氧污泥体系运行3h后,进水中90%的硫化物被去除,硫化物的去除与进水N/S比无关,硫化物(以S计)去除速率高达20～24g·(m3·h)-1,是相关文献报道的10倍左右;运行6h后,进水中65%的硝氮被去除,硝氮的去除负荷随着进水N/S比的提高而增大,最高达到940g·(m3·h)-1,约为硫自养反硝化体系硝氮去除负荷的2倍,此时体系中亚硝氮积累,最高浓度达到93mg·L-1,进水N/S比低的条件下,6h后亚硝氮消失,进水N/S比较高时,21h后出水中未检测到亚硝氮.表明强化厌氧污泥体系停留6h后可以实现同时去除硫化物和硝酸盐,但硝酸盐首先转化为亚硝氮.与以往不同的是研究发现硫化物与生物硫粒产生多硫化合物的链式反应,是硫化物迅速转化的主要途径,此外,还原硝氮的电子给体并不来源于硫化物,可能主要来源于体系中产生的单质硫.     

北京城区雨水管道沉积物污染负荷研究

在北京市城区部分排水管道调研的基础上,通过监测西城区上游、下游雨水管道检查井断面径流中的污染物,研究管道沉积物在次降雨条件下的冲刷释放污染负荷.结果表明,在城市降雨径流污染控制中,雨水管道沉积物的冲刷释放作用对管道出流的污染贡献不可忽视.对于本研究所选取的雨水管道,其中84 m管道中沉积物次降雨(2010年7月9日)过程中对径流出流的污染负荷贡献率分别为:TN(总氮)8.5%、TP(总磷)8.2%、COD 18.3%、SS(悬浮颗粒物)7.7%;295 m管道中沉积物次降雨过程中(2010年8月4日)的污染负荷贡献率为:TN(总氮)23.12%、TP(总磷)30.01%、COD 33.78%、SS(悬浮颗粒物)31.89%.因此,为保证城市水环境得到根本的改善,明确雨水管道沉积物冲刷释放的量对径流总量的控制有一定的借鉴意义.     

硝酸钙对河流底泥中含硫化合物嗅味原位控制

以硝酸钙作为氧化剂,对深圳河污染底泥典型嗅味物质AVS（酸挥发性硫化物）和GEM（土臭素）及2 MIB（2 甲基异莰醇）进行原位控制. 结果表明,当硝酸钙投加量（以单位质量AVS所需NO3- N质量计）为1.68 g/g,AVS去除率达到92%,且可有效避免硝酸钙向上覆水释放,适合工程应用. 但是,硝酸钙对河流底泥GEM和2 MIB等典型嗅味物质的原位控制效果较差. 硝酸钙能够引起底泥中微生物多样性增加,16S rDNA指纹图谱显示,优势菌株包括去除AVS的脱氮硫杆菌(Thiobacillus thioparus),反硝化细菌(Simplicispira sp.和Rhodanobacter sp).以及降解有机物的菌株(Simplicispira sp.、Lysobacter sp.、Pseudoxanthomonas sp.)等.      

超声波辅助提取雨水管道沉积物中磷的存在形态

在SMT法的基础上采用超声波技术对实验条件进行优化,用于雨水管道沉积物中磷的提取。通过对提取时间、提取温度等影响提取效率的因素进行分析,确定了提高闭蓄态磷提取效率的条件,从而建立了管道沉积物中磷形态分析的最佳条件。在确定的最佳提取条件下对北京城区雨水管道内沉积物中磷的存在形态进行提取,并对不同形态磷的污染水平和分布状况进行分析,结合环境状况等因素对不同形态磷的污染特性进行了综合研究。     

A/O生物脱氮工艺内循环回流和外碳源投加综合控制的优化

为了提高A/O工艺反硝化效果,应用COST/IWA-Benchmark基准对5种内循环回流量和外碳源投加综合控制策略进行了比较.结果表明,控制策略1无论从外碳源消耗量、出水水质,还是从控制器稳定性上都是最优的控制策略,它有2个反馈环路组成,一个环路控制外碳源投加量,从而维持缺氧区出水硝酸氮浓度处于最优设定值2mg/L,另外一个环路控制内循环回流量,维持好氧区出水硝酸氮浓度(根据排放标准确定,一般为8～12mg/L).该策略在低负荷时可以高效利用缺氧区反硝化容量,而在高负荷时通过控制外碳源投量保证出水硝酸氮满足排放标准.     

Biological removal of air loaded with a hydrogen sulfide and ammonia mixture

The nuisance impact of air pollutant emissions from wastewater pumping stations is a major issue of concern to China. Hydrogen sulfide and ammonia are commonly the primary odor and are important targets for removal. An alternative control technology, biofiltration, was studied. The aim of this study is to investigate the potential of unit systems packed with compost in terms of ammonia and hydrogen sulfide emissions treatment, and to establish optimal operating conditions for a full-scale conceptual design. The laboratory scale biofilter packed with compost was continuously supplied with hydrogen sulfide and ammonia gas mixtures. A volumetric load of less than 150 gH2S/(m^3.d) and 230 gNH3/(m^3.d) was applied for about fifteen weeks. Hydrogen sulfide and ammonia elimination occurred in the biofilter simultaneously. The removal efficiency, removal capacity and removal kinetics in the biofilter were studied. The hydrogen sulfide removal efficiency reached was very high above 99%, and ammonia removal efficiency was about 80%. Hydrogen sulfide was oxidized into sulphate. The ammonia oxidation products were nitrite and nitrate. Ammonia in the biofilter was mainly removed by adsorption onto the carrier material and by absorption into the water fraction of the carrier material. High percentages of hydrogen sulfide or ammonia were oxidized in the first section of the column. Through kinetics analysis, the presence of ammonia did not hinder the hydrogen sulfide removal. According to the relationship between pressure drop and gas velocity for the biofilter and Reynolds number, non-Darcy flow can be assumed to represent the flow in the medium.     

沉积物电缆细菌的生长特征及其对物质循环影响的研究进展

沉积物-水界面物质循环主要受铁锰化合物和微生物氧化还原过程的影响. 微生物氧化还原通常发生在细胞周质空间和外膜表层,或通过微生物纳米导线、细胞被膜等机制发生在细胞间. 近年来,电缆细菌介导的长距离电子传递机制的发现,使得微生物氧化还原反应的发生距离从纳米级扩展到厘米级. 本文重点综述了电缆细菌的生理特性及其对沉积物-水界面物质循环的影响,总结了电缆细菌的环境效应及未来的研究方向. 电缆细菌主要栖息于高硫化物含量、高电导率和低生物扰动的咸水沉积物中,在淡水沉积物中较少见. 电缆细菌对硫化物的氧化是一种反向硫酸盐还原过程,使得表层沉积物处于偏碱性的环境中,并利用多种电子受体来实现硫氧化,从而在与其他微生物的竞争中获得优势. 电缆细菌通常以O₂为电子受体将H₂S和FeS氧化为硫酸盐,并在沉积物-水界面处形成一层铁氧化物保护层,在吸附间隙水中磷的同时也阻止了其他物质的释放. 电缆细菌能够通过溶解FeS间接地促进硝酸盐异化还原作用,进而影响沉积物氮循环. 未来有必要加强微尺度电缆细菌对物质循环的影响和电缆细菌与其他细菌的协作关系研究,建议创新电缆细菌的纯化培育条件并开展其在硫污染沉积物修复中的应用,从而为水生态环境保护工作的开展提供技术支持.      

城镇污水管道系统甲烷产排特性及发生机制

城镇污水管道系统中产生的甲烷是城镇碳排放的主要来源之一,深入研究污水管道系统中甲烷的产排特性及发生机制对城镇污水提质增效和碳减排至关重要。综述了城镇污水管道系统中甲烷产排的研究现状,分析了甲烷产排的主要影响因素及发生机制,归纳了污水管道系统中甲烷产排的模拟评估方法。结果表明:污水管道内部环境、水质特性、水力条件等是影响甲烷产排的主要因素;生物膜-管道沉积物-污水多相界面的生化反应和传质过程是造成甲烷产排特性差异的关键原因;耦合管道水动力、颗粒物沉降过程、生化反应动力学、构建污水管道系统甲烷产排模型并应用于污水管道系统的甲烷排放测评与控制,是今后研究的发展方向。     

微氧条件下自养-异养联合反硝化工艺的电子平衡分析

自养-异养联合反硝化(integrated autotrophic and heterotrophic denitrification,IAHD)工艺可以同时进行硫化物,硝酸盐和有机物的降解,作为工业废水处理的关键单元近年来受到广泛关注.引入微量氧气作为电子受体的微氧技术已被证明是强化IAHD运行效能的有效策略.本研究关注于IAHD工艺的电子平衡计算并发现了IAHD生物反应器在微氧条件下运行时利用有限的硝酸盐可将硫化物和乙酸盐完全转化去除.在IAHD序批实验中,当电子缺失率达到峰值55. 1%时,硫化物、硝酸盐和乙酸盐去除效率和去除速率均最高.进一步的硫化物氧化间歇实验表明,电子得失不平衡现象发生在生物硫化物氧化过程中,当氧气含量为5 m L和10 m L时,电子缺失率分别为18. 7%和38. 2%. Illumina微生物群落测序结果表明,Thiobacillus、Thauera、Mangroviflexus和Erysipelothrix为硫氧化过程的主要占优属,其中Thiobacillus的相对丰度随着电子缺失率的增加而增加.本研究揭示了微氧条件下电子受体缺失现象与强化的IAHD运行效能之间的潜在联系,并为深入探讨硫、氮和有机碳的代谢机制提供了新的研究视角.     

海南新村港红树林区域沉积物和海水质量调查与评价

为研究海南新村港红树林区域沉积物和海水质量,本文对该区域沉积物的粒度、重金属、营养盐、有机碳、硫化物、全盐量以及海水中的溶解氧、氮、磷进行了分析,并采用潜在生态风险指数、隶属度模糊综合评价等评价方法对沉积物及海水质量进行评价。结果表明,与其他地区相比,新村港红树林区域沉积物中重金属元素含量较低,且分布相对均匀;沉积物中总氮、总磷含量在各断面无显著性差异,但少数调查点的总磷含量比其他调查点略高;相比周边海域,有机碳含量相对较高,但硫化物含量则很低;从全盐量结果来看,该区域属于中度或强度盐化土。海水的溶解氧、氨氮、总磷浓度部分断面有显著性差异,总氮、无机氮、硝酸盐则分布均匀。从评价结果来看,沉积物中重金属、营养盐均不具有生态风险效应,且有机碳、硫化物、石油类、重金属等指标均符合第一类海洋沉积物质量标准,但是,调查区海水氮污染特征较明显。