硫酸盐还原菌和铁细菌对回灌堵塞影响的试验研究

潘 俊,宋佳蓉,王昭怡,杜晓宇,皮 尧,穆怡陶(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

地下水人工回灌是增加地下水资源、防止地面沉降和供热制冷,减小能源消耗的技术。人工回灌技术的关键难题是解决回灌过程中的堵塞问题[1]。研究堵塞机理和堵塞造成的渗流规律是解决由回灌堵塞导致的人工回灌效率的下降及回灌设备寿命降低的前提[2]。

回灌堵塞主要由含水介质的渗透能力降低及气阻导致的回灌水难以灌入造成的。根据堵塞成因不同,地下水源热泵堵塞一般分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞[3]。而由于回灌水中含微生物种类较多,与当地水质相关性大,导致堵塞的机理复杂,研究较少。已有研究表明,在微生物导致的堵塞中,引起介质的渗透性能降低主要由微生物本身和微生物分泌于体外的一些高分子聚合物以及生物化学作用下生成的不溶性固体[4]占据了含水介质的孔隙通道和孔喉处的累积造成[5]。随着非饱和理论的发展,导气率和渗透性关系密切[6],气阻导致的回灌水难以灌入则是由一部分产气菌在代谢过程中产气造成[7]。二价铁离子浓度为0.3～0.4mg/L时,堵塞发生迅速[8],在铁离子含量较高地区,潘俊等指出好氧铁细菌(FB)可促进铁的氧化作用[9],使铁氧化的速率提升数倍[10]。Gu B在渗透性反应墙内发现了大量的厌氧硫酸盐还原菌(SRB)[11]。多数研究均在堵塞发生处发现了大量的SRB及FB,但对两种细菌造成堵塞的机理及渗流规律及应用在水源热泵的回灌堵塞过程中的研究较少。

基于此,笔者本次通过室内砂柱模拟在FB与SRB参与下的间歇性回灌,通过测定水通量、砂柱中细菌胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)含量、细菌含量及产生的气体体积的变化分析微生物回灌堵塞的特征。采用XRD衍射分析不同菌种参与回灌一段时间后生成的不溶性固体。得出不同渗流时期堵塞的成因,为微生物堵塞的研究机理提供进一步依据。

1 原水微生物培养及试验与检测方法

1.1 原水微生物培养

取沈阳理工大学地下水源热泵回灌水进行SRB及FB培养,铁细菌采用Winogradsky固体培养基[12],硫酸盐还原菌采用鉴别培养基[13],培养结果见图1。结果表明在沈阳理工大学处采集的回灌水中含有铁细菌及硫酸盐还原菌,以此开展对SRB及FB两种微生物堵塞的室内试验。

图1 原水培养细菌Fig.1 Raw water culture bacteria

图2 回灌装置Fig.2 Recharging device

1.2 试验方法

1.3 检测方法

铁细菌为固体培养基,计数方法为平板直接计数法,硫酸盐还原菌采用液体培养基,计数方法为三管平行绝迹稀释法[14]。EPS由硫酸提取法进行提取[15],由于EPS的主要成分为蛋白质和多糖[16],约占EPS总量的75%～80%[17],所以本次试验以蛋白质及多糖总含量代替EPS含量。蛋白质利用紫外分光度法进行检测,多糖利用5%苯酚硫酸法进行检测。并在试验结束后取原砂样与两细菌组砂样进行XRD衍射分析。

2 试验结果与讨论

2.1 水通量、细菌EPS含量变化规律

图3为水通量和2、3号孔菌种EPS含量随时间变化的曲线。

图3 水通量及细菌EPS含量变化规律Fig.3 Variation in water flux and bacterial EPS content

SRB及FB的水通量和2、3号孔细菌EPS含量的变化趋势基本一致,随着时间的增加,2、3号孔细菌EPS含量均逐渐增加,水通量减小,并且2号孔的EPS含量大于3号孔的EPS含量。

从图3(a)观察SRB的水通量在前3天急剧下降,第3天为转折点开始堵塞,由初始的5.91 mL/s下降到1.91 mL/s,下降了67.68%,之后下降趋势有所变缓并且有波动,在第11d后持续下降到最低0.91 mL/s。2号孔的EPS含量在前6天随时间的增加平缓上升,到第6天出现了小高峰,随后波动,但呈增加趋势。由初始的35.42 mg/g增加至403.08 mg/g,在试验结束时达到最高峰,3号孔的EPS含量同样在第6天出现小高峰,其后在一定范围波动。这是因为在回灌过程中,含水介质中的细菌生长时伴随着由于代谢产生的聚合物、表面脱落的基质、细菌溶解物的综合物质,并且黏胶状的综合物质附着在细菌表面或缠绕于细菌周围,会增加细菌的黏附力,导致菌体更易吸附和聚集到载体表面[18],从而造成堵塞。而2号孔与3号孔EPS的变化规律不同,则可能由于3号孔距离回灌入口较远,而营养物质及菌液随渗流的距离的增加而有所减少导致的。

从图3(b)观察FB的水通量同样在第3天为转折点,由初始的4.01 mL/s下降到1.45 mL/s,下降了63.84%,之后下降趋势与SRB的水通量趋势一致,试验结束时下降到0.5 mL/s。第2天水通量有所上升,原因可能为装填砂样时松散留有部分空隙,第1天的回灌水冲散了一部分在入口的砂样。FB的2号和3号孔的EPS含量在试验前期与中期SRB的EPS含量增长趋势一样,造成堵塞原因一致。但试验后期有所减小,则是由于细菌数量过大,对营养的竞争死亡,存活的细菌降解自身EPS进入内源呼吸,导致的EPS小幅度减少[18],但并未引起堵塞缓解。EPS含量与含水介质渗透性能的降低密切相关,是造成SRB及铁细菌堵塞的主要因素。

2.2 微生物含量变化规律

图4为SRB及铁细菌两孔每克砂样微生物量及细菌EPS含量随时间的变化曲线。

随着时间的增加,EPS含量的增加,SRB及FB的含量呈现出波动状态,说明微生物是有生长死亡周期的。由图4(a)、(c)观察出SRB前4 d是生长期,进口处的菌量达到4.6×104个/mL,5～7 d为衰亡期,菌量仅达到4×102个/mL,为生长期的9%。8～9 d生长,10～11 d衰亡后又增长。进口处FB的生长周期为1～3 d,微生物数量为4.3×106个/mL,衰亡期为4～5 d,微生物数量减小到1×104个/mL,后有增有减。图4(b)、(d)可知3号孔处SRB生长期量为4.1×104个/mL,FB量为3.13×106个/mL,衰亡期SRB量为1.5×102个/mL,FB为3×105个/mL,波动幅度较小,但周期大致相同,可得出微生物在渗流砂柱内的生长与衰亡期大约为4 d。

由此可知,渗流实验初期,EPS含量增长幅度较小,介质的渗透性能降低主要是微生物本身引起的,菌体本身占据了含水介质的孔隙通道和孔喉处的累积形成堵塞[5],以及回灌水中硫酸盐在SRB 的作用下被还原与Fe2+反应形成的FeS,一种黑色沉淀[19],有研究表明FeS易黏附腐殖质和有机物[20],反应式如下：

由于铁离子被FB氧化生成沉淀,这些沉淀会聚集黏在菌体周围的菌丝上,形成棕色的黏泥,并且FB自身释放的可以催化铁氧化反应的酶促进了铁氧化的过程[21]。

在微生物进入衰亡期后,水通量小幅度回升,EPS含量持续增长,推断含水介质的渗透性能降低主要是由EPS含量增加导致的。7～9 d主要是细菌与EPS共同作用导致介质的渗透性能下降(图4)。在3号孔处,SRB、FB数量波动较小,则是由渗流途径的远近导致的。

图4 每克砂样微生物量及EPS量随时间的变化Fig.4 Changes in microbial biomass per gram of sand and the amount of EPS time

2.3 SRB产气变化规律

图5为SRB产生H2S气体体积与放气后进水量随时间变化规律的对比图,SRB室内砂柱在第4、6、8、9、10、11、12、14天均能记录到产出的气体。

图5 SRB产H2S气体变化规律Fig.5 Variation law of the SRB gas production

图6 产气实物图Fig.6 Diagram showing the gas generating object

如图6所示,室内砂柱的产气量与放气后进水量基本一致,差额部分应为间歇性回灌进水时有部分空气随水进入造成。由于柱内存在气体,水进入使气体压缩,气体压强略大于液体压强,产生气阻导致水在未放气前回灌水难以灌入,造成回灌量减少。图7为进水与出水硫化物浓度对比,证明SRB组产生了硫化氢气体。反应方程式为：

图7 进水与出水硫化物浓度对比Fig.7 Comparison of influent and effluent sulfide concentration

以第10 d为例进行详细分析,由气体定律PV=nRT,其中T=t+273.15,t=25 ℃；可得气体压强:P=[35.73×8.31×(273.15+2)]/791.28=111.86 Pa

由液体压强公式p=ρgh,ρ为25 ℃时水的密度,0.997g/cm3,h为水头高度1 cm;可液体压强为P=0.977×9.8×10×1=95.75 Pa。

FB组在试验期间只记录到了3 d产生少部分气体,因此未进行记录。可以初步认为SRB造成的回灌堵塞是微生物、EPS及硫化氢气体共同作用。

2.4 原砂样、SRB、FB砂样XRD衍射图

图8 砂样XRD图谱Fig.8 Sand sample XRD pattern

由图8可以看出,FB砂样和SRB砂样的衍射图谱在原砂样衍射图谱的基础上,在其他衍射角处有峰值出现。图8(b)在2θ=67.95°处有特征峰出现,经比对该特征峰与FeS的X射线衍射标准卡(15-0037)的图谱特征峰一致,说明在SRB参与下经过一段时间回灌后,有不溶性FeS生成。图8(c)在2θ=30.55°处有特征峰出现经比对该特征峰与Fe3O4的X射线衍射标准卡(19-0626)的图谱特征峰一致,说明FB参与下经一段时间回灌后,有不溶性Fe3O4生成。因此导致的不溶性FeS和Fe3O4的出现也是造成回灌堵塞的重要原因。

3 结论

(1)回灌过程中介质的渗透性能降低首先是由菌体本身引起的,在细菌处于衰亡期时则主要由EPS含量增加造成,渗流中后期则主要由细菌与EPS共同作用导致含水介质的渗透性能下降。

(2)SRB参与下造成的回灌堵塞除了与菌体本身和EPS含量有关,还与菌体产生硫化氢气体,发生了气阻作用有关。产气菌造成的回灌堵塞是由微生物、EPS及气体共同作用导致的,气阻作用在整个渗流时期一直存在,在微生物生长期格外突出。

(3)通过XRD衍射分析,在SRB及FB细菌参与的室内渗流砂柱回灌试验结束后,原含水介质中有不溶性FeS和Fe3O4生成。在生物堵塞中,由细菌导致的化学衍生物也是导致含水介质的渗透性能降低的主要因素。