在温暖和寒冷温度条件下对饮用水生物过滤系统健康状况的评估

《Journal of Water Process Engineering》：Assessment of drinking water biofilter health under warm and cold temperatures

腐蚀微生物在页岩气返排水中动态变化及管理策略研究。比较了排放与重复压裂用水处理对腐蚀微生物群落及功能基因的影响，发现排放显著降低硫酸盐还原菌（SRB）和总菌数（TGB），而重复使用仅部分减少。总有机碳（TOC）与微生物数量及功能基因呈强相关性，揭示了有机物对微生物腐蚀的关键作用。研究证实环境调控是抑制微生物腐蚀的有效途径，为页岩气管道防腐提供理论支撑。

　　在页岩气行业中，腐蚀性微生物对管道腐蚀的影响日益显著，成为影响安全与效率的重要挑战。返排液与产出水（FPW）是这些微生物的主要来源，因此理解其在管理过程中的动态变化对于控制腐蚀至关重要。然而，目前尚不清楚在不同的管理策略下，腐蚀性微生物的演替规律及其功能特性。本研究首次系统地比较了两种典型的FPW管理策略——排放至地表水和用于水力压裂的再利用——中腐蚀性微生物及其功能基因的动态变化。研究结果显示，FPW中的腐蚀性微生物种类繁多，其中硫还原菌（SRB）和总一般细菌（TGB）在进水中占据主导地位，浓度分别达到1.4×10? cells/mL，而铁氧化菌（IOB）的浓度则明显较低。在排放过程中，TGB和SRB的浓度显著下降，分别降至0.1和30 cells/mL，而在再利用过程中，它们的浓度仅略有降低，分别为250和400 cells/mL。这一趋势与总有机碳（TOC）的变化趋势一致，排放过程显著降低了TOC的含量，而再利用过程则去除效果有限。研究还识别出一些具有关键作用的代表性腐蚀性微生物，如Desulfovibrio、Halodesulfovibrio、Marinimicrobium和Sulfurosirillum，它们在微生物网络中扮演重要角色。腐蚀性微生物与非腐蚀性微生物的共存表明存在多种腐蚀途径。TOC与腐蚀性微生物的丰度及功能基因之间存在强相关性，突显了其在微生物腐蚀过程中的关键作用。这些发现强调了在FPW管理过程中进行微生物控制的必要性，并为页岩气系统的腐蚀预防提供了理论依据。

页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，广泛存在于富含有机质的页岩层中。它以吸附或游离状态存在，吸引了全球范围的关注。美国率先通过水平钻井和水力压裂技术实现了页岩气的商业化开发，从而引发了全球能源革命。随后，加拿大和中国也相继实现了页岩气的商业化开发。如今，页岩气已成为全球天然气产量增长的主要来源，并成为能源领域的重要研究方向。然而，腐蚀问题在页岩气行业同样普遍存在，给油、气行业带来了数十亿美元的经济损失。尽管页岩气行业相对较新，但腐蚀问题已经广泛出现，尤其是在美国的巴内特和海恩斯维尔页岩气田以及中国的长宁和威远页岩气田中均有相关报道。例如，在威远页岩气田，集输管道在使用一年后便出现腐蚀和穿孔现象，局部腐蚀速率甚至可达6.3 mm/a。而在巴肯页岩气田，2001年至2014年间记录了892起管道事故，其中22%是由腐蚀引起的。

在页岩气行业中，目前的研究表明，微生物腐蚀（MIC）是导致管道腐蚀的主要原因之一，并且其影响可能比传统油气作业更为严重。腐蚀性微生物能够通过电化学反应、酸性代谢产物的产生以及生物膜的形成来诱发管道腐蚀。典型的腐蚀性微生物包括硫酸盐还原菌（SRB）、铁氧化菌（IOB）、腐生菌（在油气行业中通常被称为总一般细菌，即TGB）以及产酸菌（APB）。SRB通过消耗金属表面的阴极氢，导致阴极极化并产生酸性代谢产物，从而加速管道腐蚀。IOB则通过将Fe2?氧化为Fe3?以获取能量，并进一步增强金属表面的氧化反应，提高腐蚀的敏感性。TGB通过分解有机物产生酸性代谢产物，并形成氧浓度差，从而促进金属表面的氧化。APB主要通过产生有机和无机酸来降低页岩气管道周围环境的pH值，从而促进金属溶解。

FPW是在页岩气开采过程中，由页岩层中的地层水与压裂液混合生成的，它不仅是腐蚀性微生物的主要来源，也构成了与传统油气行业不同的独特环境挑战。FPW中含有较高浓度的总溶解固体（TDS），其范围从21,581到632,689 mg/L不等。此外，其有机成分也极为复杂，包括压裂液中添加的各种化学物质（如减阻剂、杀菌剂和表面活性剂）、页岩层中的有机物以及在地下高温高压环境下生成的中间产物。腐蚀性微生物在FPW及其相关基础设施中普遍存在，已有研究在巴内特、巴肯、长宁、威远和涪陵等页岩气田的FPW中检测到大量SRB、IOB、APB和TGB。尽管微生物群落的组成可能因环境而异，但通常以耐盐和兼性/厌氧的腐蚀性微生物为主，如Halanaerobium、Desulfovibrio、Acetobacterium和Pseudomonas。近期研究进一步揭示，某些腐蚀性微生物如Thermodesulfobacterium和DesulfobacterSota可能来源于地下岩石，而其他微生物如Desulfomicrobium、Acinetobacter和Acetobacterium则可能通过压裂液引入。FPW的特定环境因素（如盐度、氧气、pH值）和营养因素（如有机物、SO?2?）为这些腐蚀性微生物提供了适宜生长和繁殖的条件。为了减轻微生物腐蚀和气体酸化带来的负面影响，通常会在压裂液中添加杀菌剂以抑制腐蚀性微生物的生长。然而，杀菌剂的使用可能引发微生物中抗生素抗性基因（ARGs）的发展，这些基因可以通过水平转移的方式传递给其他微生物，从而降低杀菌剂的效力，并对页岩气勘探与开发产生不利影响。

考虑到腐蚀性微生物对环境条件的敏感性，通过调控FPW处理过程中的环境和营养因素来管理这些微生物可能是一种绿色且更具成本效益的方法。FPW的管理过程主要包括深井回注、处理后排放以及用于水力压裂再利用。深井回注涉及在达到可接受标准后将FPW注入合适的地层中。处理后排放则是通过物理、化学或生物方法对FPW进行处理，使其符合地表水排放的监管标准。再利用则涉及对FPW进行基本的物理和化学处理，以满足水力压裂液的配制要求。再利用在页岩气行业中被广泛采用，因为它既能节约水资源，又能控制水污染。然而，FPW的再利用引入了腐蚀性微生物，这可能会加剧页岩气行业中的微生物腐蚀问题。此外，FPW及其管理过程中腐蚀性微生物的特征和动态变化仍不清楚，尤其是在工程层面的微生物群落、微生物群落组成、与腐蚀相关的功能基因及其对环境因素的响应方面，缺乏系统性的研究。因此，进行整合分析，明确不同管理过程如何选择性地抑制或促进微生物群落的生长，最终影响腐蚀行为，具有重要意义。

本研究聚焦于两种典型的FPW管理过程——再利用和排放。通过分析这些过程中的腐蚀性微生物群落组成及其功能演替，揭示了微生物在不同处理阶段对水质量的影响。研究还识别了影响腐蚀性微生物的关键因素。本研究旨在为减轻页岩气管道中的微生物腐蚀提供理论基础，确保FPW再利用的可行性，并推动页岩气的绿色、高效开发。通过深入理解微生物在FPW中的作用机制及其与环境因素之间的相互关系，可以为制定更加科学和有效的防腐措施提供支持，从而提高页岩气开采的安全性和经济性。