淹沒式生物膜法除磷生物膜特性
水體的富營養化現象已成為人類所面臨的嚴重的水環境問題之一,降低廢水中的氮尤其是磷含量是防止水體富營養化的主要任務。填料載體上的生物膜是處理系統發揮作用的主體,研究淹沒式除磷反應器中生物膜的特性和主要微生物組成、探討究竟是哪些微生物在生物膜除磷過程中起主要作用,是探明淹沒式生物膜除磷機理的重要課題。
1序批式生物膜除磷反應器中生物量的測定
1．1 測定方法
(1) 從筆者穩態試驗運行的淹沒序批式生物膜法除磷反應器中[1]取出有代表性的填料,將填料放入容器中加入一定量的蒸餾水搓洗,把含洗脫膜的水轉入2000mL量筒中,將填料再重復搓洗3～5次,直至膜全部洗脫下來而填料變成白色為止,再往盛洗脫膜的量筒中加蒸餾水至滿刻度。
(2) 取混勻的洗脫液200mL,測定在103～105℃下烘干的總殘渣;取混勻的洗脫液200mL,用定量濾紙抽濾,然后取所得濾液,測定在103～105℃下烘干的總可濾殘渣,得懸浮固體m＇s=總殘渣-總可濾殘渣。
(3) 把經過(2)測得的總殘渣和總可濾殘渣分別在550℃的馬福爐中灼燒30min,取出在干燥器內冷卻后稱量至恒重,得總殘渣和總可濾殘渣的灼燒殘渣,則揮發性懸浮固體m＇vs=(總殘渣-總殘渣的灼燒殘渣)-(總可濾殘渣-總可濾殘渣的灼燒殘渣)。
(4) 在取走填料的反應器中立即取混合液200mL,同步驟(2),(3)分別測出反應器中混合液的懸浮固體ms〃和揮發性懸浮固體mvs〃,則得反應器中懸浮固體ms和揮發性懸浮固體mvs的計算公式:
ms=10∑ni=1nim＇si+1000vm〃s/200=10∑ni=1nim＇si+5vm〃smvs=10∑ni=1nim＇vsi+5vm〃vs
式中ms———反應器中懸浮固體總量,g;mvs———反應器中揮發性懸浮固體總量,g;m＇si———第i種代表性填料的懸浮固體,g;m＇vsi———第i種代表性填料的揮發性懸浮固體,g;ni———第i種代表性填料相同或相似的填料數;n———代表性填料的種類數;m〃s———混合液的懸浮固體,g;m〃vs———混合液揮發性懸浮固體,g;v———反應器容積,22L。反應器中mLss和mLvss的表達式:mLss=1000ms/v,mg/L;mLvss=1000mvs/v,mg/L。
1．2 測定過程及結果將所取代表性填料分成上下兩段,每段長度均為55cm,然后把每段作為單獨的有代表性的填料,按上述測定方法進行測定,反應器中有8根相同填料,結果見表1。
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由表1知,sbr生物膜反應器中生物量非常大,超過淹沒式軟填料生物膜工藝、sbr除磷活性污泥系統和a/o活性污泥系統中的生物量,反應器中上部生物膜活性高于下部。
2生物膜污泥產率及污泥含磷量
2．1污泥產率
由于sbr生物膜除磷工藝的特殊性,可較方便地測出運行1個周期后的污泥產量。在進水負荷為1．00kgcod/(m·d)時,將1周期后脫落的污泥取出,過濾后在103～105℃下烘干,稱得1．0733g,產泥率為0．1996kgds/kgcod,介于傳統生物膜法和傳統活性污泥法的產泥率之間,與以消化為目的的延時曝氣活性污泥法的產泥率接近[4]。
2．2污泥含磷量
準確稱取污泥風干樣品0．0744g,在樣品上下各鋪一層naoh于鎳坩堝中,將坩堝放在酒精噴燈上到樣品處于熔融狀態,用鐵夾將坩堝取出在水中急冷,用蒸餾水多次洗滌坩堝,用h2so4(1∶1)中和至ph<7,定容至1000mL[5]。
將上述溶液再稀釋20倍后取50mL于比色管中,加入5mL鉬酸銨溶液混勻,加入0．25mL氯化亞錫溶液,充分混勻,室溫放置15min后,于700nm波長處以零濃度空白為參比,測定吸光度,在標準曲線上查得相應的含磷量為0．2108mg/L,污泥中磷含量為5．67%。
3生物膜沉降特性
計時進行靜止沉淀。把量筒中洗脫液混勻,然后靜置沉淀,分別記下靜沉時間及污泥沉淀層容積。結果見圖1。由圖1可見纖維填料的上、下部生物膜都具有良好的沉降性。
4除磷微生物特性研究
4．1試驗材料
生物膜樣品:生物膜混合液取自筆者試驗中穩態運行的淹沒式生物膜反應器中填料載體上的生物膜。檢樣1為生物膜反應器除磷試驗的前期(反應器運行第4個月)樣品,檢樣2為中期(反應器運行第6個月)樣品。
培養基:牛肉膏蛋白胨培養基(營養瓊脂)。
4．2試驗方法
(1) 檢樣處理。
無菌操作取出生物膜,測量表面積。檢樣1為0．2217cm,檢樣2為0．2165cm。然后用滅菌剪刀將生物膜剪碎,放入裝有滅菌生理鹽水和玻璃珠的三角燒瓶中,充分振蕩,將生物膜上的細菌洗下,以此生理鹽水懸液作為菌落總數測定細菌計數按標準平板法進行。
(2) 菌落總數確定。
將上述生理鹽水懸液進行(2)菌落總數確定。將上述生理鹽水懸液進行適當的10倍遞增稀釋,然后取各稀釋度懸液0．1mL放入營養瓊脂平皿上,用滅菌“L”形玻璃棒將其涂布均勻,放入36℃恒溫箱中培養24h,然后連續觀察3d。
(3) 菌相分析。
取上述各稀釋度菌懸液0．1mL放入普通營養瓊脂平皿上,用“L”玻璃棒將涂布均勻的一組放在36℃溫箱培養,另一組放入厭氧罐中,36℃培養,連續培養72h后取出并觀察結果,選有30～300個菌落的平皿,進行菌相分析,選取菌落形態一致的菌為一組菌,然后進行革蘭氏染色,做抗酸染色、形態、芽孢試驗、動力、需氧生長、厭氧生長、接觸酶、氧化酶、葡萄糖利用試驗、of試驗以確定其為哪個菌屬的細菌。試驗結果根據《伯杰氏系統細菌鑒定手冊》所述的方法進行處理。
4．3試驗結果
(1)菌落總數。
由表1得知:檢樣1的菌落總數為2．52×108個/mL,檢樣2的菌落總數為1．56×10個/mL。
(2)菌相分析結果。
普通營養瓊脂平板在36℃下培養24h。需氧培養:檢樣1在10-4稀釋度平板上長出210株菌落;檢樣2在10-5稀釋度平板上長出127株菌落。厭氧培養:檢樣1,檢樣2均無細菌生長。菌相分析結果見表2。由表2可見優勢菌屬為假單胞菌屬,其次依順序為氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬、微球菌屬、硝化桿菌屬。
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4．4討論
4．4．1淹沒式生物膜反應器不同運行期生物比較
(1)細菌總數。
在除磷試驗的中期生物膜中細菌數量遠超過初期,約為初期的5倍,這是因為生物膜不斷馴化培養后,逐步成熟的原因。
(2)菌相組成。
由表2知,在運行中期假單胞菌屬的構成比例超過初期。同時,氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬的構成比卻低于初期。這說明,假單胞菌屬為本系統的優勢菌屬,且隨著運行時間的延長而更加穩定。另外,硝化桿菌屬的比例在運行中期也高于初期。說明,隨著運行時間的延長,本系統的硝化功能趨于提高。
4．4．2與除磷工藝中活性污泥混合液菌相構成比較
以往人們認為不動桿菌屬在活性污泥除磷過程中起著最主要的作用。但是,在本試驗中卻沒有發現不動桿菌屬。hascoet[8]發現,運行良好的間歇式生物除磷脫氮試驗裝置的污泥混合液中幾乎找不到不動桿菌,清華大學周溪岳[3]、華東師范大學朱懷蘭[9]的間歇式污泥除磷試驗裝置中,也沒有找到不動桿菌。此外,即使在一些裝置中,不動桿菌屬相當多,但它在除磷過程中所起的作用都不大。當然由于所采取工藝、原水水質、運行條件不同,活性污泥混合液內微生物組成和數量會有差異,但是這說明了以往的廢水生物除磷主要是由不動桿菌屬完成的觀點是不夠全面的。
另外,同樣是間歇式除磷工藝,本試驗采用的淹沒式生物膜與間歇式活性污泥的菌相構成有相似也有不同,其比較見表3。由表3知,兩者最大的不同是在淹沒式生物膜除磷系統中有硝化桿菌屬,而間歇式活性污泥系統中沒有。
4．4．3主要菌群的功能
cLoete等人的研究認為,假單胞菌屬、氣單胞菌屬、不動桿菌屬等都不僅能有效地降解有機物,而且能過量攝取廢水中的磷以聚磷酸鹽顆粒的形式貯存于細胞內,同時還能還原硝酸鹽進行反硝化脫氮。另外芽孢桿菌屬、微球菌屬、腸桿菌屬等,也具備上述功能,這與本試驗研究是基本一致的。氣單胞菌的另一主要功能是發酵產酸作用,即在厭氧段將合成廢水中的蛋白質之類的大分子物質發酵成小分子的揮發性脂肪酸,而一般硝化桿菌的作用是進行硝化。本試驗在穩定運行期有很好的硝化以及去除cod和氮、磷的效果[1,11],從而進一步驗證了上述觀點。
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5除磷生物膜生物相
5．1 原生動物和后生動物的特征淹沒式生物膜反應器從進水到出水,有機物濃度變化很大,然而其中的微生物相卻比較穩定,而且在數量上也沒有出現大起大落的情況。原生動物主要為纖毛蟲類,其中出現頻率最多的是固著型纖毛蟲類,有鐘蟲、累枝蟲和蓋蟲;其次是游泳型纖毛蟲,有草履蟲(主要在進水時出現)、腎形蟲和漫游蟲。另外,生物膜中也有少量的綠眼蟲和變形蟲。生物膜中出現的后生動物有線蟲類、輪蟲類、甲殼蟲類等。甲殼蟲動物主要為水蚤類。值得指出的是淹沒式反應器生物膜上的生物相并沒有象傳統的生物膜法那樣,隨著從進水到出水而改變,相反在整個處理過程中,鐘蟲、累枝蟲、線蟲等一直生長良好,而且在數量上沒有太大變化,這些適于在低污染度條件生活的微生物仍能存活,只是隨環境條件的改變,原生動物和后生動物的形態也隨之變化。因此,在同一周期內,淹沒式生物膜反應器中的原生動物和后生動物種屬不宜用來指示水質,而只能從原生動物的形態來指示水質。
5．2 原生動物和后生動物的作用原生動物可直接利用水中有機物質,對水中有機物的凈化起一定的積極作用,更主要的是原生動物是以吃細菌為主,而后生生物是以細菌、小的原生動物和有機顆粒等為食物,從而形成食物鏈和不同營養級的消費者生物,與反應器環境形成一個生態系統。細菌、原生動物和后生動物的活性在好氧條件下要比無氧條件下大大提高,所以淹沒式生物膜除磷反應器在從厭氧轉為好氧時,除磷菌的繁殖速度將大大加快,而原生動物、后生動物的捕食能力也逐漸增強,而這時被吞食的除磷菌大都是過量攝取了磷的細菌,因此,原生動物、后生動物在體內富集了磷,而這些磷將隨同其死亡尸體轉入污泥,從而有利于提高淹沒式生物膜反應器中脫落污泥的磷含量;其次,在好氧段由于原生動物、后生動物的活動可軟化生物膜,促使生物膜松動、脫落,并提高氧轉移率,從而能使生物膜經常保持活性和良好的凈化功能,既有利于去除有機物,也有利于除磷。
6 結論
(1) 淹沒式生物膜除磷反應器中,生物量大,mLvss達5531．7mg/L;細菌總數多,為1．56×109個/mL,從而為生物除磷在菌數上奠定了基礎。
(2) 脫落污泥沉降性好、含磷量高,污泥產率為0．1996kgds/kgcod。
(3) 生物相穩定,對淹沒式生物膜除磷工藝而言,原生動物和后生動物的種屬不宜用來指示水質,而只能從原生動物的形態指示水質。
(4) 淹沒式生物膜除磷工藝中優勢菌屬為假單胞菌屬,其次依順序為氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬、微球 菌屬、硝化桿菌屬。
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