淹沒式生物膜法除磷生物膜特性
水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象已成為人類所面臨的嚴(yán)重的水環(huán)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(yǎng)化的主要任務(wù)。填料載體上的生物膜是處理系統(tǒng)發(fā)揮作用的主體,研究淹沒式除磷反應(yīng)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(jī)理的重要課題,。
1序批式生物膜除磷反應(yīng)器中生物量的測(cè)定
1．1 測(cè)定方法
(1) 從筆者穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)運(yùn)行的淹沒序批式生物膜法除磷反應(yīng)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(zhuǎn)入2000mL量筒中,將填料再重復(fù)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(cè)定在103～105℃下烘干的總殘?jiān)?取混勻的洗脫液200mL,用定量濾紙抽濾,然后取所得濾液,測(cè)定在103～105℃下烘干的總可濾殘?jiān)?得懸浮固體m＇s=總殘?jiān)?總可濾殘?jiān)?/p>
(3) 把經(jīng)過(2)測(cè)得的總殘?jiān)涂偪蔀V殘?jiān)謩e在550℃的馬福爐中灼燒30min,取出在干燥器內(nèi)冷卻后稱量至恒重,得總殘?jiān)涂偪蔀V殘?jiān)淖茻龤堅(jiān)?則揮發(fā)性懸浮固體m＇vs=(總殘?jiān)?總殘?jiān)淖茻龤堅(jiān)?-(總可濾殘?jiān)?總可濾殘?jiān)淖茻龤堅(jiān)?,。
(4) 在取走填料的反應(yīng)器中立即取混合液200mL,同步驟(2),(3)分別測(cè)出反應(yīng)器中混合液的懸浮固體ms〃和揮發(fā)性懸浮固體mvs〃,則得反應(yīng)器中懸浮固體ms和揮發(fā)性懸浮固體mvs的計(jì)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(yīng)器中懸浮固體總量,g;mvs———反應(yīng)器中揮發(fā)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(fā)性懸浮固體,g;ni———第i種代表性填料相同或相似的填料數(shù);n———代表性填料的種類數(shù);m〃s———混合液的懸浮固體,g;m〃vs———混合液揮發(fā)性懸浮固體,g;v———反應(yīng)器容積,22L,。反應(yīng)器中mLss和mLvss的表達(dá)式:mLss=1000ms/v,mg/L;mLvss=1000mvs/v,mg/L。
1．2 測(cè)定過程及結(jié)果將所取代表性填料分成上下兩段,每段長(zhǎng)度均為55cm,然后把每段作為單獨(dú)的有代表性的填料,按上述測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定,反應(yīng)器中有8根相同填料,結(jié)果見表1,。
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由表1知,sbr生物膜反應(yīng)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(tǒng)和a/o活性污泥系統(tǒng)中的生物量,反應(yīng)器中上部生物膜活性高于下部。
2生物膜污泥產(chǎn)率及污泥含磷量
2．1污泥產(chǎn)率
由于sbr生物膜除磷工藝的特殊性,可較方便地測(cè)出運(yùn)行1個(gè)周期后的污泥產(chǎn)量,。在進(jìn)水負(fù)荷為1．00kgcod/(m·d)時(shí),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(chǎn)泥率為0．1996kgds/kgcod,介于傳統(tǒng)生物膜法和傳統(tǒng)活性污泥法的產(chǎn)泥率之間,與以消化為目的的延時(shí)曝氣活性污泥法的產(chǎn)泥率接近[4],。
2．2污泥含磷量
準(zhǔn)確稱取污泥風(fēng)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(tài),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(zhǎng)處以零濃度空白為參比,測(cè)定吸光度,在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)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(jì)時(shí)進(jìn)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?xí)r間及污泥沉淀層容積,。結(jié)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(yàn)材料
生物膜樣品:生物膜混合液取自筆者試驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的淹沒式生物膜反應(yīng)器中填料載體上的生物膜。檢樣1為生物膜反應(yīng)器除磷試驗(yàn)的前期(反應(yīng)器運(yùn)行第4個(gè)月)樣品,檢樣2為中期(反應(yīng)器運(yùn)行第6個(gè)月)樣品,。
培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(營養(yǎng)瓊脂),。
4．2試驗(yàn)方法
(1) 檢樣處理。
無菌操作取出生物膜,測(cè)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(xì)菌洗下,以此生理鹽水懸液作為菌落總數(shù)測(cè)定細(xì)菌計(jì)數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)平板法進(jìn)行。
(2) 菌落總數(shù)確定,。
將上述生理鹽水懸液進(jìn)行(2)菌落總數(shù)確定,。將上述生理鹽水懸液進(jìn)行適當(dāng)?shù)?0倍遞增稀釋,然后取各稀釋度懸液0．1mL放入營養(yǎng)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(yǎng)24h,然后連續(xù)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(yǎng)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(yǎng),另一組放入?yún)捬豕拗?36℃培養(yǎng),連續(xù)培養(yǎng)72h后取出并觀察結(jié)果,選有30～300個(gè)菌落的平皿,進(jìn)行菌相分析,選取菌落形態(tài)一致的菌為一組菌,然后進(jìn)行革蘭氏染色,做抗酸染色,、形態(tài)、芽孢試驗(yàn),、動(dòng)力,、需氧生長(zhǎng)、厭氧生長(zhǎng),、接觸酶,、氧化酶、葡萄糖利用試驗(yàn),、of試驗(yàn)以確定其為哪個(gè)菌屬的細(xì)菌,。試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)《伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌鑒定手冊(cè)》所述的方法進(jìn)行處理。
4．3試驗(yàn)結(jié)果
(1)菌落總數(shù),。
由表1得知:檢樣1的菌落總數(shù)為2．52×108個(gè)/mL,檢樣2的菌落總數(shù)為1．56×10個(gè)/mL,。
(2)菌相分析結(jié)果。
普通營養(yǎng)瓊脂平板在36℃下培養(yǎng)24h,。需氧培養(yǎng):檢樣1在10-4稀釋度平板上長(zhǎng)出210株菌落;檢樣2在10-5稀釋度平板上長(zhǎng)出127株菌落,。厭氧培養(yǎng):檢樣1,檢樣2均無細(xì)菌生長(zhǎng)。菌相分析結(jié)果見表2,。由表2可見優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬,其次依順序?yàn)闅鈫伟鷮?、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(yīng)器不同運(yùn)行期生物比較
(1)細(xì)菌總數(shù)。
在除磷試驗(yàn)的中期生物膜中細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)超過初期,約為初期的5倍,這是因?yàn)樯锬げ粩囫Z化培養(yǎng)后,逐步成熟的原因。
(2)菌相組成,。
由表2知,在運(yùn)行中期假單胞菌屬的構(gòu)成比例超過初期,。同時(shí),氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬的構(gòu)成比卻低于初期,。這說明,假單胞菌屬為本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌屬,且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而更加穩(wěn)定,。另外,硝化桿菌屬的比例在運(yùn)行中期也高于初期。說明,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),本系統(tǒng)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(gòu)成比較
以往人們認(rèn)為不動(dòng)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(yàn)中卻沒有發(fā)現(xiàn)不動(dòng)桿菌屬。hascoet[8]發(fā)現(xiàn),運(yùn)行良好的間歇式生物除磷脫氮試驗(yàn)裝置的污泥混合液中幾乎找不到不動(dòng)桿菌,清華大學(xué)周溪岳[3],、華東師范大學(xué)朱懷蘭[9]的間歇式污泥除磷試驗(yàn)裝置中,也沒有找到不動(dòng)桿菌,。此外,即使在一些裝置中,不動(dòng)桿菌屬相當(dāng)多,但它在除磷過程中所起的作用都不大。當(dāng)然由于所采取工藝,、原水水質(zhì),、運(yùn)行條件不同,活性污泥混合液內(nèi)微生物組成和數(shù)量會(huì)有差異,但是這說明了以往的廢水生物除磷主要是由不動(dòng)桿菌屬完成的觀點(diǎn)是不夠全面的。
另外,同樣是間歇式除磷工藝,本試驗(yàn)采用的淹沒式生物膜與間歇式活性污泥的菌相構(gòu)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(tǒng)中有硝化桿菌屬,而間歇式活性污泥系統(tǒng)中沒有。
4．4．3主要菌群的功能
cLoete等人的研究認(rèn)為,假單胞菌屬,、氣單胞菌屬,、不動(dòng)桿菌屬等都不僅能有效地降解有機(jī)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(xì)胞內(nèi),同時(shí)還能還原硝酸鹽進(jìn)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(yàn)研究是基本一致的。氣單胞菌的另一主要功能是發(fā)酵產(chǎn)酸作用,即在厭氧段將合成廢水中的蛋白質(zhì)之類的大分子物質(zhì)發(fā)酵成小分子的揮發(fā)性脂肪酸,而一般硝化桿菌的作用是進(jìn)行硝化,。本試驗(yàn)在穩(wěn)定運(yùn)行期有很好的硝化以及去除cod和氮,、磷的效果[1,11],從而進(jìn)一步驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。
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5除磷生物膜生物相
5．1 原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的特征淹沒式生物膜反應(yīng)器從進(jìn)水到出水,有機(jī)物濃度變化很大,然而其中的微生物相卻比較穩(wěn)定,而且在數(shù)量上也沒有出現(xiàn)大起大落的情況,。原生動(dòng)物主要為纖毛蟲類,其中出現(xiàn)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(jìn)水時(shí)出現(xiàn))、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(xiàn)的后生動(dòng)物有線蟲類、輪蟲類,、甲殼蟲類等,。甲殼蟲動(dòng)物主要為水蚤類。值得指出的是淹沒式反應(yīng)器生物膜上的生物相并沒有象傳統(tǒng)的生物膜法那樣,隨著從進(jìn)水到出水而改變,相反在整個(gè)處理過程中,鐘蟲,、累枝蟲,、線蟲等一直生長(zhǎng)良好,而且在數(shù)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(huán)境條件的改變,原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的形態(tài)也隨之變化。因此,在同一周期內(nèi),淹沒式生物膜反應(yīng)器中的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物種屬不宜用來指示水質(zhì),而只能從原生動(dòng)物的形態(tài)來指示水質(zhì),。
5．2 原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的作用原生動(dòng)物可直接利用水中有機(jī)物質(zhì),對(duì)水中有機(jī)物的凈化起一定的積極作用,更主要的是原生動(dòng)物是以吃細(xì)菌為主,而后生生物是以細(xì)菌,、小的原生動(dòng)物和有機(jī)顆粒等為食物,從而形成食物鏈和不同營養(yǎng)級(jí)的消費(fèi)者生物,與反應(yīng)器環(huán)境形成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng),。細(xì)菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)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(yīng)器在從厭氧轉(zhuǎn)為好氧時(shí),除磷菌的繁殖速度將大大加快,而原生動(dòng)物,、后生動(dòng)物的捕食能力也逐漸增強(qiáng),而這時(shí)被吞食的除磷菌大都是過量攝取了磷的細(xì)菌,因此,原生動(dòng)物,、后生動(dòng)物在體內(nèi)富集了磷,而這些磷將隨同其死亡尸體轉(zhuǎn)入污泥,從而有利于提高淹沒式生物膜反應(yīng)器中脫落污泥的磷含量;其次,在好氧段由于原生動(dòng)物、后生動(dòng)物的活動(dòng)可軟化生物膜,促使生物膜松動(dòng),、脫落,并提高氧轉(zhuǎn)移率,從而能使生物膜經(jīng)常保持活性和良好的凈化功能,既有利于去除有機(jī)物,也有利于除磷,。
6 結(jié)論
(1) 淹沒式生物膜除磷反應(yīng)器中,生物量大,mLvss達(dá)5531．7mg/L;細(xì)菌總數(shù)多,為1．56×109個(gè)/mL,從而為生物除磷在菌數(shù)上奠定了基礎(chǔ)。
(2) 脫落污泥沉降性好,、含磷量高,污泥產(chǎn)率為0．1996kgds/kgcod,。
(3) 生物相穩(wěn)定,對(duì)淹沒式生物膜除磷工藝而言,原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的種屬不宜用來指示水質(zhì),而只能從原生動(dòng)物的形態(tài)指示水質(zhì)。
(4) 淹沒式生物膜除磷工藝中優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬,其次依順序?yàn)闅鈫伟鷮?、芽孢桿菌屬,、微球 菌屬、硝化桿菌屬,。
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