（环境科学专业论文）基于陶瓷载体的生物膜与废水处理效果之间关系的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，m a n yl a k e s ， r e s e r v o i ra n du r b a nr i v e rp o s eas e v e r er i s ko fe u t r o p h i c a t i o nc a u s e db ye x c e s s i v e n i t r o g e nl e v e l s ，w h i c hl e dt oc y a n o b a c t e r i ab l o o mf r e q u e n t l y t h u st h ee n v i r o n m e n t a l p r o b l e mc a u s e db yt h en i t r o g e nc o n t a m i n a t i o nh a sa r o u s e dp e o p l e s a t t e n t i o n i n c r e a s i n g l y a i m i n ga tw a t e rp o l l u t i o nc a u s e db ye x c e s s i v en i t r o g e nl e v e l s ，v a r i o u s k i n d so fb i o l o g i c a lm e t h o d sa r ec a r d e df o r t r e a t m e n t ，a m o n g w h i c hb i o f i l m t e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v em e t h o d i ti sn e c e s s a r yf o ru st ol e a mr e g u l a r i t yo fb i o f i l m i no r d e rt oi m p r o v et h et e c h n o l o g yo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a l t h o u g hi ti sac o m p l e x s y s t e mb e t w e e nb i o f i l m ss t r u c t u r ea n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n dl a c ko fs t u d i e so n b i o f i l mc o n c e m e d s i t u a t i o no fb i o f i l mo nt h ec e r a m i cc a r r i e r sa n ds o m ee f f e c tf a c t o r sw e r e d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ei nt h r e ep a r t s p a r to n e ：m i c r o e l e c t r o d ew a su s e dt om e a s u r eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n s i d et h e b i o f i l mu n d e rd i f f e r e n tg r o w t h s t a g e s ，a n dt h e ni n v e s t i g a t e b i o f i l m sg r o w t h p r o c e d u r ea sw e l la si t sb i o a c t i v i t y w i t ht h ei n c r e a s i n go f b i o f i l mt h i c k n e s s ，b i o f i l m s m i c r o s t r u c t u r el o o s e df r o md e n s i f i c a t i o nt ob er e s u l t e di nt h a td op e r m e a t i o nr a t e c h a n g e b a s e do nt h ed a t a , d i f f u s i o nr e a c t i o ne q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hw a s i d e n t i c a lt oz e r oo r d e rk i n e t i ce q u a t i o n p a r tt w o ：r e g u l a r i t i e so fo r g a n i cc o m p o u n dd e g r a d a t i o nw e r ed i s c u s s e du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw i t hb i o f i l m si n n e r - s t r u c t u r ev a r i a t i o n i tw a sd i s c u s s e dm a i n l y t h a tt h ei n n e rs t r u c t u r eo fb i o f i l mw a sa f f e c t e db yd i f f e r e n tp o s i t i o ni nt h er e a c t o r , d i f f e r e n ts u b s t r a t ef l o wv e l o c i t i e s ，a n dd i f f e r e n tc a r b o nr e c o u r s e s b i o f i l mh a d c o m p l e xf o r m a t i o n ，e i t h e rd e n s eo rl o o s ei nr e a c t o r , i nt h el o w e rf l o w i n gv e l o c i t yo r r e l a t i v e l yl o n g e rh r t , o rl o w e rl o a dc o n d i t i o n d i s t i n c tm i c r o - s t r u c t u r ei sc u l t u r e db y d i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s ，w h i c ha f f e c tt h eb a c t e r i as p e c i e sg r o w t ha n dm i c r o b i a l d i s t r i b u t i o na n dl e a dt od i f f e r e n tb i o a c t i v i t y , a n do x y g e nt r a n s f e re f f i c i e n c y , w h i c h v a r yt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te f f e c t p a r tt h r e e ：b i o f i l mw a su s e di nt r e a t m e n to fe l e c t r o p l a t i n gw a s t e w a t e r , i nw h i c h g l u c o s ea n dm e t h a n o la sc a r b o ns o u r c ew e r er e s p e c t i v e l yf e di n t ot h ew a s t e w a t e rt o p r o m o t eb i o f i l mg r o w t h eb i o f i l mw a sp o r o s i t yc o r r e s p o n d i n gt og l u c o s ea n do x y g e n c o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t4 7 m g la tt h ed e p t ho flm mu n d e rt h eb i o f i l m w h i l et h e b i o f i l mw a sd e n s ew h e nm e t h a n o lw a su s e da sc a r b o ns o u r c e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o n t e n d e dt oz e r oa tt h ed e p t ho f0 5 m mu n d e rt h eb i o f l i ms u r f a c e ap o r o u sb i o f i l mw a s s u i tf o rm a s st ot r a n s p o r t ，w h i c hr e s u l t e di nh i g h e ra m m o n i an i t r o g e nr e m o v a l p e r c e n t a g e ，o t h e r w i s ed e n s eb i o f i l mw a sh a r df o ra m m o n i an i t r o g e nt ob er e m o v e d b i o f i l m ss t r u c t u r ec o u l db ec h a r a c t e r i z e db yd i s s o l v eo x y g e nc o n c e n t r a t i o n i n s i d e ri t m i c r o e l e c t r o d ew a su s e df o r m o n i t o r i n g b i o f i l mt o i n v e s t i g a t t h e m i c r o r e a c t i v ek i n e t i c so c c u r r e di nb i o f i l m t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tn e i t h e rt o o d e n s en o rt o ol o o s e nb i o f i l mw a st h eb e s to n e ，w h i l ee x t e r n a ll o o s e na n di n t e r n a l d e n s eb i o f i l mm a d em o r er e a s o n a b l eb a c t e r i ad i s t r i b u t i o n ，w h i c hw o u l da c h i e v e d b e t t e re f f e c to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t k e y w o r d s ：b i o f i m ，i n n e r - s t r u c t u r e ，d i s s o l v e do x y g e nm i c r o e l e c t r o d e ，w a s t e w a t e r t r e a t m e n t 学位论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 论文作者签名：施凌同期：加f 。f 碣 学位论文知识产权权属声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 论文作者签名：施玄日期：沙佃，1 ，7 导师签名：涨夺日届 同期：多口，口- 莎。午 7 僻反v 上海师范人学硕一 j 学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 废水处理的意义 第一章绪论 水作为自然环境的重要组成物质，它不断运动着，积极参与自然环境中正在 发生的一系列物理化学生物的过程。作为一种动态的资源，水资源具有再生性和 有限性，时空分布的不均匀性，流动性和溶解性【l j 等特点。水是生命之源，是人 类赖以生存的自然资源，也是社会发展所需的宝贵资源。水也是有限的，可利用 的水资源只占地球总水量的极小部分。我国幅员辽阔，人口众多，水资源相对量 较少，水污染态势难以遏制，导致了我国水资源十分紧缺。 其实水体本身是具有自净的能力，污染物随污水排入水体后，经过物理化学 生物的作用，可以使污染物的浓度降低【2 】。利用微生物的代谢作用，可以使得污 水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质，微生物可以降解各 类有机物质，从而起到净化的作用。但是若污染物的数量超过水体的自净能力， 就会使水体受到污染。 人们真正丌始意识到废水处理的重要性是要追溯到1 9 世纪后期，当时的人 们为避免疾病蔓延，一些工业化大城市才开始对废水处理有所行动1 3 j 。1 9 1 4 年， 英国建成了世界上第一个活性污泥法废水生物处理试验厂 4 1 。近些年来，许多缺 水问题突出的国家将观念从单纯的水污染控制转变为水环境的可持续发展。 在我国的传统概念中，工业生产和废水处理是截然分丌的，这导致了污水处 理厂经常需要处理几种不同性质混合起来的废水。工业废水处理第一阶段通常是 采样、水质测定、与水质排放标准比较、达标的处理水被排入地表水系中【3 】。但 是近些年以来，随着工农业的迅速发展，有些地区将大量复杂的污染物未经妥善 处理排入水体中，从而使水体的生态系统和功能遭到破坏，导致了我国的水环境 污染严重。我国十大水系中接近6 0 的检测水质为五类水，绝大多数的河流湖泊 都发生过富营养化、蓝藻的频繁爆发等污染。国家对此十分重视，这也预示着今 后的治理任务的艰巨性，必须研发和优化高效、合理的废水处理工艺。 第一章绪论 上海师范人。誓硕十学位论文 目d 订有两种废水处理理念，即水中污染物分离和将其部分或全部矿化l j j 。分 离过程基于流体力学，如沉淀、离心、过滤等或者膜技术，如微滤、超滤、纳滤 反渗透等技术，也包括吸附和絮凝等的物理化学过程。水中的污染物也可以通过 生物和化学过程被矿化。在众多废水技术中，废水生物处理是利用自然界中广泛 的依靠有机物生活的微生物降解废水中污染物，集中了无须通过预处理，能量消 耗少，低成本和无须废弃处理等优点【3 】。因此对于废水处理，人们更多的关注于 生物处理技术，特别是对于微生物的新陈代谢过程以及污染物降解的关系，成为 研究学者研究的重点部分。 1 1 2 生物膜技术的研究进展 在当前的污水处理技术领域中，污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的 一种污水好氧生物处理方法。并且研究表明大量的污染物降解过程往往发生在生 物膜中。因为生物膜的构造比较特别，固液交界面以及一定深度的内部生长着大 量的微生物，形成了有机物细菌一原生动物的食物链【2 1 。生物膜降解污染物是以 水为媒介，在生物膜内通过污染物、溶解氧、分解代谢产物以及各种必需的营养 的扩散、传质过程来实现的【4 j 。 生物膜的应用十分广泛，迄今为止的工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触 氧化和生物流化床等。在过去3 0 多年里，各种形式的生物膜技术不断出现，现 在生物膜技术已作为一种有效的手段和方法来满足人们对水及废水处理质量要 求的手段和方法1 5 1 。并且适宜于微生物生长代谢的新材料的应用也在发展起来t 6 1 。 在工业应用中，生物膜反应器能提高生物量在反应器中的滞留程度，促进对污染 物降解效率。 随着对生物膜在自然环境中和工业应用方面重要性认识的不断提高，在过去 的三十年，人们对生物膜的兴趣极大地增加。美国、德国、日本、英国、法国等 国家对生物膜进行了大量的研究。j o h ne 、h e r m a n o w i c z 、x i n m i ny a n g 等人也 认为生物膜的结构受到反应器结构、水利条件以及底物组成等各种外部条件的影 响f 7 一。王文军等人则将水文条件、载体类型、营养水平、光照列为水环境中生 物膜形成的最主要的影响因素【1 0 】。 2 上海师范人学硕十学位论文第一章绪论 水文条件主要是指液体流速和液体的密度等因素，其中液体流速对生物膜的 形成是极为重要的，在较高的水流速下，生物膜中含有多种不同的微生物组织， 比如丝状菌，是主要微生物群体，而在低流速下丝状菌就比较少，并且两种菌群 的形态也不同f i 。另外低的传质速率和低的雷诺数会导致生物膜出现开放的结构。 而控制操作条件或者改变反应器的构造均能改变液体的水利条件。 生物膜技术与生物膜载体的应用和发展是密切相关的。其实控制微生物在载 体上的群居最终的表面特征是细菌与载体间的物理接触【1 2 】。越是粗糙的载体，生 物膜越是容易在上面维持生长，生物膜载体表面结构和性质是影响微生物附着的 主要因素。 新陈代谢是微生物进行生命活动的主要特征，微生物为了生存，不断地从外 界环境中摄取其生长繁殖所需要的营养物质，碳源浓度、碳源的类型以及碳氮的 比例是影响生物膜形成的重要影响因素。l t i j h u i s 认为适宜的基质负荷可以生 成平稳牢固的生物膜，处理能力也相对比较好；而过高的基质负荷则导致载体上 生物量的减少，形成薄弱的生物膜【”】。然而生物膜微生物所赖以生长的环境中所 含营养物质的多寡及其相互之间的比例决定了微生物细胞的合成、生长及繁殖， 影响到生物膜反应器的处理效能【1 4 1 。 光照也是影响生物膜形成的主要因素，在光照的条件下生物膜的厚度和体积 远远超过在无光条件下的生物膜。光照情况下的生物量远远大于无光照情况下的 生物量【1 5 j 。 另外p h 值和温度也会影响生物膜的形成，只有在适宜的酸碱度和温度的条 件下，微生物才能进行正常的生理活动【4 j 。 但是这些研究只是集中在单纯的载体选择，反应器传质等一些外部操作条件 的宏观领域中。对于反应器中的生物膜内部微观环境的传质过程的认识也是有限 的，对生物膜生长的机理和规律的研究也尚不深入，尤其是对生物膜载体和生物 膜生长之间的关系研究这方面几乎是空白。我们只知道选择一种材质作为载体比 较好，比如陶瓷载体，但是生物膜在此载体上的生长微观情况我们一无所知。 3 第一章绪论 上海师范人学硕十学位沦文 1 1 3 陶瓷载体的进展 在生物接触氧化技术中，填料是生物膜的载体，它是接触氧化处理工艺的关 键核心部分，能影响生物膜的固定效果，从而影响废水处理的效果。般对载体 的要求有下列要求1 2 j ： ( 1 ) 比表面积大、孔隙率高、水流通畅良好。 ( 2 ) 表面粗糙度大，具有亲水性，较好的生物膜附着性，形状规则，尺寸 均一。 ( 3 ) 稳定性，不与生物膜发生反应，经久耐用，不产生二次污染。 ( 4 ) 价格低廉，便于运输安装等。 所选用的材料性质将反应于微生物固定化在废水处理效果中的应用效果，其 中粗糙的表面和带正电荷这两点成为选择载体的重要因素 4 1 。表面粗糙的载体与 光滑的载体相比较，粗糙的载体可以提供更多的接触面积，粗糙载体表面上的缝 隙还可以保护在内部生长的微生物，免受水力剪切和冲刷。因为微生物是带负电 荷的，所以选择带正电荷的材料作为载体将更有利于微生物的附着。不同的载体 具有不同的特性，合理地选择载体材料，在废水处理中起着至关重要的作用。 随着科学技术的进步和发展，各国专家对生物膜载体挂膜影响因素进行了研 究。在废水处理中所使用的载体材料分为有机和无机两类【4 】，有机载体主要就是 那些目前市场上常见的生物填料，大多是聚丙烯、聚乙烯等各类树脂、塑料、纤 维、明胶等材料。无机载体主要是沙子、玻璃、沸石、陶瓷材料等。人们在实际 应用中发现这些塑料填料的亲水性能和生物亲和性较差，因此导致挂膜效果不明 显，挂膜速度、挂膜量等方面均存在不足【1 6 】。 如上所述，选择合适的载体对于生物膜的生长起着决定性的作用。目前，在 废水生物处理中说使用的载体材料甚多，其中陶瓷载体以其具有较大的比表面 积、足够的机械强度和良好的稳定性，表面粗糙，容易生成高活性的的生物膜， 孔隙率高亲水性好等优点，被人们广泛使用在生物反应器中。 张永明等人制成轻质陶瓷载体用于流化床生物反应器中处理有机废水，在较 小的曝气条件下呈现出良好的流态化，c o d 去除率达到8 0 以上【1 7 】。并且将这 种轻质的陶瓷载体用于高级氧化处理中，也呈现出良好的趋势1 8 】。另外张永明等 人利用蜂窝陶瓷固定化细胞处理地表水，置于内循环管中，强化了流体在反应器 4 上海师范人学硕十学位论文第一章绪论 内的流动，提高了反应器的有效容积、减少了走旁路流体的比例1 1 9 j 。 1 1 4 生物膜结构研究的进展 生物膜的一般结构是这样描述的【4 】：微生物经过可逆附着和不可逆附着完成 结合固定化过程以后，通过有机底物的传质等生物、物理和化学过程，进行生物 代谢而逐渐增长，物质在生物膜内的传质阻力随着生物膜厚度的增长也不断增 加，导致了生物膜出现分层状态，内部出现缺氧和厌氧的区域，处于表面的生物 膜属于好氧层，由于好氧层中有足够的氧供给以及有机底物且生长速度较快，导 致生物膜厚度进一步增长，内部的一层因底物和供氧不足，出现厌氧状态，加上 底物不足，微生物处于饥饿状态而溶解，破坏了生物膜与载体的粘附强度，生物 膜就会脱落。 h e i j n e n 等人对于生物膜的形成的研究，认为生物膜的形成是一个动态的过 程，这个过程主要为：悬浮于液相中的微生物首先附着在载体的表面上，然后在 载体的局部区域形成薄的生物膜，最后才将整个载体完全给包裹住，形成成熟的 生物膜0 2 0 1 。目前，人们普遍认同的生物膜结构的解释是这样描述的：在基质底部， 微生物细胞会先形成一层致密而薄的细胞层，这一细胞层会束缚着一些密实的微 生物团簇。生物膜整体将被生物细胞和胞外聚合物填充，在其内部形成空隙结构， 空隙之间彼此相连1 2 1 】。 b e e r 和m a s s 0 1 d e y a 等人观察生物膜的内部结构，也发现生物膜中存在空隙 和通道，b e e r 认为这些孔隙就是传质的通道1 2 引，l e w a n d o w s k i 发现生物膜的空隙 里面充满着营养底物或是低浓度的胞外聚合物【2 。s t o o d l y 和b e e r 还认为生物膜 像一个海绵体，是由不同的通道隔离开的质量分布均匀的多孔结构【2 3 - 2 4 1 。t i j h u i s 认为生物膜的形成是一个动态的过程，在外力作用下迅速并连续不断的生成裂 缝，这些裂缝又不断被新生长的微生物填满【2 5 1 。t a y d o rd i g h m y 认为废水生物膜 中起主导作用的是细胞被膜，它们能最大程度上圈住细菌，并使生物膜附着于基 质上；另外还起着提供可以延伸的表面积和聚阴离子的性质等作用【2 叫。 为了描述生物膜内的传质过程，以及对生物膜的微观结构而进行更详细的研 究，许多研究者提出了不同的理论和数学模型。虽然如此，但是相对于活性污泥， 5 第一章绪论上海师范人学硕十学位论文 生物膜动力学模型的研究还是比较缓慢的。对于活性污泥系统来说，国际水协会 与1 9 8 2 年成立了活性污泥设计和运行模型国际研究小组，这些年罩已经总结出 了a s m l 、a s m 2 、a s m 2 d 、a s m 3 、a s m 3 c 这5 套模型，能够详细地描述系 统中各种反应过程，可以对c o d 、氮、磷去除的综合处理工艺进行动态的模拟1 27 1 。 由此可以看出，模型建立对于运行管理、设计改造、优化实验等方面是十分有用 的。但是生物膜的结构复杂，传质过程也不十分清晰，早期r i a m a n n 曾提出一 个生物膜模型，是将生物膜理想化，认为生物膜是分布均匀同性的微生物菌种， 在稳态下，生物膜厚度与基质之间存在着一定关系，建立了基质浓度与生物膜内 基质通量之问的关系1 2 8 1 。至8 0 年代时，s u i d a n 等人基于单一基质生物膜模型， 提出了基质通量、液相基质浓度、生物膜厚度三者之间的关系式，但是仅仅只是 对膜的垂直方向进行讨论【2 9 1 。后来w a n n e r 认为生物膜内的微生物种群并不是单 一的，因此提出了多种群生物膜的分层动态模型1 3 们。之后生物膜模型从一维的描 述发展到二维、三维的描述，e b e r l 利用3 d 模型分析得出生物膜孔隙通道内高 的对流通量不一定对应于液相中生物膜传质的高对流量【3 。 但是对生物膜的研究到目前为止，研究的主要方向还是停留在如何提高处理 效果，注重的只是处理的结果是否达标，似乎没有太多地去关心为何能达到处理 效果，是哪些原因导致了废水处理效果好。比如先前提到的陶瓷载体，它对生物 膜结构是否起到一定的作用，载体上微生物的形态是怎么样的，怎样认定陶瓷载 体是固定细胞的最佳材料之一；或者是反应器的构造，以及操作条件是怎么影响 于生物膜的生长以及生物膜活性等等。 本课题就是根据上述的方向进行具体的研究。 1 2 微电极应用于生物膜的研究 对于生物膜的结构，仅仅反映其宏观特征这一方面是远远不够的，必须从微 观方面加以研究，掌握生物膜的本质特性，才能有效地作进一步研究。对环境工 程中反应器内生物膜进行分析研究，我们可以采用微电极技术。微电极技术是该 领域的前沿技术之一，它可以对以往只进行宏观描述的微生物处理过程进行微观 6 上海师范人学硕1 ：学位论文 第一章绪论 解析，更深入地揭示其反应过程的机理，反应微生物内部情况，提炼出数学模型 以指导过程的优化。 微电极是一类尖端直径仅为1 l a m - 2 0 l a m 的吸管型电化学传感器【3 2 1 ，由于具 有比较高的空间分辨率和极小的尺寸，微电极能用于生物膜，以及生物絮体内部 微环境的测试，并确保在实验过程中不会改变或破坏被测物体，因此为表征生物 膜内部结构和功能提供了新视角。 微电极按照其原理不同，可以将其分为电位型微电极和电流型微电极网。电 位型微电极主要有氧化还原电位微电极和离子选择性微电极；电流型微电极就是 常见的溶解氧微电极，也是本课题的实验中所使用的微电极。电流性微电极的工 作原理可以用极谱分析中的扩散电流理论来解释，因为传感器的输出电流大小与 主体溶液中的溶解氧浓度成正比的关系，所以能准确测出溶解氧的浓度。各类微 电极的比较见表l 一1 。 表1 - 1 各类微电极的比较 1 2 1 国外研究 1 9 4 2 年，p h i l i pw 使用微电极测试动物组织内的氧气张( 1 0 c a lo x y g e n t e n s i o n ) 1 3 3 1 ，首次使用微电极技术测试动物组织的微环境。之后，人们普遍将微 7 第一章绪论上海师范人学硕十学何论文 电极技术应用于医学、湖泊生物学和微生物的研究【3 4 j 。直到2 0 世纪6 0 年代未， b u n g a y ，h 【3 5 】首次将溶解氧微电极用于生物膜分析后，受到了人们的重视。之后到 了2 0 世纪8 0 年代末，r e v s b e c h 研制出尖端直径在1 0 9 m 左右的微电极，检测了 水环境中的自然生物膜，揭开了微电极技术在环境科学领域应用的序幕f 3 6 l 。 9 0 年代以来，先后有不少研究人员利用微电极技术对于生物膜特性的研究。 在众多研究课题组中比较著名的是美国c i n c i n n m i 大学土木与环境工程系的 b i s h o p 小组，他们长期从事微电极技术在环境领域的科学研究【3 7 4 。 微电极作为一种比较创新的技术手段，已经被广泛用于生物膜研究中。y u t , b i s h o ppl 3 6 1 利用了微电极，发现了微生物代谢过程所出现的层化现象，并且 氧化还原电势也有变化。p a u ll 【3 9 4 1 1 等人研究发现，沿生物膜厚度方向都存在好 氧氧化作用，但是硝化作用更多是发生在生物膜好氧层的内部。h a r a l dh o m 4 2 l 等人利用溶解氧微电极发现生物膜结构是不稳定的，生物膜表面并不是固定静态 的。i c i e t i lr a s m u s s e n t 4 3 】等人利用溶解氧微电极准确测试了溶解氧的扩散。 y ut m j 等人利用溶解氧微电极技术，从以往的一维测试转向了三维测试，全面 考察了生物膜内部延深度以及平面的溶解氧分布情况。k a z u a k ih i b i y a 4 5 】等人用 溶解氧微电极测试了不同厚度的生物膜，模拟了氧气在生物膜中渗透情况。这些 研究初步揭示了在废水生物处理领域中，生物膜内部的反应过程与机理。 19 8 9 年，d eb e e rd 1 4 6 】用离子选择性微电极对硝酸盐梯度( n i t r a t eg r a d e r o s ) 进行监测，使得液膜微电极迅速发展，它们成为研究生物膜内部硝化和反硝化的 有力工具。d i r kd eb e e r 4 玎等人用高效选择性液膜的亚硝酸盐微电极对生物膜氨 氮的降解进行了分析。a n d r e we 1 4 8 】等人利用溶解氧微电极和亚硝酸盐微电极， 对河底沉积物的代谢，硝化和反硝化过程做了分析研究。 1 2 2 国内研究 如今国内在微电极技术研究上主要应用于医学领域，而在环境领域的研究和 分析，特别是结合生物膜载体的应用和开发，此类报道较少，目前只有清华大学 施汉昌教授的课题组自制微电极测得生物膜内溶解氧浓度变化梯度，从而建立出 其扩散模型4 9 垃】。主要研究有：利用微电极技术，对动态膜特性进行研究f 4 9 。5 0 1 、 8 上海师范人学硕十学位论文第一章绪论 测试球形填料结构的传质过程f 5 i j 、测定溶解氧的有效扩散系数的研究【5 2 】等。 还有中国科技大学的俞汉青教授课题组研制了一种基于m e m s 技术的氧微 电极【5 3 1 ，主要用于好氧污泥颗粒的研究。西安建筑科技大学的孟千秋等人【5 4 1 用 溶解氧微电极、离子选择性( i s e ) 微电极测定生物活性炭流化床反应器中的氨 氮、硝氮、亚硝氮以及溶解氧等，得出生物膜内部的物质迁移情况。 但是他们所用的生物膜的种类单一，反应器简单，并不能反应出在反应器中 降解有机物的生物膜的真实特性，并且未见应用于实际废水中。对生物膜生长的 机理与规律的研究尚不深入。 1 2 3 其他微观技术 除了微电极技术之外，较新的微观分析技术有以下几种：微切片技术、激光 扫描共聚焦显微镜、荧光原位杂交技术、变性梯度凝胶电泳技术。 由于生物膜具有复杂的结构，所以很难只用微电极技术来进行完整全面的表 征。几种微观分析技术的研究点各有侧重之处，微电极与其他分析技术的比较见 表1 2 。 近年来，微电极技术和几种其他微观分析技术结合使用，能更好的更准确的 反映出生物膜的特征，也使得检测范围大大拓宽。如s c h r a m m t 5 5 1 等人用溶解氧 微电极联合f i s h 技术( 荧光原位杂交技术f l u o r e s c e n ti ns i t uh y b r i d i z a t i o n ) ，对 滴滤池生物膜中的硝化菌和层化现象进行了研究。d r i kd eb e e r l 5 6 。5 8 1 等人分别利 用溶解氧微电极、共聚焦显微镜、显微注射荧光染料等技术，详细地研究了生物 膜中的传质情况。a n d e r a ss c h r a m m l 5 9 1 等人，结合了荧光原位杂交技术和 微电极技术，对硝化菌生物膜的结构和功能进行了研究。 微电极技术不会破坏生物膜结构，具有良好的实时响应能力，并且具有较高 的分辨率，几种类型的微电极结合使用，能较好的测试微环境下的生物膜。但是 微电极技术的应用多局限于实验室规模。而生物膜的在线监测则是关键，也是今 后需要逐步解决的一个方面。微电极技术和其他微观分析技术的结合也是今后的 发展趋势。微观分析技术的研究点各有侧重，只有相互结合才能获得完整表征生 物膜的信息。微电极技术在环境领域中具有良好的发展前景。 9 第一章绪论 上海师范人学硕十学位论文 表1 2 微电极技术与其他微观分析技术的比较 微电极技术除了在生物膜内外微观传质过程广泛应用，还用于生物膜反应动 力学的估值计算。研究的基础是扩散反应方程式。本课题通过测定陶瓷载体上 的生物膜内部溶解氧分布曲线，定量考察生物膜动力学参数。这些对深入研究水 环境污染具有十分重要的意义，同时也能为陶瓷载体挂膜可以形成具有良好生物 活性的生物膜提供有力证明。有助于在生物膜以及生物膜载体的研究领域开辟一 种新思路。 1 3 研究目的、研究内容和创新技术 1 3 1 研究目的 许多实践证明，生物膜载体的理化性质对生物膜的形成有非常重要的影响。 近年来随着材料科学和微电子技术的发展，生物膜活性以及生物膜在水处理过程 中一些关键机理有望通过微电极的应用而得到阐述。本课题通过溶解氧微电极在 生物膜内的测试，获得废水处理过程中生长在陶瓷载体上的生物膜与废水处理效 1 0 上海师范人! 学硕十学位论文第一章绪论 果的关系。通过本课题有助于在生物膜以及生物膜载体的研究领域上丌辟一种新 的思路和方法，这将对环境工程中应用的生物膜载体的优化与发展具有十分重要 的意义。 1 3 2 研究内容 课题的研究内容主要包括以下三个方面：生物膜生长过程及生物膜活性的测 试；有机物在生物膜不同生长条件下降解的规律；生物膜的生长动力学及其数学 模型的建立。下面具体阐述这三方面的研究内容。 ( 1 ) 生物膜生长过程及生物膜活性的测试 课题通过改变操作参数如底物浓度和流速等，检测生物膜性质的变化，由于 底物浓度和流过生物膜表面的流速对生物膜的生长、脱落以及活性有一定的影 响，对于这些变化采用微电极对生物膜进行监测，以判断这些变化情况。监测参 数主要为溶解氧( d o ) 。因为生物膜内的d o 的变化在一定程度上可以反映生物膜 内微生物群落、活性生物量、胞外聚合物在生物膜内的分布规律。通过比较参数 的变化与废水有关参数的变化，以判断生物膜活性的变化。 ( 2 ) 有机物在生物膜不同生长条件下降解的规律 在利用生物膜降解有机物方面，尤其是生物膜在形成过程中，对有机物的去 处效率的提高是渐变还是突变，是应用生物膜反应器降解有机物需要阐述清楚的 重要问题。在生物膜生长过程中，分别通过微电极和常规微生物分析法来监测生 物膜内部的一些理化性质的变化，尤其是监测生物膜在不同生长阶段和不同厚度 时，废水中有机物( c o d 、b o d 、n 1 4 4 + - n 、d o 等) 的降解效果来研究生物膜的 生长对有机物去除的影响。在此基础上建立生物膜生长与有机物去处之间的关 系，以研究生物膜在生长过程中与有机物去处之间的关系并掌握有机物的降解规 律。 ( 3 ) 生物膜的生长动力学及其数学模型的建立 扩散反应动力学时分析生物膜内部环境传质和生物反应过程的重要理论基 础，与生物膜反应器指标相关联，获得动力学参数。本课题在上述研究的基础上， 结合所测数据，建立生物膜生长动力学模型和影响因素。 第一章绪论 上海师范人2 - 7 ” 硕十学位论文 1 3 3 技术路线 整个研究过程将以“生物膜载体的选择一反应器的设计( 气升式内循环生物 膜反应器+ 新型内循环折流式生物膜反应器) 一不同条件下降解有机物一用微电 极监测生物膜的生长+ 常规分析方法对生物膜进行解析一建立生物膜生长的动力 学模型一综合分析一实际废水处理及分析 为总体技术路线。具体如图1 1 所示。 1 2 图i - 1 总技术路线 上河师范j 、学颂i j 学忙沦文第章生物雌的埘宄方泣和l 育咒理论 第二章生物膜的研究方法和有关理论 2 1 实验装置的介绍 2 2 1 气升式内循环生物膜反应器体系 旨先设计一个易于拆卸、方便观察的气升式内循环生物膜反应器，用于观察 生物膜的生长，监测生物膜内部的溶解氧情况，反应器的构造如下所迷。 采用有机玻璃制作的，l 物膜反应器装置，如图2 1 所示，总高度为9 0 m m ， 反应区高8 0 r a m ，边长3 8 m m ，体积1 1 55 2 m l ，反应器工作体积7 8 m l 。 载体选择陶瓷板，载体的尺寸为长4 7 m m ，宽4 0r n l n ，厚度6 r a m ，选用陶瓷 板用于生物膜的生长的载体，原因是陶瓷载体容易挂膜，鬯物膜活性好。分别将 两块陶瓷板置于反应器中。 流动方式为：原水由计量泵从反应器底部的进水口打入，在两块陶瓷板l i l j 底 部的位置接p 曝气装置通入空气，使溶液在反应器内随着气流的方向可以在载体 周围形成循环状态，反麻器内部溶氧充足，又能带动液体湍流，加快生化反应， 成为气升式内循环生物膜接触氧化反应器。 丽 囫 鬻瓣荔缀缀麟黝 芒一 鬻一，一“4 一 翮雾 燃圈豳茧圈疆 塑“” 髓日蛋目盏叼：些 黪i 一。 缀瓣戳缀翮豳 l i 2 圈2 - 1 气升式内循环生物膜反应器示意图 靴一章生物j * 的1 l j f 宄hr 、引仃咒州沦海【l _ l j 越人，砸+ j 伊论上 图2 - 2 反应器系统的照片啦发反应器内的载体 2 2 2 新型内循环折流式生物膜反应器体系 在气引式内循讣生物膜反应摧的研究讨论的基础卜，冉设计一个能实现商去 除率的新趔内循环折流式生物膜反应器，设计原则是：设计出一个一体式的反应 器，易于微生物的挂膜生长，希坦在反应器中可以实现硝化与反硝化，达到总氮 的去除。 反应器主体如图2 3 所示，采用铂机玻璃制成，自效体秘2 l ，同样挂膜载体 选用陶瓷板，分别在反应器罩放置9 块陶瓷板并摆成上f 错丌的样了，这样折流 的状各可以增j j 液体在反应器内的流动的长度，从而提高了反心的叫问。每块陶 瓷板尺寸规格为1 0 0 m m 1 0 0 m m 9 r a m 。在陶瓷板的i ，方盖上一块玻璃板，玻 璃扳尺寸为l o o m m x 2 0 0 t u r n x 9 m m 。在反应器的后音| ：的出水处连接蠕动泵，蠕 动泉将水冉次打l u l 反应器卜方的接u ，使反应器形成回流， 流动方式是：原水从反应器的一端进l j 进入，水在推动力的作用下由各个陶 瓷板f 向f b j 隙间流过，之后又由蠕动泵打叫至破璃板的上方接口处，流向玻璃板， 回流后的水经玻璃板冉次回到反应器内。 上海帅范j 、 顽+ 爷附论文 第一荜生物膛冉勺f 宄方往日i 有咒理论 出水 进水 图2 - 3 反应器装置图 翻2 4 反应器系统的照片 2 2 实验中检测项目与方法 2 2 1 氨氮的测试 氮氢的测试是聚用s k a l a r 流动分析仪进行分析。 流动分析仪氩氯分析的原理：氨氯分析基于修正显色反应，氯氮会被氯化为 单氯胺，它与水杨酸反应形成5 一氨基水杨酸。经氰化和耦合之后便形成了显绿色 的化台物，这个彤成的化合物的吸收波长在6 6 0 n t o 处。 第_ 二章生物膜的研究方法和有关理论上海师范人学硕十学位论文 具体方法是：测试之j j 需要准备好各种试剂，流动相为蒸馏水，反应相的试 剂主要是缓冲溶液、水杨酸钠溶液、硝普钠溶液、和二氯异氰尿酸钠，以及由氯 化铵溶液配成的不同浓度的标准样品作为标线。准备工作完成之后，将待测试的 水样过滤并适当稀释倍数，和标准样品一起通过s k a l a r s a 5 0 0 0 型号连续流 动分析仪测试，分析测试结束后自动保存数据于计算系统中。 2 2 2 c o d 的测试 c o d 的测试采用s k a l a r 流动分析仪进行分析。 流动分析仪c o d 分析的原理：基于样品消化反应之后，可以在6 0 0 n m 处测 得光度。 具体方法：取样品2 5 m l 于干净的1 6 1 0 0 m m 的试管中，加入1 5 m l 消解液 混合，再加入3 5 m l 催化剂溶液，拧紧盖子后摇匀，并做好空白与标准样品，标 准样品由邻苯二甲酸氢钾配成不同浓度，起置于d r b 2 0 0 型号消解炉中，在 1 5 0 的温度下消解2 h 。冷却室温后一起通过s k a l a r s a 5 0 0 0 型号连续流动分 析仪测试，分析测试结束后自动保存数据于计算系统中。 2 2 3 总氮的测试 总氮的测试采用s k a l a r 流动分析仪进行分析。 流动分析仪总氮分析的原理：样品与碱性过硫酸钾混合，再与硼酸缓冲溶液 混合，通过加热至1 0 7 的消解器，在镉阀减速器中发生了亚硝酸盐转化成硝酸 盐的反应，紫外透析之后通过格里斯反应监测到硝酸盐，检测波长为5 4 0 r i m 。 具体方法为：测试之前需要准备好各种试剂，流动相为蒸馏水，反应相的试 剂主要是碱性过硫酸钾溶液、硼酸溶液、缓冲溶液和显色剂溶液，以及由硝酸钾 溶液配成的不同浓度的标准样品作为标线。准备工作完成之后，将待测试的水样 过滤并适当稀释倍数，和标准样品一起通过s k a l a r - s a 5 0 0 0 型号连续流动分 析仪测试，分析测试结束后自动保存数据于计算系统中。 1 6 上海师范人学硕十学传论文第二章生物膜的研究方法和有关理论 2 2 4 扫描电镜 扫描电镜型号为j e o l 6 3 8 0 l v 。 微生物样品的制备观察方法为： ( 1 ) 收集生物膜，将生物膜放入戊二醛溶液中固定2 h ； ( 2 ) 对生物膜进行脱水，用磷酸缓冲液先冲洗3 次，每次3 0 m i n ，之后在 锇酸溶液浸泡1 5 h 2 h 。浸泡结束后再用磷酸冲