（环境工程专业论文）外源微生物优化膜生物降解微生态系统的试验研究.pdf

* 海人学硕f ：学位论文( 摘要) 摘要 通过生物强化技术即利用外源微生物构建和培育反应器中的生态系统，能大 大提高生物降解效率，而且对推动外源微生物在污水处理中的应用具有重要的现 实意义。但是微生物在进入一个新的污水处理系统后，会因环境的变化而发生退 化，使生物降解效率波动较大，系统的稳定运行时问较短，从而导致系统需要不 断投加新的外源微生物。 本研究基于生物选择作用原理，研究在常规生物膜的培养之初，通过投加外 源微生物e m 与土著微生物进行共培养，形成e m 共培养生物膜的可能。考察共 培养生物膜与常规生物膜在生物膜形成过程、生物膜生物量、微生物活性、生物 膜微生态系统组成与结构等方面的差异，以期形成利用外源微生物优化膜生物降 解微生态系统的方法，构建稳定微生态系统。 本文的主要结论如下： ( 1 ) 外源微生物一方面可以调节生物降解微生态系统中微生物种群和群落 的相互作用，另一方面可以提高微生态系统中微生物浓度和代谢活性，从而达到 优化微生态系统的目的。 ( 2 ) 共培养方式有利于加快生物膜的形成与成熟，缩短挂膜周期。在挂膜完 成之际共培养系统对c o d 、n h 3 - n 、 i n 、t p 的去除率高出常规系统5 3 7 、 2 5 4 0 、3 8 1 0 、9 1 4 。 ( 3 ) 反应器从挂膜完成到调试工艺参数、长期运行，经过约3 个月的时间的 运行，共培养系统运行效果好于常规系统。之后，两反应器系统的运行效果逐渐 相当，甚至有时共培养系统的运行效果低于常规系统。这可能是由于共培养微生 物生态系统在长期污水的驯化下，污水中的土著微生物逐渐把共培养微生态系统 同化。 ( 4 ) 共培养方式有利于提高系统的活性生物量和生物活性。试验结果表明， 单纯生物膜的生物量，在取样高度5 c m 和1 5 c m 处单位体积载体的生物量，共培 养系统与常规系统分别相差2 4 4 倍、2 5 2 倍，但在各自系统中相差不大；共培 养系统与常规系统在取样高度5 c m 和1 5 c m 处生物活性分别相差1 1 7 倍、1 1 8 倍；填料问生物絮体的生物量和生物活性远高于单纯生物膜。 ( 5 ) 常规系统和共培养系统微生念系统组成既有相似性又有差异。p l f a ( 磷 河海人学硕士学位论文( 摘要) 脂脂肪酸分析) 试验结果表明：两系统生物膜中共监测到1 7 种脂肪酸，种类基本 一致，在各自系统中每种脂肪酸之间的比例有所差异。常规系统和共培养系统反 式结构脂肪酸与顺式结构脂肪酸的比值分别为6 0 4 、8 8 2 ，都远高于o 1 ，两系 统生物膜中的微生物生长情况处于非健康状况，这可能是由于进水浓度较大，大 量的生物絮体覆盖在生物膜上，影响生物膜中的微生物获得营养和溶解氧。 关键词：外源微生物共培养优化生物膜 微生态系统 i l f 海人学硕f 。学位论文( a b s t r a c t ) a b s t r a c t b i o d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yc o u l db ei m p r o v e db yb i o a n g m e n t a t i o n , t h a tw a st o c o n s t r u c ta n dc u l t i v a t em i c r o - e c o s y s t e mi nt h er e a c t o r t h i sm e t h o dh a di m p o r t a n t p r a c t i c a l s e n s et ot h ea p p l i c a t i o no fe n t e r i cm i c r o o r g a n i s m si nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t b u tt h ee n t i cm i c r o o r g a n i s m sd e g e n e r a t e db e c a u s eo ft h ec h a n g eo f e n v i r o n m e n ta n ds ot h eb i o d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yr e b o u n d e d ，t h et i m eo fs t a b i l i z a t i o n o p e r a t i o no f t h es y s t e mw a sv e r ys h o r l c a s t e dn e we n t i cm i c r o o r g a n i s m sw a sn e e d e d b a s e do nt h et h e o r yo fb i o s e l e c t i o n ，t h ep o s s i b i l i t yo ff o r m i n ge mc o - c u l t u r e b i o f i l mw e r es t u d y e db ya d d i n ge x t r a n c o u sm i c r o o r g a n i s m s - e ma tt h ep r i m eo ft h e f o r m i n go f c o n d i t i o n a lb i o f i l m t h ed i f f e r e n c e so ft h e p r o c e s s o fb i o f i l m f o m i n g , b i o f i l mq u a n t i t y , m i c r o b i a la c t i v i t y ，b i o f i l mm i c r o - e c o s y s t e m sc o m p r i s ea n d s t r u c t u r eb e t w e e nc o n d i t i o n a lb i o f i l ma n dc o - c u l t u r eb i o f i l mw e r es t u d y e d t h e m e t h o do fo p t i m i z i n gm i c r o - e c o s y s t e mw a sl o o k e df o r w a r dt o ，c o n s t r u c t i n gs t a b i l i z e m i c r o - e c o s y s t e m t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x t e r i o rm i c r o o r g a n i s mc o u l da d j u s tm u t u a le f f e c t sb e t w e e n $ p e 妨c sa n d c o m m u n i t yo f m i c r o o r g a n i s m si nt h eb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o nm i c r o e c o s y s t e mo no n e h a n d ， a n di n c r e a s et h em i c r o o r g a n i s mc o n c e n t r a t i o na n di t sm e t a b o l i s ma c t i v i t yo n t h eo t h e rh a n d f r o mw h i c ht h et a r g e to f o p t i m i z i n gm i c r o e c o s y s t e mi sr e a c h e d ( 2 ) t h em o d eo fc o - c u l t u r ew a sh e l p f u lt ot h ef o r m i n ga n dm a t u r a t i o no ft h e b i o f i l m , c o u l ds h r t e nt h ep e r i o do fb i o f i l mf o r m i n g a c c o m p l i s h m e n tr e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d ，n h 3 n ，t n , t pw e r e5 3 7 ，2 5 4 0 3 8 1 0 ，9 1 4 h i 【g h c rt h a n c o n d i t i o n a ls y s t e m ( 3 ) c o - e n l t u r es y s t e mh a db e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc o n d i t i o n a ls y s t e mu n t i lt h r e e m o n t h s so p e r a t i o n t w os y y t e m s so p e r a t i o n a le f f e c tw a sa b o u tt h es a m ea f t e rt h r e e m o n t h s sa n de v e nc o - c u l t u r es y s t e mh a dw o r s ep e r f o r m a n ct h a nc o n d i t i o n a l s y s t e m t h er e a s o n o ft h i sw a st h a tc 0 c u l t u r es y s t e m sm i c r o - e c o s y s t e mw a s a s s i m i l a t e db yi n d i g e n o u sm i c r o b i a li nt h ew a s t e w a t e r ( 4 ) t h em o d eo fc o - c u l t u r ew a sh e l p f u lt ot h eb i o f i l mq u a n t i t ya n dm i c r o b i a l a c t i v i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o - c u l t u r es y s t e m sb i o f i l ml i p i d pq u a n t i t yw a s2 4 4 a n d2 5 2t i m e sa sm u c ha sc o n d i t i o n a ls y s t e ma tt h eh i i g h e to f5 e ma n d1 5 c mo f s a m p l e ，b u tt h ed i f f e r e n c ea tt h e i ro w ns y s t e mw a sv e r ys m a l l c o - c u l t i l r es y s t e m s 儿i 洲海人学硕十学位论文( a b s w a d ) m i c r o b i a la c t i v i t y w a s1 1 7 a n d1 1 8 t i m e sa s m u c h a sc o n d i t i o n a ls y s t e ma t t h e h i g h e t o f5 c ma n d1 5 c r no fs a m p l e t h eb i o f i l mq u a n t i t ya n dm i c r o b i a la c t i v i t yo ft h e b i o f l o c c u l eb e t w e e nt h ec a r r i e rw g f eh i g h c rt h a nb i o f i l m ( 5 ) m i c r o e c o s y s t e m sc o m 岬s ea n ds t r u c t u r e o fc o n d i t i o n a l s y s t e ma n d c o c u l t u r es y s t e mh a ds i m i l i t u d ea n dd i f f e r e n c e t h er e s u l t so fp l f a ( p h o s p h o l i p i d f a t t ya c i d s ) s h o w e dt h a t 17k i n d so ff a t t ya c i dm e t h y le s t e ri ne a c hs y s t e mw a s m o n i t o r e d ，t h ek i n d sw e r ea l m o s ts a l n e ，b u tt h er a t i o so f e a c hf a t t ya c i di ne a c hs y s t e m w e d i f f e r e n t t h er a t i o so f t r a n s a n dc i s - f a t t ya c i di nc o n & d o n a la n dc o - c u l t u r es y s t e m s w 6 0 4a n d8 8 2 t h i sd a t a ss h o w e dt h a tm i c r o o r g a n i s mi nt w os y s t e m sw e r eb a d t h e r e a s o no ft h i sw a st h a tt h eb i o f l o c c u l eb e t w e e nc a r r i e r sa f f e c t e dm i c r o o r g a n i s mo f b i o f i i mt og e tn u t r i e n ta n do x g e n k e y w o r d s ：e x t e r i o rm i c r o o r g a n i s m ；c o - c u l t u r e ；o p t i m i z a t i o n ；b i o f i l m ；m i c r o - e c o s y s t e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：鏊鲎堕两7 年钼倍日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：翁堂叠硼年钼f 孑日 第一章绪论 第一章绪论 1 - l 研究目的和意义 1 1 1 研究目的 生物降解过程中微生物之问以及微生物与其所处环境相互之问构成了复杂 的微生态系统。在不同的微生物生物降解环境下，会形成相应独特的微生态系统。 微生态系统中，微生物不仅具有种类和代谢功能的多样性，而且具有共生存环境 的多样性，直接影响微生物对有机物的生物转化和尘物降解过程。 微生态系统的多样性形成原因在于：一方面由于受到微生物生理、遗传和群 居适应的影响，形成了微生物及其群落的多样性；另一方面由于生物降解系统的 物理和化学环境因子的不同和变化，也会导致系统中微生物及其群落结构的多样 性。其中，特定环境条件下系统中微生物之间的相互作用关系构成了微生态系统 的重要组成部分，对微生态系统的稳定和变化起重要作用。 微生态系统能够具有对外界干扰进行自我控制和自我适应的能力，系统的结 构越为复杂，系统的稳定性越强，适应环境变化的能力也越强。因此，优化生物 降解微生态系统，为极大范围的提高生物降解的效能提供了可能。 本研究基于生物选择作用原理，研究在常规生物膜的培养之初，通过投加外 源微生物e m 与土著的微生物进行共培养，形成e m 共培养生物膜的可能，形成 e m 构建稳定微生态系统的方法，构建新型生物降解反应器。 1 1 2 研究意义 1 1 2 1 我国水环境现状不容乐观 据2 0 0 4 年中国环境状况公报i ”，2 0 0 4 年七大水系的4 1 2 个水质监测断面中， i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ， 七大水系总体水质与2 0 0 3 年基本持平，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄 河、松花江水质较差，海河水质差。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高 锰酸盐指数和石油类。2 0 0 4 年监测的2 7 个重点湖库中，i i 类水质的湖库2 个， 类水质的湖库5 个，类水质的湖库4 个，v 类水质的湖库6 个，劣v 类水质 的湖库1 0 个。其中“三湖”( 太湖、巢湖、滇池) 水质因总氮和总磷浓度高而均 涮海大学硕f 学位论文 为劣v 类。 2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活 污水捧放量为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨，与去年基本持平， 其中工业排放量为5 0 9 7 万吨，生活排放量为8 2 9 5 万吨；氨氮排放量为1 3 3 0 万吨，比去年略有增加，其中工业排放量为4 2 2 力吨，生活排放量为9 0 8 万吨， 大量的污水未经处理而直接摊放，使得我国的水环境污染异常严重。城市水环境 污染和水资源短缺已经成为影响和制约我国经济持续稳定增长的重要因裂2 1 据 专家预测，我国每年由于水污染造成的直接经济损失约1 5 0 亿元，因缺水损失工 业产值约2 3 0 0 亿元。 我国水污染治理的问题表现为：一方面对水污染治理的投入欠帐太大，另一 方面，对水处理的客观要求越来越高。在现有的水处理技术水平和资金投入水平 下，水污染问题将难以得到根本的解决，水环境污染将成为严重影响我国社会、 经济持续发展的重要因素。因此，研究和创新污水生物处理技术，对我国水污染 治理和水环境保护，促进我国社会、经济的可持续发展具有重要意义。 1 1 2 2 生物降解理论与技术研究深入 随着社会经济的发展，一方面废水中成分同益复杂，尤其是废水中含有大量 有毒、难降解的有机污染物使得生物处理作用受到影响【3 l ；另一方面人们对废水 生物处理的效能和处理后的水质要求也在不断提高1 4 。因此，研究开发高效经济 的生物处理技术，具有广泛的应用前景特别是微生物基础理论研究的深入和环 境生物技术的e l 新月异的发展，为生物降解的发展提供了理论和技术支撵，多学 科的综合交叉为生物降解技术的创新提供了重要途径。 本研究将生态学理论和水处理技术相结合，建立外源微生物e m 优化膜生物 降解微生态系统的技术，对传统膜法生物降解技术的突破有重要的学术意义及应 用价值。本研究对生物强化技术的发展和创新生物降解技术具有重要的理论和应 用价值。 1 2 生物膜法降解技术研究进展与趋势分析 1 2 1 生物膜的形成过程与形成机制 1 2 1 1 生物膜的形成过程 第一章绪论 生物膜( b i o f i l m ) 是微生物被包裹在其自身分泌的多聚物中形成的一种特殊 细胞群体结构。构成生物膜的成份复杂，而且变化较大。生物膜中9 7 的成份是 水，既可固着于膜中，也可作为溶剂流动。除了菌体和水外，主要是多糖、蛋白 质、核酸和多价阳离子等，主要来自细胞外分泌物、营养物与代谢产物、菌体裂 解释放物及环境中特殊物质或碎屑等。 微生物在载体表面形成生物膜是一个动态过程。科学家们研究了各种不同细 菌生物膜的形成过程，进而建立了生物膜形成动态模型【5 4 1 ，认为整个过程可以 分为五个阶段：( 1 ) 游离细菌可逆的吸附到固相表面。这一过程是通过废水流过 载体时的水流的力量或细菌的能动性克服了细菌细胞和固体表面之间的排斥力， 从而使接近固相表面的细菌吸附在载体上。( 2 ) 细菌从可逆性吸附向不可逆性吸 附转化。被吸附到固相表面的细菌分泌一种粘性物质，被称为胞外多聚物，在胞 外多聚物的作用下，微生物细胞被紧紧地结合在一起，细菌由原来的可逆性吸附 变为不可逆性的吸附在载体表面。( 3 ) 形成早期的生物膜结构。游离细菌继续吸 附过程，同时已经吸附到载体表面的细菌生长繁殖，形成初期生物膜。( 4 ) 形成 成熟的生物膜。在这个阶段，胞外聚合物起到两方面的作用，一是吸附细菌形成 生物膜结构，二是捕捉环境中的营养物质用于生物膜中细菌的生长。( 5 ) 生物膜 的脱落。由于水力剪切及其它作用，生物膜中的细菌脱离载体表面，进入周围的 环境中重新成为游离状态生活。 1 2 1 2 生物膜的形成机制 生物膜形成是一个较为复杂的过程，该过程受外界环境，如营养成份、p h 值、温度、渗透压、水流冲刷力、介质的表面特性及铁离子浓度和氧化还原电位 等 9 1 以及菌体自身如膜表面特性、凝固酶的有无、染色体的倍性等条件的影响【姗。 一般来说生物膜的形成机制按形成过程顺序来说要经历黏附、发展和成熟三个阶 段。 ( 1 ) 菌体的黏附。黏附阶段包括游动菌体在介质表面的黏附和菌体间聚集过 程。关于菌体的黏附，存在两种观点。一种认为不具有选择性，是出一些黏附因 子或菌体表面的附属结构介导的，但这些黏附因子具有高度的亲和性，可介导菌 体与介质、菌体与菌体问的黏附和聚集。己发现的黏附因子有膜整合蛋白、黏多 糖、胞外d n a 等。菌体表面的附属结构，如鞭毛、菌毛等对于菌体的黏附聚集 河海大学硕 。学位论文 是必需的。另一种推论认为黏附具有选择性和特异性，细菌表面特定的黏附素蛋 白识别宿主表面受体。宿主组织表面的蛋白、糖蛋白和糖脂常可作为受体，而选 择性地吸附特定种类的细菌。( 2 ) 菌体附着于介质表面后，就进入生物膜的发展 和成熟阶段，即众多微菌落的形成进而连接成大的扩散性结构的过程。关于微菌 落的形成，一种观点认为是由于大量游动菌体进一步黏附于已固着的菌体表面而 形成，另一种观点则认为是由于己固着菌体增殖而形成。目前大多数学者都倾向 于第二种观点研究发现在菌体生长增殖的同时，其分泌的胞外多糖 ( e x p o l y s a c c h a r i d e ，e p s ) 显著增加。e p s 可黏结细菌而形成微菌落( m i c r o c o l o n y ) ， 大量微菌落使生物膜加厚。e p s 分子形成对生物膜结构的发展十分重要，而鞭毛 和菌毛则不是必要的因素( 3 ) 生物膜的成熟。当微菌落扩大到一定程度，生物 膜就进入了成熟阶段。关于生物膜的成熟，一种观点认为是一个自我聚集的过程， 仅需要细胞间黏附素【i ”，另一种观点认为是一个信号介导的调控过程，需要多种 遗传因子参与。己发现在膜成熟过程中有大量的胞外多糖产生，这说明介导成熟 阶段菌体聚集的黏附因子可能是胞外多糖。研究发现在菌体表面有特定的“兴奋 区”，在此区域存在“接触感受器”，菌体对其所接触的物质表面进行检测、作出 应答，启动特定基因的表达【。另一些研究小组认为在菌群中存在着一种密度感 应系统，这种密度感应系统是细菌通过监测其群体的细胞密度来调节多种靶基因 表达的一种信号机制，以保证生物膜中营养物质的运输和废物的排出，避免细菌 过度生长而造成空间和营养物质的缺乏。成熟的生物膜在内在的调节机制或在外 部冲刷力等作用下可部分脱落，脱落的细菌又转变成浮游生长状态，可再黏附到 合适的介质表面形成新的生物膜。 微生物在经过不可逆的附着过程后，固定在载体表面的微生物开始通过代谢 进行繁殖、增长。目前，生物膜微生物的增长过程一般认为主要经历适应期、对 数增长期、稳定期及衰亡期。法国的c a p d e v i l l e 教授等lj 3 人在人量的实验基础上， 对生物膜的增长过程进行了更为详细的划分，即适应期、对数增长期、线性增长 期、减速增长期、稳定期以及脱落期。同时，c a p d e v i l l e 教授提出了生物膜中活 性生物量和非活性生物量的概念，对生物膜增长动力学进行了全方位的系统研 究，建立了一套完整的生物增长动力学模型。让人们认识到生物膜水处理过程中， 真j 下起作用的不是所观察到的生物膜总量，而只是其中的活性部分。当活性生物 量达到最大值后，在反应器其它运行参数不变的情况下，出水水质达到稳定状态， 4 第一章绪论 即此时出水水质不会因为生物膜总量的进一步增加而得到明显改善。事实上，在 生物膜增长后期生物膜量的增长主要是非活性物质的累积，这部分生物膜在水质 净化过程中是没有意义的。j 下是因为如此，近年来有学者提出薄层生物膜反应器 的概念，这一概念强调生物膜活性与生物量的有机结合，不片面强调生物膜总量 的作用【1 4 , 1 5 1 。 生物膜可由单一细菌形成，也可由多种细菌混合形成。在由多种细菌组成的 生物膜中，不同细菌在不同的时间和空问发展，存在菌种的交替演变过程，早期 菌种的黏附生长可改变微环境，为后续细菌的定植、生存创造条件。因此，多种 细菌的生物膜扩大了细菌的生存环境，而且膜中的细菌由于所处营养环境的不 同，其生理状态会发生显著的变化，它们可以通过启动表达完全不同于游离生活 状态的基因系统，从而呈现出代谢的多样性。 1 2 2 生物膜法处理污水的原理 污水在载体表面上流过，细菌附着生长并且繁殖，由细胞内向外伸展的胞外 多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠绕结构，最终形成生物膜，成熟的生物膜具 有孔状结构，具有较强的吸附性斛。随着微生物的繁殖，膜逐渐增厚，当膜的 厚度到一定程度时，氧就很难投入生物膜的里侧。从而里侧就变成厌氧状态，形 成厌氧性膜，生物膜由里向外依次为厌氧层、好氧层、附着水层、流动水层，生 物膜在反应器工作过程中与水层之日j 进行着多种物质的传递过犁7 1 。空气中的氧 溶解于流动水层中，从那里通过附着水层传递给生物膜，供微生物用于呼吸；污 水中的有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌 的代谢活动而被降解，这样就使污水在流动过程中逐步得到净化。微生物的代谢 产物如h 2 0 等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而c 0 2 及厌氧层分 解产物如h 2 s 、n h 3 以及c h 4 等气态代谢产物从水层逸出进入空气中。 当厌氧层还不厚时，它与好氧层保持着一定的平衡与稳定关系7 1 0 好氧层能 够维持正常的净化功能，在供氧充分的情况下，厌氧层的厚度会被压缩到某一限 度，形成的有机酸在异氧菌的作用下转化为水和c 0 2 ，而n h 3 和h 2 s 在自养菌 的作用下，被氧化为各种稳定的盐类，使生物膜保持活性。但当厌氧层逐渐加厚 到一定程度时，其代谢产物如h 2 s 、n h 3 和反硝化菌产生的n 2 逐渐积累，向外 侧逸出，减弱了生物膜在滤料上的固着力，处于这种状态的生物膜即为老化生物 河海大学硕1 学位论文 膜，老化生物膜净化功能较差而且易于脱落。生物膜脱落后生成新的生物膜，新 生生物膜必须经过一段时日j 后才能充分发挥其净化功能。 1 2 3 生物膜法的应用进展 生物膜在天然水环境中和工程处理过程中起着重要的作用。在水和废水处理 系统中，生物膜反应器比悬浮生长反应器具有更大的优势，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1 1 8 j 。 1 8 9 3 年英国科贝特城( c o r b e t t ) 和索尔福城( s a l f o r d ) 首先建成了世界上第 一座滴滤池( t r i c k l i n gf i l t e r s ) 。上世纪初德国克洛斯贝奇等人、美国布斯 韦尔等人在研究接触曝气法基础上改良演化形成生物接触氧化法；1 9 6 0 年德国 哈特曼等人研制开发了生物转盘法：1 9 7 8 年第一座用于脱氮的生物流化床建于 英卧1 9 捌。 在过去的二十多年，人们对生物膜法降解方法进行了大量的研究，耿得了一 系列的研究成果，出现了多种不同的生物膜法生物降解反应器【”捌。主要包括： 微孔膜反应器( m e m b r a n eb i o f l l mr e a c t o o 、气提式生物膜反应器( a i r l i f t s r e a c t o r ) 、移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ) 、复合式活性污泥 生物膜反应器( h y b r i da c t i v a t e ds l u d g e b i o f i l mr e a c t o r ) 、序批式生物膜反应器 ( s e q u e n c i n gb a t c hb i o f l l mr e a c t o r ) 、升流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池( u a s b - a f ) 等。 由于生物膜法与经典的活性污泥法均是先有应用后建立理论，所以，对于理 论，人们积累的经验比应用更多。目前，生物膜法应用研究开展较好的国家有荷 兰、丹麦、德国、澳大利亚等斟2 。现在，人们己改变了生物膜法只能应用于处 理高浓度有机废水的观念，将生物膜法应用于低浓度水的处理，特别是对饮用水 的处理是新的应用尝试【2 2 1 。澳大利亚的研究人员已将生物膜反应器用于饮用水的 处理【2 3 】，主要处理源水中的微量、痕量的有机污染物( c c e 类物质) 1 3 生物强化技术研究进展与趋势分析 1 3 1 生物强化技术研究进展 生物强化技术( b i o - a u g m e n t a t i o n ) 产生于2 0 世纪7 0 年代中期，8 0 年代以来得 到广泛的研究和应用。该技术的主要原理是：基于天然系统的微生物并非全都有 6 第一章绪论 效，或以需要的浓度存在。为了提高生物降解反应器中微生物的降解能力，利用 投加外源微生物来保持并强化反应器中存在微生物的活性，从而提高生物降解效 果。生物强化技术所利用的微生物可以来源于原有的生物降解体系，经过驯化、 富集、筛选、培养获得；也可以是原来生物降解体系中不存在的外源微生物或遗 传工程菌 2 4 1 。所投加的微生物应满足三个基本条件：投加后，菌体活性高；菌体 可快速降解目标污染物；在系统中不仅能竞争生存，而且可维持相当数量。通过 投加外源微生物对有机物的降解作用，包括微生物的直接降解作用和微生物的共 代谢作用【2 ”。 直接降解作用：主要是对目标去除物去除的增强作用，通过投加以i b 标降解 物为主要碳源和能源的微生物，会对目标去除物的生物降解具有增强作用。 共代谢作用：有些污染物质，微生物不能直接以其碳源和能源生长，但在其 它基质存在的条件下能改变这种化学物结构使其降解。共代谢过程是不同类型的 微生物相互协作代谢降解污染物质，在生物降解过程中有着极其重要的作用。 目前，特殊功能的微生物培育主要通过三方面实现：通过长时间驯化来得到 的一定降解能力的微生物群体；从特定的环境中分离纯化得到某些具有特定降解 能力的微生物；通过基因工程手段来改造微生物，以使其具有特定降解能力。 1 3 2 生物强化技术的应用 生物强化技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有特效降解 能力的微生物。投菌活性污泥法( a p p l i c a t i o no f b i o a u 粤n e n t i o np r o s sw i t hl i q u i d l i v em i c r o o r g a n i s m s ) 是将外源微生物投入到曝气池中，增加曝气池内微生物的数 量、种类和活性，以提高生物降解效果。外源微生物通过投加，在反应器内可以 附着在生物载体上，形成高效生物膜，也可以以游离的状态存在于反应器系统中 【2 6 1 。s e l v a r a t n 锄【2 7 1 等人通过在活性污泥中投加苯酚降解菌，系统在4 0 d 内一直 可保持9 5 0 0 - 1 0 0 的苯酚去除率。e d g e h i l l t 2 8 1 等将降解五氯酚( p c p ) 的纯菌投入到 活性污泥系统，表现出良好的抗负荷冲击能力。b 曲c o c k 【2 9 1 等人研究了利用非在 线、在线地向活性污泥系统中投加功能性微生物，强化了好氧活性污泥法去除五 氯酚、萘的性能。s a r a v 柚a 1 1 c e 【划等人在流动床反应器中，通过定期投加微生物 使反应器的降解能力有了进一步强化。此外，研究者在厌氧反应器中通过投加 3 氯苯降解菌以提高处理效果，3 氯苯可以很快地转化为苯而被原来反应器中的 7 河海人学硕i 学位论文 细菌去除。印染废水中含有大量难降解的有机染料，使用传统的好氧生物膜法来 进行处理，对印染废水色度的去除效果很不理想。曾丽璇等人【3 l 】研究了利用优势 菌处理印染废水的工艺及脱色机理。在水解池内投入具有较好脱色效果的分属于 假单胞菌属、气单胞菌属、红螺菌属的优势菌群，来处理印染废水，结果6 a 中 系统脱色率稳定在9 0 0 , 4 以上。 现在人们尝试将生物强化技术用于生物膜法，如生物流化床、填充床和升流 式厌氧污泥床等，使生物增强菌附着在载体上，如砂砾、颗粒污泥上减少了菌体 的流失。罗国维【3 2 1 利用投菌接触氧化法处理洁霉素废水，将已经分离纯化的菌种 接种、活化、离心洗涤，制成菌悬液，再接种于适量c o d c r 浓度的纯废水中， 同时以不加菌的相应培养基作为对照。结果表明，混合菌的降解能力最强，降解 率为5 2 6 ，虽然未表现出明显的叠加效果，但在降解速度、降解率、存活时问、 抗冲击性以及抑制杂菌入侵等综合特性上却表现出任何单一菌株无法比拟的优 越特征。法比拟的优越特征。他认为，混合菌依靠协作机制，彼此为对方提供生 长所需的条件或消除了对方代谢的障碍，从而能顺利地降解污染物。 向废水生物处理系统中投加优势菌对效果的影响众说不一。尽管有些尘物增 强剂没有达到改善系统的目的，但许多生物增强技术的应用已显示出优越性，主 要体现在【2 5 】：( 1 ) 提高对目标去除物的去除效果；( 2 ) 改善污泥性能，减少污泥产 生；( 3 ) 加快系统启动，增强耐负荷冲击能力和系统稳定性。并非所有生物增强 系统都能够达到预期的目标。实践证明，有些效果微乎其微，甚至是完全失败的。 在生物强化过程中，处理系统中水质、水量、投加菌量、营养物质、氧耗、反应 器的形式、水力停留时间等，对微生物强化降解效果的影响尤为重要。积极研究 新型的生物强化反应器技术及生物强化工艺是推动生物降解理论和技术发展的 关键。 不扩充现有的水处理设施，如何提高其水处理范围和能力，生物增强技术无 疑为人们开拓了一条新思路。分子生物技术的发展为研究生物增强提供了新方 法、新手段，有力地支持了该技术的发展。生物增强技术与传统的生物治理技术 相结合，已成为生物治理废水发展的一种趋势。 传统的生物强化技术手段是向成熟的生物降解反应器中直接投加外源微生 物，这种方法的能起到一定效果，但也有严重的问题。问题一是外源微生物数量 在投入系统的初期即呈大量减少，不能保证强化效果的稳定发生；二是外源微生 l 第一辛绪论 物不能在投放后高比例的到达理想的作用位置。 1 4 膜法生物降解微生态系统优化研究进展 1 4 1 生物膜微生态系统作用分析 微生态系统是指在一定结构和空问内，微生物群之间以及环境之间，在长期 进化过程中形成的能独立进行物质交换、能量流动及基因传递的生物系统。微生 态系统是由宿主、微生物和环境彼此相互作用、相互依赖有机联系的统一整体。 本文所论述的微生态系统是指生物降解过程中的微生物生态系统，主要研究在生 物降解过程中微生物之间的基本关系及微生物与其环境的关系，包括微生物在环 境中的分布、微生物之自j 的竞争、共存和排斥关系。 生物膜是一个由多种微生物组成的复合结构。生物膜系统中微生物包括细 菌、藻类、原生动物以及后生动物。除了丰富多样的真核生物和原核生物的混合 体外，生物膜反应器中还含有较高级的生命形式，特别是线虫类、轮虫类、腹足 类软体动物、污泥蠕虫和某些昆虫的幼虫等，这种比较复杂的食物链使有机物质 能较彻底地氧化1 3 ”。例如，在好氧微生物膜中含有兼氧微生物、厌氧微生物、产 甲烷细菌、还原性脱卤微生物等 生物膜形成的初始阶段，就试图形成相互协作的、高效的群落结构。因此， 成熟的生物膜必然比处于悬浮状态的细胞微生物效率更耐州。 生物膜能够改变或者创造微环境，容纳各种不同类型的微生物。在生物膜微 生态系统中不同类型微生物之间由细胞分泌的胞外物质隔离形成相对独立的群 落。生物膜内部的微环境有利于不同类型的微生物更好地发挥作用，微生物之间 的拮抗和互生的关系，维护生物降解反应器内部微生念系统的相对平衡状态，共 同完成污水的净化处理工作【3 5 1 。 生物膜中的胞外多糖类物质具有加快生物膜的附着和形成，防止细胞脱水， 维持生物膜结构完整性，提高生物膜抵御外部环境的干扰，保护微生物避免被原 生动物吞噬，共享营养等。胞外多糖类物质还直接影响到生物膜的物理特性、微 生物活性、摩擦阻力和营养物在生物膜中的扩散速率。 1 4 2 优化膜生物降解微生态系统的方法研究 1 4 2 1 膜微生态系统形成机制 9 河海大学硕i 学位论文 微生态系统形成机制包括1 3 6 】：突变选择、新种效应、生态位多样性假设、竞 争假说、环境变异假说、干扰假说、生产力假说、竞争平衡理论等。尽管微生态 系统生物多样性的形成假说很多，但到目前为此都未形成完善的理论体系。 一般认为，影响微生态系统生物多样性的主要因子为f 埘9 】：1 ) 生态系统形成 的时鲥；生态系统形成的时间越长，生态系统的多样性越高，系统越稳定。2 ) 生产力；系统的生产力的增加或降低通常会降低生物多样性；3 ) 无量纲格局；系 统中与种群丰度有关的食物网的一致性、物种丰富度格局等影响系统生物多样 性；4 ) 生境异质性与镶嵌性；系统中生境种类越多，物种多样性越高；5 ) 生态演 替及种间作用；系统的演替及种间作用影响生态系统的多样性。 生物降解过程中，不同微生物或不同条件下的某种微生物，通过不同的方式 和不同程度利用基质的过程中来适应各种生态因子的变化。即，微生物采取不同 的生态策略适应不同的生态条件。微生物基本生态策略受三个因素影响【蚓：即竞 争方式、环境压力和干扰的影响。三个不同的因素导致三个类型的基本生态策略： 竞争( c 选择) 、压力一耐受( s 一选择) 和干扰( r _ 选择) 生态策略代表微生物在特定时 间的行为，如真菌在生活周期的不同阶段，菌丝体处于不同的生理生化状态。 1 4 2 2 外源微生物对膜微生态系统的优化作用 在生物降解过程中，决定生物降解效率的主要因素是微生物本身。生物降解 微生态系统中微生物种群过于单一和简单，就可能导致系统中的微生物不具备生 物降解所需的全部酶的遗传合成信息，就不足以进行完整的生物代谢，不可能具 有彻底矿化有机物质的能力。因此，保持生物降解微生态系统中的微生物的多样 性，是优化生物降解微生态系统的基础。 传统的生物降解反应器中的微生物主要来源于生活污水中的自然微生物或 是来自其它处理系统，对降解那些生物难降解的或毒性较高的污染物则需要经过 长期的驯化才能完成生物降解过程。因此，基于天然系统的微生物并非完全有效， 在常规生物降解系统中通过投加外源微生物，可以实现对生物降解微生态系统的 优化，提高生物降解的广谱性和生物降解的效能。 外源微生物菌群对生物降解微尘态系统的优化作用主要表现在以下方面：1 ) 对生物降解系统中种群的调节作用，通过利用优势种群的调节作用，恢复和完善 生物降解微生态系统的平衡；2 ) 对生物降解系统中生物群落的调节作用，生物降 第一章绪论 解过程中利用优势微生物种群对污染物的反馈调节，可以达到对微生物群落的优 化；3 ) 外源微生物的投加，增加了生物降解反应器中微生物的浓度和代谢活性， 而且可抑制反应器中不利的微生物生长，达到提高生物降解的效果。如有益微生 物产生的有机酸，如乳酸、乙酸、丙酸等可以降低反应器内的p h 值，不利于有 害微生物的生长繁殖；产生的强氧化物质，对潜在的干扰微生物有杀灭作用，能 防止产生有害物质。 1 5 微生物群落结构和多样性解析技术研究进展 生物群落可以定义为在特定空间或特定环境下，具有一定的生物种类组成、 具有一定的外观和结构( 包括形态结构与营养结构) 、具有特定功能的生物集合体 h o ! 。微生物群落的种群多样性一直是微生物生态学和环境学科研究的重点。近几 年来，微生物群落结构成为研究的热点。首先，群落结构决定了生态功能的特性 和强弱。其次，群落结构的高稳定性是实现生态功能的重要因素。再次，群落结 构变化是标记环境变化的重要方面。 微生物群落结构和多样性解析技术的发展可以分为三个阶段：( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代以前主要依赖传统的培养分离方法，依靠形态学、培养特征、生理生化特性 的比较进行分类鉴定和计数；( 2 ) 在7 0 和8 0 年代，研究人员通过对微生物化学 成分的分析总结出了一些规律性的结论，从而建立了一些微生物分类和定量的方 法，即生物标记物方法；( 3 ) 在8 0 和9 0 年代，现代分子生物学技术以d n a 为目 标物，通过r r n a 基因测序技术和基因指纹图谱等方法揭示微生物种类和遗传的 多样性，并给出关于群落结构的直观信息。 1 5 1 传统培养分离方法 传统培养分离方法是将定量样品接种于培养基中，在一定的温度下培养一