（环境工程专业论文）投加pac和fe3对aombr混合液特性和微生物的影响.pdf

摘要 课题主要研究了活性炭( p a c ) 和f e 3 + 对a o m b r 混合液特性和细菌多样 性的影响，从机理角度、混合液物理化学性质之间的相互影响和微生物角度三个 方面进行研究。 试验分为三个阶段，第一阶段为通过烧杯试验，对p a c 和f e 3 + 最佳投加量 的确定试验；第二阶段为向小试a d o m b r 中投加定量的活性炭，反应器长期运 行，对混合液特性和细菌多样性进行分析；第三阶段为向小试a d o m b r 中投加 定量的f e 3 + ，反应器长期运行，研究项目与第二阶段相同。试验结果表明，粉末 活性炭在活性污泥中起到骨架作用，提高了污泥絮体抗压性，使絮体凝胶层比较 疏松，孔隙度高；f e 3 + 主要通过电中和作用对反应器的混合液性质和微生物产生 影响。通过烧杯试验，确定了p a c 和f e 3 + 的最佳投加量分别为2 9 l 和1 2 m m o l l 。 通过对v s s s s 、s o u r 和脱氢酶活性等污泥活性指标的研究，发现生物铁法的 污泥活性略低于生物活性炭方法的，通过对代谢产物e p s 和s m p 的研究发现， 投加p a c 阶段，微生物代谢产物与污泥其他性质之间表现出了更好的相关性， 说明f e 3 + 对某些微生物活性具有抑制作用。试验中对两阶段污泥中细菌进行了总 d n a 提取以及细菌扩增变性梯度凝胶电泳( p c r - d g g e ) 分析，对条带进行了 回收测序，并对测序结果进行了分析。 关键词： a d o m b rp a cf e 3 + 污泥活性代谢产物p c r d g g e a b s t r a c t t h er e s e a r c he x p l a i n st h ee f f e c to fd o s i n gp a ca n df e 3 + o nt h es l u d g em i x e d l i q u o rc h a r a c t e r i s t i c sa n dm i c r o o r g a n i s m i na o - m b r ，f r o mt h ev i e wo fm e c h a n i s m ， t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r i t i e so ft h em i x t u r e ， m i c r o o r g a n i s m t e s tw a sd u i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：t h ef i r s ts t a g ew a st h eb e a k e rt e s t ，t h e o p t i m a ld o s a g eo fp a c a n df e 3 + w e r ed e t e r m i n e db yt h i s ；t h es e c o n ds t a g ed o s i n gt h e q u a n t i f i c a t i o na c t i v a t e dc a r b o na n dt h e nf o rl o n g - t e r m r e a c t o ro p e r a t i o n ，t h em i x t u r e p r o p e r i t i e sa n dm i c r o b i a lc o m m u n i t yw e r ea n a l y z e d ；t h et h i r ds t a g ed o s i n g t h e q u a n t i f i c a t i o nf e ”a n dt h e nf o rl o n g - t e r mr e a c t o ro p e r a t i o n ；s a m er e s e a r c hp r o j e c ta s p h a s ei i t e s ts h o w e dt h a tt h ep o w e r e da c t i v a t e dc a r b o np l a y e dt h er o l eo ff r a m ei n a c t i v a t e ds l u d g ea n di m p r o v e dt h es l u d g ef l o cr e s i s t a n c et os t r e s s ，s ot h a tt h eg e ll a y e r o f t h ef l o cw a sr e l a t i v e l yl o o s ea n dh i g hp o r o s i t y ；f e 3 + p l a y e di n f l u e n c eo nt h en a t u r e o fm i x t u r ea n dm i c r o b i a lm a i n l yt h r o u g ht h er o l eo fe l e c t r i c i t y b yb e a k e rt e s t ， d e t e r m i n e dt h eo p t i m a ld o s a g eo fp a ca n df e w e r e2 9 la n d1 2 m m o l l t h r o u g h t h er e s e a r c ho nt h ea c t i v i t yi n d i c a t o r so fs l u d g eo f v s s s s ，s o u ra n dd e h y d r o g e n a s e f o u n dt h a t ，t h ea c t i v i t yo fs l u d g eo f t h eb i o l o g i c a li r o nl a ww a sl o w e rt h a nt h ec a r b o n s l u d g e ，b yt h es l u d g eo nt h em e t a b o l i t i e so de p sa n ds m ph a v ef o u n dt h a to nt h e s t a g eo fd o s i n gp a c ，m i c r o b i a lm e t a b o l i t e sa n do t h e rn a t u r eo ft h es l u d g es h o w e d b e t t e r c o r r e l a t i o n ，d e s c r i p t i o n t h a tf e 3 + i n h i b i t e dt h e a c t i v i t y o fc e r t a i n m i c r o o r g a n i s m s t h et e s tc a r r i e do nt h ee x t r a c t i o no f b a c t e r i ad n aa n dp c r - d g g e a n a l y s i sf o rt h et w os t a g es l u d g e ，t h eb a n d sw e r er e c o v e r i e da n ds e q u e n c e d ，a n d s e q u e n c i n gr e s u l t sw e r ea n a l y s i e d k e yw o r d s ：a o m b r ，p a c ，f e 抖，t h ea c t i v i t yo f s l u d g e ，m e t a b o l i t y ， p c r d g g e 第一章绪论 1 1 水资源现状 1 1 1 世界水资源现状 第一章绪论 据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约1 3 8 亿k m 3 ，其中9 7 5 是海水( 1 3 4 5 亿l ( m 3 ) 。淡水只占2 5 ，在淡水资源中绝大部分为极地冰雪冰川 和地下水，适宜人类享用的仅为0 0 1 。2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增 长，工业发展迅速，一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面， 日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。在日本东京举行第三届的“世界 水论坛”会议的评估报告显示，全世界每天约有2 0 0 t 垃圾倒进河流、湖泊和小溪， 每升废水会污染8 l 淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染：美国4 0 的水资 源流城被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染：欧洲5 5 条河流中仅有5 条 水质差强人意。2 0 世纪，世界人口增加了2 倍，而人类用水量增加了5 倍。世 界上许多国家正面临水资源危机：1 2 亿人用水短缺，3 0 亿人缺乏用水卫生设施， 每年有3 0 0 万到4 0 0 万人死于和水有关的疾病。到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家，3 5 亿人为水所困水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏也 将严重威胁人类生存。联合国世界水资源综合评估报告预测，到2 0 2 5 年， 全世界人口将增加至8 3 亿，生活在水源紧张和经常缺水国家的人口将增加到3 0 亿 2 1 。 世界水资源分布不均匀。亚洲水资源占世界水资源总量的3 6 ，位居各大洲 第一位；其次是南美洲，占世界水资源总量的2 6 ；水资源总量最少的是大洋洲， 占5 。尽管亚洲水资源总量排名第一位，但亚洲人口占世界总人口的6 0 ，因 此，考虑到人口因素，亚洲的水资源承载压力位居各大洲之首。其次是欧洲，8 的水资源供应了1 3 的世界人口，水资源承载压力仅次于亚洲。相对而言，大洋 洲尽管水资源量比较少。但人口占世界人口的比例更小，因此水资源承载压力最 d 3 。 1 1 2 中国水资源现状 我国水资源具有自己的特点：总量大，人均占有量小，分布不均。我国人均 水资源严重短缺，为世界平均水平的1 4 ，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家 之- - 4 1 。且我国的水资源空间分布极不平衡，各地水资源的数量相差十分悬殊。 第一章绪论 若按年降水量4 0 0 m m 雨量线划分，我国将会有约4 5 的国土处于干旱、 半干 旱、少水和缺水的等级。水资源的分布与人口和耕地的分布不相适应。中国的 水资源大体分布为：长江流域以南，水资源占全国的7 0 ，供给全国3 8 的耕 地；长江以北，水资源占全国的3 0 ；而北方黄河、淮河、海河、辽河以9 的 水资源供给全国4 2 的耕地【5 j 。 2 0 0 0 年全国用水总量5 4 9 8 亿m 3 ，其中农业3 7 8 4 亿m 3 ，占用水总量6 8 8 ， 工业1 1 3 9 亿m 3 ，占用水总量2 0 7 ，生活用水5 7 5 亿m 3 ，占总量1 0 5 。从开 发利用程度来看，全国水资源开发利用率达到2 0 ，水资源开发利用程度最高 的海河流域地表水控制利用率达到9 4 ，平原区浅层地下水开采率为1 0 0 ，水 资源总量消耗率达到9 6 。从用水指标来看，全国人均用水量4 3 0 m 3 ，万元g d p 用水量6 1 0 m 3 ，万元工业产值用水量7 8 m 3 ，农田灌溉亩均用水量4 7 9 m 3 ，城镇生 活人均用水量为每日2 1 9 l ，农村生活人均用水量为每日8 9 l t 4 1 。 我国在水资源的开发利用中，存在着供需矛盾日益加剧、用水效率不高、水 环境恶化、水资源缺乏合理配置以及经济发展与生产力布局考虑水资源条件不够 等问题 们。在诸多问题中，迫切需要引起人们注意的是水资源利用过程中的浪费 现象。在我国现阶段劳动密集型耗水型产业集中，工业生产过程中存在着极大地 水资源浪费现象，工业用水的重复利用率不到发达国家的l 3 。农业用水为我国 的第一用水大户，农业用水占总用水量的七成且以分散的个人经营状态为主，集 约型农业生产处于萌芽状态。污灌大水漫灌现象严重。整个社会的用水现状为生 活用水和生产用水，工业用水和农业用水争水【7 j 。 1 2 城市污水及回用技术 1 2 1 城市污水特点 城市污水是通过下水管道收集到的所有排水，是排入下水管道系统的各种生 活污水、工业废水和城市降雨径流的混合水。 生活污水是人们日常生活中排出的水。它是从住户、公共设施( 饭店、宾馆、 影剧院、体育场馆、机关、学校和商店等) 和工厂的厨房、卫生间、浴室和洗衣 房等生活设施中排放的水。这类污水的水质特点是含有较高的有机物，如淀粉、 蛋白质、油脂等，以及氮、磷、等无机物，此外，还含有病原微生物和较多的悬 浮物。相比较于工业废水，生活污水的水质一般比较稳定，浓度较低。 工业废水是生产过程中排出的废水，包括生产工艺废水、循环冷却水冲洗废 水以及综合废水。由于各种工业生产的工艺、原材料、使用设备的用水条件等的 第一章绪论 不同，工业废水的性质千差万别。相比较于生活废水，工业废水水质水量差异大， 具有浓度高、毒性大等特征，不易通过一种通用技术或工艺来治理，往往要求其 在排出前在厂内处理到一定程度。 降雨径流是由降水或冰雪融化形成的。对于分别敷设污水管道和雨水管道的 城市，降雨径流汇入雨水管道，对于采用雨污水合流排水管道的城市，可以使降 雨径流与城市污水一同加以处理，但雨水量较大时由于超过截留干管的输送能力 或污水处理厂的处理能力，大量的雨污水混合液出现溢流，将造成对水体更严重 的污染【8 j 。 城市污水的水质在主要方面具有生活污水的一切特征，污水的水质特点往往 是含有较高的有机物，如油脂、淀粉以及n 、p 等无机物。此外，还含有病原生 物、较多的悬浮物【9 】。但在不同的城市，因工业的规模和性质不同，城市污水的 水质也受工业废水和水量的影响而明显变化。 典型的生活污水水质变化大体有一定范围，可参见表1 1 。 表1 - i 典型的生活污水水质示例 注：该表摘自给水排水设计手册第6 册室外排水与工业废水处理( 2 0 0 2 年) 。 第一章绪论 1 2 2 城市污水回用技术 城市污水回用( 常称中水回用) 是将城市污水视为一种资源，通过各种处理 技术，去除各种杂质，去除污染水体的有毒、有害物质及其某些重金属离子，再 经过消毒灭菌，使其水体无色、无味，水质清澈透明，且达到或好于国家规定的 杂用水标准，广泛应用于企业生产和居民生活，从而实现大部分净化水的循环再 利用，使之成为城市水资源的组成部分。这样既可以减轻水环境污染，又可以促 进生态的良性循环【l0 1 。 城市污水处理方法很多，按其作用原理，可分为物理处理方法、化学处理 方法、物理化学处理方法、生物处理方法等。 ( 1 ) 物理处理方法物理处理方法是利用物理作用分离污水中主要呈悬浮 状态的污染物质，在处理过程中不改变物质的化学性质。典型的物理处理方法有 沉淀法、过滤法、离心分离法、气浮法等。 ( 2 ) 化学处理方法化学处理方法是利用化学反应作用来分离或回收污水 中的污染物质，或使其转化为无害的物质。典型的化学处理方法有中和法、混凝 法、氧化还原法等。 ( 3 ) 物理化学处理方法物理化学处理方法是通过物理化学过程使污水得 到净化的方法，主要有吸附、萃取、离子交换、反渗透等方法。 ( 4 ) 生物处理方法生物处理方法是利用微生物的作用来去除污水中溶解 的和胶体状态的有机物的方法。生物处理方法可分为好养生物处理( 主要有活性 污泥法、生物膜法等) 和厌氧生物处理两大类。 城市污水处理工艺，实际上是以上这些处理方法的应用和组合。一个城市对 污水处理程度的深浅，会直接影响到该城市的经济兴衰和生态优势，进而影响到 其城市形象和城市地位。如果雨水经过处理以中水形式排入城市的水系网，一方 面，不仅有利于满足城市的生产、生活用水，缓解供需矛盾紧张的局面，其直接 结果是，由于供水量的增加，城市的经济会快速增长；另一方面，在中水回用的 过程中部分用作生态和环境水，会增加城市的水域面积，改善城市的小局域气候。 由于自然水体中的水量相应增加，水资源在自然环境中的停留时间延长，从而提 高了水体的自净和再生能力，如一些污染物在停留时问较长的条件下，可以得到 较为彻底的降解【1 1 】。这都有利于水资源的循环再生和蓄养，其结果必将是营造了 一个碧水蓝天、生态环境优良的干净、舒适、清爽的花园式城市。 第一章绪论 1 3 膜生物反应器介绍 1 3 1 膜生物反应器的分类及特点 膜分离技术产生于2 0 世纪6 0 年代，是一种新兴的高效分离技术，具有处理 效果好、能耗低、占地面积小、操作管理方便等特点。其最早应用于海水和苦盐 水的淡化，其后随着膜分离技术的不断发展和新兴膜材料的开发研制，膜价格不 断下降，才被广泛地应用于污水回用领域【1 2 】。膜生物反应器主要由膜组件、泵和 生物反应器三部分组成 1 3 ，是由膜分离技术与污水处理工程中的生物反应器相结 合的反应器系统，采用物理膜截留过滤的方式，从而代替了传统活性污泥法中的 二沉池【1 4 】。由于“膜生物处理技术”产出的水质好，能满足再生水的水质要求， 甚至完全可以用于工业生产农业灌溉以及日常家庭除食用以外的生活需要，而且 污水处理过程中产生的剩余污泥少，整套设备结构紧凑、占地面积小，成为近年 来节水与环保产业非常看好的新技术。 按膜组件的作用方式，膜生物反应器( m b r ) 可分为内压式和外压式两种。 内压式中，水的透过方向是从管内向管外，而外压式相反。在实际应用中大多使 用的是外压式m b r ，因为内压式m b r 流道往往较小，容易被污染颗粒所堵塞。 根据膜组件孔径的不同可以分为微滤膜、超滤膜和反渗透膜；根据膜材料不同可 以分为有机膜和无机膜；根据膜组件形式不同可以分为平板式、管式、中空纤维 式等【1 5 _ 1 6 】。根据膜组件与反应器的相互位置可以分为分置式m b r 、一体式m b r 和复合式m b r t l 7 _ 9 | 。 本次研究中，主要对象是一体式m b r 、投加粉末活性炭的p a c m b r 复合 式膜生物反应器和投加铁离子的f e m b r 复合式膜生物反应器。对反应器内污泥 混合液特性、膜污染及微生物群落结构进行研究与探索。 m b r 系统较之传统的活性污泥系统有以下五个特点： ( 1 ) 膜组件能够有效的分离悬浮固体，可以最大限度地将活性污泥截留在生 物反应器内。传统活性污泥法的污泥浓度( m l s s ) 最高在5 9 l 左右，而m b r 系统的m l s s 最高可达到2 0 9 l 左右，从而可以带来比传统法更高的有机物去除 率。 ( 2 ) 传统法污泥浓度低，污泥产量高，剩余污泥的处置费用占到废水处理总 成本的5 0 左右 2 0 1 。m b r 系统在低有机复合f m 条件下运行，污泥产率远低于 传统法，从而使剩余污泥的处置费用大幅度降低，进而降低废水的整体处理成本。 ( 3 ) 污泥停留时间的大幅度延长，可使硝化及亚硝化菌等世代时间较长的微 生物有效的保留在生物反应器内，从而使m b r 系统具有比传统方法更好的脱氮 第一章绪论 除磷效梨2 1 1 。 ( 4 ) 由于膜生物反应器所需体积减小且无需设置二次沉淀池，m b r 系统的 占地面积较之传统方法大大缩小，在一些土地紧张的地区较之传统方法建设可行 性高。 ( 5 ) 与传统方法比较，膜污染一直是m b r 系统中一个难以克服的问题。它 使膜的阻力增加，透水率逐渐下降，严重影响了m b r 系统的处理效果，成为了 限制m b r 系统广泛应用的一个主要障碍。 1 3 2 膜生物反应器的发展前景及发展瓶颈 m b r 的实际商业应用是在7 0 年代末的美国和8 0 年代初的日本，随后迅速 扩展到世界其他国家。世界上最早将m b r 应用于商业开发的是加拿大的z e n o n 公司和日本的k u b o t a 公司，紧接着德国的从w e h r l ew e r k 公司也加入进来。经 过近三十年的发展，m b r 从规模和数量上都有了飞速进步，己成为城市污水和 工业废水处理和回用领域一种非常有吸引力和竞争力的选择，并被视为“最佳可 行技术”。 m b r 的发展前景十分广阔，具体来讲，今后m b r 应用可能获得迅速反展 的重点领域和方向是【2 2 】： ( 1 1 在出水水质难以达标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的情况下，进 行现有城市污水处理厂的更新升级改造。 ( 2 ) 应用于无排水管网系统地区，如居民小区、度假区、旅游风景区等。 ( 3 ) 应用于有污水回用的地区和场所，如宾馆、流动公厕、洗车业、客机等， 充分发挥m b r 占地面积小、自动化控制、灵活方便的优点。 ( 4 1 应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理。 ( 5 ) 应用于垃圾填埋渗滤液的处理及回用。 近年来，关于m b r 研究的广度和深度都在不断加强，其中有关膜污染的机 理和防治措施成为研究的焦点和难点，膜污染是妨碍m b r 广泛使用的主要原因 之一。许多学者采取建立膜污染数学模型 2 3 1 、开发新的研究观测手段f 2 4 1 、采用 新的膜材料等方法来对膜污染进行研究，膜污染是影响m b r 长期稳定运行的重 要问题，反应器膜结构和性质、运行条件和混合液特性这几方面对膜污染都有重 要影响，本次研究从改善反应器混合液特性入手，从控制混合液特性的角度来减 缓膜污染。通过分别向反应器中投加活性炭和铁离子来研究混合液特性的变化， 对比二者的投加对污泥活性和微生物代谢产物产生的影响，深入研究微生物代谢 产物的变化对于污泥的沉降性，污泥粘度等特性的影响，并应用p c r d g g e 技 术对反应器中微生物群落结构进行分析，从而更好的反映反应器中混合液情况。 第一章绪论 1 4 混合液性质对膜生物反应器影响的研究 1 4 1 混合液组成及性质 活性污泥混合液中的组分随着进水水质和操作条件的变化而变化，不但含有 废水中的各种污染物，还含有各种微生物及其代谢产物。其中的各种成分，从溶 解性物质无机物、胞外聚合物( e p s ) ，到胶体、颗粒型物质和生物体，都会造成 膜污染【2 5 j 。 膜生物反应器中的混合液与传统活性污泥法中的混合液相比，生物量浓度更 高，单位生物量基质相对较4 , t 26 1 ，另外，由于膜的截流作用使上清液中有机物浓 度较高，因此在物理、化学以及生物性质方面存在较大差异。 ( 1 1 污泥浓度 污泥浓度( m l s s ) 指的是混合液中悬浮固体的数量，是表征活性污泥数量的 一个指标，同时m l s s 也可以表示活性污泥微生物量。由于膜的截留作用，使 m b r 具有污泥浓度高的特点，维持生物反应器较高的污泥浓度，降低了污泥负 荷，有利于增加基质的去除率，减小污泥产量【27 l 。 f 2 ) 胶体和溶解性有机物 一般研究认为胶体的稳定性受其表面电荷的影响，胶体的表面电荷对活性污 泥的絮凝、沉淀和脱水等过程均有重要影响。混合液上清液中含有大量的溶解性 微生物代谢产物s m p ，少量进水带来的污染物质等。s m p 的主要成分为多糖、 蛋白、核算、腐植酸和富里酸等大分子有机物质。污染趋势明显小于聚砜膜、纤 维素膜等有机膜。混合液中s m p 是引起膜污染的主要因素，大颗粒的污泥絮体 可以减少s m p 直接与膜接触形成致密的凝胶层，故对膜污染能起到一定的缓解 作用28 1 。 活性污泥是由多种微生物组成的絮凝体。胞外聚合物是微生物细胞分泌的粘 性物质，作为含水凝聚基质将微生物粘结在一起，对于污泥絮体的形成具有重要 作用。胞外聚合物成分复杂，包括多糖、蛋白质、核酸、类脂体等高分子化合物 【2 5 1 。e p s 的组成和含量直接影响到细胞和絮体的表面电荷和亲疏水性，从而影响 到细胞之间和絮体之间的相互作用力。 ( 3 ) 微生物群落 许多研究表明m b r 工艺中9 0 以上的被去除的污染物质石油活性污泥去除 的【2 9 】，而微生物群落是活性污泥的重要组成部分，对污染物质的去除起着很重要 的作用。活性污泥微生物是由细菌类、真菌类、原生动物、后生动物等异种群体 所组成的混合培养体。这些微生物群体在活性污泥上形成食物链和相对稳定的小 第一章绪论 小生态系统。活性污泥细菌以异养型原核细菌为主，主要有假单胞菌属、产碱杆 菌属、动胶杆菌属等。活性污泥中的真菌主要是微小的腐生或寄生的丝状菌，污 泥中存活的原生动物主要有肉足虫、鞭毛虫和纤毛虫等。 1 4 2 混合液对反应器运行的影响 m b r 反应器中混合液的结构和性质对处理效果和膜污染状况都会产生影 响。膜生物反应器的重要特征之一就是通过膜组件的高效固液分离作用，将全部 的污泥和悬浮物都截留在反应器内，使得反应器内可以维持很高的污泥浓度，降 低了有机物污泥负荷，从而提高了系统对污染物的处理效率。但当污泥浓度增 加到一定程度时，会使微生物的内源呼吸加剧，产生大量的s m p ，s m p 的积累 会抑制微生物的活性，同时内源代谢过程总是伴随着不可生物降解物质的积累和 衰老细胞的溶解及其胞质的释放，这些代谢副产物及残存的细胞碎片也可使污泥 的活性下降，污泥活性下降导致的直接结果就是去除效果的降低。良好的沉降性 能是发育正常的活性污泥所应具有的另一特性，污泥的沉降比反映出了曝气池中 的活性污泥量，可以控制、调节剩余污泥的排放量，还能通过沉降性及时地发现 污泥膨胀等异常现象的发生。此外混合液的粘度和粒径也是其一个重要的物理特 性，会影响膜的稳定运行。 在膜的生物污染中，s m p 和e p s 做为两种重要的优势污染物已经得到证明， s m p 的积累会抑制微生物的活性，e p s 是造成膜通量下降的重要原因。微生物 被e p s 包埋在里面，e p s 为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微生物环 境，特别是直接覆盖于细菌细胞壁外的e p s ，其特殊的位置决定着它的成分及数 量必然影响着污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脱水性能等，在活性污泥 中具有重要作用。 m b r 是一个人工强化的小型污水生物处理的生态系统，有该工艺自身的结 构特征，生物的群落结构随时空变化。在m b r 中，细菌是污染物的主要分解者， 细菌以污水中的溶解性或胶体态的有机物为营养来源，微型动物( 原生动物和后 生动物) 以及一些小型动物以游离细菌和其他有机体为食，其捕食作用刺激了活 性污泥中微生物的增殖，进而加速了污染物的降解进程【3 。 1 5 分子生物学研究进展 1 5 1 分子生物学在环境微生物中的应用 分子生物学是研究核酸、蛋白质等大分子的功能、形态结构特征及其重要性 第一章绪论 和规律性的科学。近年来随着分子生物学的迅速发展，其相关的研究技术己日臻 完善，已经渗透到生命科学及环境科学等多个领域【3 1 】。在环境领域主要用来研究 微生物群落多样性和微生物群落动态变化规律等，应用的主要研究技术有荧光原 位杂交( f i s h ) 技术、变性梯度凝胶电泳( d g g e ) 技术、末端限制性酶切片段长度 多态性分析( t - r f l p ) 和基因芯片技术。 废水生物处理技术研究中分子生物学检测技术的应用始于19 9 0 年代中期， 主要采用的检测技术包括荧光原位杂交技术( f i s h ) 、多聚酶链式反应( p c r ) 、变 性梯度凝胶电泳( d g g e ) 禾i d n a 测序及序列分析等。目前，利用微生物去除污染 物已经成为废水处理的重要方法之一，研究废水生物处理工艺中的微生物组成、 结构、多样性和动态性对于优化处理工艺的性能具有重要的指导意义【3 2 1 。由于环 境样品( 如活性污泥) 本身及其中微生物的复杂性，采用常规微生物的研究方法 在环境生物学研究时存在一些不足：( 1 ) 一般环境中仅有约1 的微生物可以培 养，而污水和底泥中生存的主要细菌不一定是可培养的；( 2 ) 不能充分揭示生物 反应器中实时的、动态的微生物信息；( 3 ) 传统显微技术难于获得微生物结构和 空间分布的精准信息，不足以迅速判断环境因素对微生物的影响 3 引。现代分子生 物技术在废水研究领域的应用，有效的解决了上述几种问题。 美国加州大学伯克利分校和美国能源部联合基因组研究所的研究者采集了 一个废弃的矿井深处酸性水池表面粉红色生物膜的微生物基因组，研究了参与有 害金属离子释放的基因组。美国替代能源研究所的的基因组专家从大西洋慕大 s a r g a s s o 海域海水中收集细菌，通过基因组分析，充分展示了海洋微生物丰富的 多样性 3 4 1 。以上两次基因组生物学研究的里程碑，促进了人们从微生物d n a 出 发，应用基因组分析对微生物进行研究。 废水生物处理系统作为特殊的微生物体系，微生物群落的作用和生态学特性 逐渐成为近年来研究的热点，至于了解了微生物群落多样性和动态性等信息，才 能提高对处理系统的控制力。 1 5 2p c r d g g e 技术介绍 ( 1 1p c r 技术介绍 聚合酶链式反应( p c r ) 是2 0 世纪8 0 年代中期由m u l l i s 发展起来的一种对特 定d n a 片段进行体外快速扩增的技术，它可以仅以单链的d n a 或r n a 扩增出 足量的d n a 供分析研究。p c r 技术具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重 复性好、易自动化等突出优点，它作为一项技术上革命性的创举，已经广泛应用 到分子生物学的各个领域。 d n a 的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链d n a 在多种酶的作 第一章绪论 用下可以变性解链成单链，在d n a 聚合酶与启动子的参与下，根据碱基互补配 对原则复制成同样的两份挎贝。在实验中发现，d n a 在高温时也可以发生变性 解链，当温度降低后又可以复制成为双链。因此，通过温度变化控制d n a 的变 性和复性，并设计引物做启动子，加入t a q 、d n t p 就可以完成特定基因的体外 复制。在废水生物处理中一般应用修正的或与其它技术联合的p c r 衍生技术 3 5 1 。 ( 2 1d g g e 技术介绍 变性梯度凝胶电泳( d g g e ) 技术在微生物生态学研究中的应用己逾10 年，是 利用在含有浓度线形递增的变性剂( 尿素和甲酰胺的混合物) 的聚丙烯酰胺凝胶 电泳中，将长度相同但碱基排列顺序不同的双链d n a 分离。该技术以带g c 夹 子( g 和c 碱基集中的序列) 的引物扩增p c r 产物在由上( 正极) 向下( 负极) d n a 变性剂浓度递增的垂直电泳胶上泳动，随着d n a 变性剂浓度的递增，双链 d n a 间的氢键断裂、解链成单链，而g c 堆积部分的氢键坚固，仍保持双链结 构，最后d n a 分子呈三向延伸的形状。这种形状的d n a 分子的电泳迁移率随 d n a 分子序列中a t 、g c 的排列和氢键数量的不同而不同，使具有相同碱 基序列的d n a 分子集中在一处形成条带，其他其它d n a 分子在别处形成条带， 这就使长度相同而序列不同的d n a 片段在胶上分离【3 6 | 。 该技术主要操作步骤包括：( 1 ) 从环境中取得样本，如地下水、活性污泥、 生物膜等，进行微生物总d n a 的提取；( 2 ) 通过聚合酶连锁反应( p c r ) 将提取的 总d n a 中的特定序列进行扩增，其扩增产物利用d g g e 进行分离：( 3 ) 对d g g e 带进行测序并鉴定分析或者被印渍在尼龙膜上与标记的寡核苷酸专一性探针进 行杂交，鉴定群落成员。 ( 3 ) p c r d g g e 技术优缺点 在目前的废水生物处理微生物检测中，通常应用p c r d g g e 联合技术进行， 采用这种技术的主要优点有【3 7 j ： a 1 不需要培养直接从所研究的样品中提取总d n a ，然后对1 6 s r r n a 的可变 区进行p c r 扩增，扩增产物通过d g g e 进行分析，能检测到难以培养或不能培 养的微生物，发现一些原来没有检测到的新的微生物种类。p c r d g g e 技术流 程见图1 1 。 第一章绪论 图1 1p c r d g g e 工作流程 b ) 检测限低，使用r r n a 杂交技术可是检测限达到0 1 左右。 c ) 检测速度快、精确，检测的结果准确可靠。 d ) 可以同时检测多种微生物，并且可以与杂交技术、测序技术等结合起来， 从而全面认识微生态的组成。 本次研究中采用p c r d g g e 技术对缺氧好氧。m b r 的混合液进行研究，分 析m b r 在不同的运行周期，微生物群落结构的变化，以及这些对反应器运行的 影响。 1 6 课题的目的和意义 1 6 1 研究背景和意义 随着全球经济的快速发展与世界人口的急剧膨胀，水资源的需求量日益增 加，水资源的缺乏成为各国面临的严重问题。因此，水污染的治理成为解决水资 源匮乏的重要手段。对水污染进行治理不仅可以减少对环境的污染，而且可以减 少新鲜水的使用。缓解需水和供水之问的矛盾，给工农业生产的发展提供新的水 源，取得显著的环境、经济和社会效益。 膜生物反应器是一种新型、高效的污水处理技术。由于其在污水处理中显示 第一章绪论 的诸多优点而成为研究的热点。在实验室研究以及工程实践中，m b r 技术对污 水的处理效能稳定，在近几年得到了广泛的应用，但是较高的建设和运行成本成 为阻碍m b r 技术进一步发展的重要原因，其中造成m b r 运行成本高的主要原 因之一为膜组件的更换和清洗。因此如何延长膜的使用寿命、减缓膜污染成为今 后研究的重点。 在m b r 反应器中混合液与膜组件直接接触，混合液的性质对反应器的运行 有直接影响。m b r 中污泥浓度较高，混合液各项指标之间相互影响，因此对m b r 污泥混合液的性质进行改善和研究，通过数据分析，对比出不同试验条件下污泥 活性的差异，统计出微生物的沉降性与微生物代谢产物的关系，以及污泥粘度与 代谢产物之间的关系，并且从微观角度对反应器的微生物状况进行说明，可以从 理论上为m b r 系统的研究提供更多的支持。 课题以国家水专项城市污水再生利用及水质安全保障技术研究与工程示范 ( 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 4 0 0 3 ) 为依托，针对实际运行的m b r 示范工程中混合液表现出 的部分性质不理想的情况进行。研究中通过对投加活性炭和铁盐两种不同混凝剂 的a o m b r 进行研究，对其混合液性质和微生物群落两方面进行分析，从理论 上为更好的认识m b r 提供依据。 1 6 2 研究目的和内容 目前制约膜生物反应器发展的主要问题为其能耗，而能耗问题的实质就是膜 污染问题，一体式膜生物反应器中影响膜污染的因子复杂多样，主要来自于三个 方面：膜组件的性质、反应器操作条件和活性污泥混合液的性质。针对膜污染的 影响因素，主要的控制措施主要包括：改善活性污泥混合液性质、对进水进行预 处理、优化膜生物反应器的操作条件、对膜材料进行改性或开发新型抗污染膜材 料【4 2 1 。本次研究主要针对改善活性污泥混合液性质进行，通过分别投加活性炭和 f e c i 。两种不同混凝剂进行。 研究可以分为三个阶段进行： ( 1 ) 确定活性炭和f e c l 3 两种不同混凝剂最佳投加量的短期试验，最佳投加 量选择的标准为c o d 的去除效能； ( 2 1 向a o m b r 中投加活性炭，投加量为短期试验所确定的最佳投量，反 应器在此种情况下进行长达4 5 天的运行，对反应器的混合液性质和细菌多样性 进行研究和分析； ( 3 ) 向a o m b r 中投加f e c l 3 ，投加量为短期试验所确定的铁离子的最佳投 量，反应器在此种情况下运行4 3 天，对反应器的混合液性质和细菌多样性进行 研究。 第一章绪论 试验检测的混合液指标包括污泥浓度、粘度、p h 、胞外聚合物( e p s ) 、蛋白 质、多糖等，对投加不同混凝剂的a o m b r 混合液性质、细菌多样性进行比对 分析，并对混合液各项指标间的相互影响进行研究。 i m b r 投j 1 日p a c 长期运行 研究内寄： 裘征污泥蒋性指标、微生 物代谢产物、细菌多样性 m 8 ；乏投加铁盐长期逶彳亍 研究内寄： 表征海泥活性指标、徽生 铷代潮产物、细菌多样性 图1 - 2 研究技术路线图 第二章试验装置及分析方法 第二章试验装置及分析方法 2 1 试验装置及运行条件 2 1 1 试验装置及运行条件 图2 1a o m b r 试验装置流程图 研究采用的试验装置处理规模为2 1 6 l d ，装置由进水系统、曝气系统、膜 生物反应器主体、回流系统以及出水系统组成。膜生物反应器主体为矩形不锈钢 容器，外形尺寸为5 5 c m x 2 0 c m x l 2 0 c m ，有效水深为1 0 0 c m ，总有效体积为1 i o l 。 反应器由隔板分为缺氧区和好氧区两部分，缺氧区尺寸为1 5 c m x 2 0 c m x l 2 0 c m ， 有效体积为3 0 l ，并装有磁力搅拌器使缺氧段混合液搅拌均匀：好氧段尺寸为 4 0 c m 2 0 c m 1 2 0 c m ，有效体积为8 0 l 。 试验膜组件为聚偏氟乙烯( p v d f ) 帘式中空纤维膜，由天津膜天膜科技有限 公司生产，膜参数如下： 膜孔径：0 2 9 m ； 膜面积：0 5 2 m 2 ( 两片帘式膜片) ； 第二章试验装置及分析方法 设计的膜通量：1 0 1 5 l ( m 2 h 1 ； 膜纤维的内外径：0 6 5 1 0 m m ： 设计膜压差：0 - - 0 0 4 5 m p a 。 试验所处理的污水在原水水箱中贮存，经进水提升泵进入a o m b r 的缺氧 反应池，进行反硝化，而后在螺旋搅拌器的推动下进入好氧池，好氧段由曝气泵 通过穿孔管进行曝气，提供微生物生存所需要的氧气，并冲刷膜表面，待充分反 应后，在真空泵的抽吸下，出水透过膜组件进入出水管，流入下水道。好氧段的 部分污泥通过回流泵回流至缺氧段，剩余污泥通过排泥管排出系统。 2 1 2 运行条件介绍 为了研究活性炭和铁盐两种物质对m b r 混合液特性的影响，并对污泥活性 和微生物代谢产物等性质进行更好的对比分析，试验中两阶段采取相同的运行条 件。该运行条件以水专项项目研究中，中试a o m b r 通过正交试验所得的最佳 运行条件【4 2 】为参考。2 0 1 0 年11 1 2 月试验装置在未投加物质的条件下稳定运行， 根据实际的污染物质的去除效能，对正交试验所得运行条件进行了适当的调整， 调整较大的运行参数为曝气量和回流比，试验的具体运行参数如表2 1 所示。 表2 - 1 试验运行参数 2 1 3 原水水质 试验所用污水为人工配制，配制污水所用的药剂有：葡萄糖、蛋白胨、碳酸 氢钠、二水合硫酸亚铁、磷酸二氢钾、氯化钙、七水合硫酸镁、硫酸铵和淀粉。 原水水质指标如表2 2 所示。 表2 - 2 原水水质指标 第二章试验装置及分析方法 2 2 监测项目及方法 2 2 1 监测项目 试验中针对本次研究的重点混合液特性和细菌多样性两方面，确定了相应的 监测项目： 混合液特性的监测：沉降l 匕( s v 3 0 ) 、污泥浓度( m e s s ) 、挥发性悬浮固体浓度 ( m l v s s ) 、酸碱性( p h ) 、溶解氧浓度( d o ) 、粘度、比好氧速率( s o u r ) 、上清液 总有机碳( t o c ) 、溶解性微生物产物( s m p ) 、胞外聚合物( e p s ) 、蛋白质、多糖、 脱氢酶活性； 微生物特性的监测：细菌多样性；膜污染指标的监测：过膜压差( t m p ) 。 2 2 2 监测分析方法 ( 1 ) 常规指标监测方法 混合液特性的常规指标参照国家环保局编著的水和废水监测分析方法( 第 四版) ，监测方法与使用仪器见表2 3 。 表2 - 3 监澍方法一览表 ( 2 ) 混合液粘度 混合液粘度采用上海精科n d j 9 s n 数显粘度计进行测定，n d j 9 s n 数显粘 度计是一种测定各种牛顿流体绝对粘度和非牛顿流体表观粘度的精密仪器，仪器 测量误差为5 。 ( 3 ) 溶解性微生物代谢产物( s m p ) 和胞外聚合物( e p s ) 取定量待测污泥混合液2 5 m l ，在5 0 0 0 9 下离心5 m i n ，污泥混合液被分离为 上清液和污泥絮体两部分，离心所得到的上清液经0 4 5 9 m 膜过滤，所得液体部 第二章试验装置及分析方法 分即为分离得到的s m p ；然后用2 5 m l 蒸馏水补足上清液，经1 0 m i n 混合均匀 后4 0 0 0 9 下离心5 m i n ，弃去上清液，2 5 m l 蒸馏水补足，1 0 m i n 混合后，在8 0 。c 下水浴提取3 0 m i n ，提取后的污泥混合液在5 0 0 0 9 下离心1 5 m i n ，取上清液经 0 4 5 9 m 的膜过滤，所得滤出液即为分离得到的e p s ，用总有机碳表征s m p 和 e p s 的含量。 图2 - 2s m p 与e p s 提取方法示意图 ( 4 ) 蛋白质测定方法 蛋白质是各种生命迹象的物质基础，具有多种多样的生物功能。对蛋白质测 定常采用的方法有考马斯亮蓝紫外分光光度法和f o l i n 酚试剂法。考马斯亮蓝法 检测原理是基于染料考马斯蓝g 2 5 0 和蛋白质之间形成的特异性结合，结合后显 蓝色，在5 9 0 n m 左右进行比色测定，由于g 2 5 0 和蛋白质之间的结合不稳定，比 色时间的长短对测定结果的影响较大，因此，本次研究中采用灵敏度高的f o l i n 酚试剂法对蛋白质含量进行测定。 f o l i n 酚试剂法 3 8 是双缩脲法的发展，f o l i n 酚试剂由甲、乙两部分试剂组成， 甲试剂由无水碳酸钠，氢氧化钠，五水硫酸铜及酒石酸钾钠组成。在甲试剂的作 用下，蛋白质中的肽键在与碱性铜试剂中的c u ”作用生成蛋白质c u 2 + 复合物， 即生成紫红色络合物，相当于双缩脲反应。乙试剂是由磷钼酸和磷钨酸、