（环境工程专业论文）合流制管网污染物监测分析及沿程降解模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本研究来源于“国家水体污染控制与治理科技重大专项高截污率合流制城市雨 污水管网建设、改造和运行调控关键技术研究与示范”。本研究以镇江市老城区合流制 管网为取样点，通过监测合流制管网中有机污染物、重金属、细菌、大肠杆菌的含量， 为雨污水管网的改造和运行调控提供依据；通过实验室管网模拟，在不同温度、p h 值、 营养配比条件下，考察管网沿程污染物的降解情况及生物膜特性，一方面为探索污水处 理厂进水负荷低的原因，另一方面为管网的调控提供数据参考。 通过对合流制管网污染物的监测分析，结果表明： ( 1 ) 合流制管网与江滨泵站水体中s s 、c o d 、n h 3 - n 、t p 等污染物含量的季节 变化规律相似，夏季时，污染物含量偏低，秋、冬季时，污染物含量偏高，春季含量介 于两者之间。 ( 2 ) 通过底泥评价标准和土壤质量控制标准对重金属进行评价，中山桥溢流口c d 、 p b 、z n 、c u 、n i 、m n 的月平均含量分别为2 4 5 、5 1 5 、1 2 4 4 6 、5 1 3 、7 2 5 0 、2 5 0 2m g k g ， 其中z n 、n i 、c d 、m n 的含量超标严重；江滨泵站c d 、p b 、z n 、c u 、n i 、m n 的月平 均含量分别为6 0 5 、5 8 9 、1 2 3 1 1 、5 8 9 、8 0 8 4 、4 0 9 8 m g k g ，重金属整体超标严重。 ( 3 ) 管网及泵站水体中的细菌数及大肠杆菌数最小值分别为4 4 x 1 0 5 、1 6 x 1 0 4 个 m l ，均大于国家标准细菌总数1 0 5 个m l 、大肠杆菌数1 0 4 个m l ，水体己被严重污染。 通过实验室管网模拟，研究结果表明： ( 1 ) c o d c r 的去除率随温度的升高不断增大，2 9 - - 3 1 时去除率可达8 9 ，t p 在1 7 - 1 9 时去除率最大为6 2 3 ，t n 在2 3 - 2 5 时去除率最大，可达4 9 4 。 生物膜在1 7 - 1 9 时综合性能最好，活性最高，蛋白质、耗氧率、多聚糖分别可达0 5 1 0 m g m g m l s s 、0 0 0 9 2 4m 9 0 2 ( m g m l s s m i n ) 、0 3 0 5m g m g m l s s ，且通过对出水水质 的观察，由于此时的生物膜厚度适宜，不会大量脱落，出水水质较澄清。 ( 2 ) 在7 2 7 3 的中性条件下，c o d e r 、t n 、t p 的去除率皆达到最大值，分别为 7 9 3 、4 6 8 、6 1 9 ，并且此时生物膜可以很好的生长，活性较高。但当p h 为4 0 5 0 的酸性条件时，污染物去除率低，生物膜的生长也会受到很大程度的抑制，不仅不 易在管壁附着，而且生物膜活性也很差。 ( 3 ) 随着磷元素的增加，c o d 、t p 的去除率增大，t n 去除率受到抑制：氮元素 过量时，t n 、t p 的去除受到抑制。c ：n ：p = 2 0 0 ：1 0 ：2 时，t n 、t p 达到最大去除 江苏大学硕士学位论文 率6 7 2 4 、6 5 0 3 ，c o d e r 去除率为8 3 9 6 ，生物膜量适中，生物膜活性最高，多 聚糖、蛋白质含量分别为0 3 2 5 、0 3 9 2m g m g m l s s ，为最大值。 ( 4 ) 不同条件下，生物膜中的特性菌异养菌、有机磷和无机磷细菌、氨化菌 的量与有机质的去除率具有高度一致性。 关键词：合流制管网；污染物监测；污染物降解；生物膜特性 u 江苏大学硕士学位论文 、a b s t r a c t t h i ss t u d yc o m e sf r o mt h em a j o rp r o j e c t so fn a t i o n a lw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n d g o v e r n a n c eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y - - t h er e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o no fh i g hi n t e r c e p t i o n r a t ei nc o n f l u e n c eo fu r b a nr a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p en e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，r e n o v a t i o na n d o p e r a t i o nk e yt e c h n o l o g y i no r d e rt op r o v i d et h eb a s i sf o rt h er e n o v a t i o na n do p e r a t i o no ft h e r a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p en e t w o r k ，w es h o u l dt a k et h ec o m b i n e dp i p en e t w o r ko ft h eo l d c i t yo fz h e n j i a n ga ss a m p l i n gp o i n t s ，a n dm o n i t o rt h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t s ， h e a v ym e t a l s ，b a c t e r i aa n de c o i l i no r d e rt oe x p l o r et h er e a s o n sf o rl o wi n f l u e n tl o a d i n go f s e w a g et r e a t m e n tp l a n ta n dp r o v i d er e f e r e n c ed a t af o rt h er e g u l a t i o no ft h ep i p en e t w o r k ，w e s h o u l ds i m u l a t et h ep i p en e t w o r ki nt h el a b o r a t o r y , a c c o r d i n gt ob i o f i l mc h a r a c t e r i s t i c s ，s t u d y t h ed e g r a d a t i o no ft h ep o l l u t a n t sa l o n gt h ep i p eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，p ha n dn u t r i t i o n f a t i o t h r o u g hm o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gt h ep o l l u t a n t so ft h ep i p en e t w o r k ，t h er e s u l t ss h o w t h a t ： ( 1 ) t h es e a s o n a lv a r i a t i o no f p o l l u t a n t so f p i p en e t w o r ka n dj i a n g b i np u m ps t a t i o ni st h e s a m e ，t h ec o n t e n to fs s ，c o d ，n h 3 - na n dt pi sl o wi ns u m m e r , h i g hi na u t u m na n dw i n t e r i ns p r i n g , t h ec o n t e n to ft h ep o l l u t a n t si sb e t w e e ns u m m e ra n dw i n t e r ( 2 ) t h r o u g hs e d i m e n te v a l u a t i o nc r i t e r i aa n ds o i lq u a l i t yc o n t r o ls t a n d a r d s ，i n z h o n g s h a nb r i d g es e d i m e n t s ，t h em o n t h l ya v e r a g ec o n t e n to fc d ，p b ，z n ，c u ，n ia n dm ni s 2 4 5 ，5 1 5 ，1 2 4 4 6 ，5 1 3 ，7 2 5 0a n d2 5 0 2 ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ec o n t e n to f z n ，n i ，c da n dm n i sh i g h e rt h a nt h es t a n d a r d i nj i a n g b i np u m ps t a t i o n ，t h em o n t h l ya v e r a g ec o n t e n to f c d ，p b ， z n ，c u ，n ia n dm ni s6 0 5 ，5 8 9 ，1 2 3 1 1 ，5 8 9 ，8 0 8 4a n d4 0 9 8 ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h ew h o l e m e t a l si nj i a n g b i np u m ps t a t i o na r eh i g h e rt h a nt h es t a n d a r d ( 3 ) t h em i n i m u mn u m b e ro f b a c t e r i aa n de c e l li nw a t e rp i p en e t w o r ka n dp u m ps t a t i o n a r e4 4 10 5a n d1 6 10 4 m l ，w h i c ha r eg r e a t e rt h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r do f10 5 m la n d 10 4 m l ，t h ew a t e rh a sb e e ns e r i o u s l yp o l l u t e d b ys i m u l a t i n gt h ep i p en e t w o r ki nt h el a b o r a t o r y , t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r e ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d c ri n c r e a s e s w h e n t h et e m p e r a t u r ei s2 9 - 31 ，t h er e m o v a lr a t ei s8 9 w h e nt h et e m p e r a t u r ei s 17 - - - 19 c i 江苏大学硕士学位论文 t h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo ft pi s6 2 3 ，a n dt h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo ft nc a nb eu p t o4 9 4 a tt h e t e m p e r a t u r eo f2 3 2 5 c w h e nt h et e m p e r a t u r e i s17 19 c ，t h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h e b i o f i l mi s g o o d ，t h ea m o u n to fp r o t e i n ，o x y g e n c o n s u m p t i o na n dp o l y s a c c h a r i d ea r e0 510m g m g m l s s ，0 0 0 9 2 4m g o h ( m g m l s s m i n ) a n d 0 3 0 5m g m g m l s s ，r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no fe x i tw a t e r , b e c a u s eo f t h e s u i t a b l eb i o f i l mt h i c k n e s s , t h eb i o f i l md o e s n ts h e dal o ta n dt h ew a t e rq u a l i t yi s c l a r i f i c a t i o n ( 2 ) w h e np hi s7 2t o7 3 ，t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，t na n dt pa r ea l lr e a c ht ot h e m o s t ，w h i c hi s7 9 3 ，4 6 8 a n d6 1 9 ，r e s p e c t i v e l y u n d e rt h i sc o n d i t i o n , b i o f i l mc a l l g r o w t hw e l la n dh a sh i g h e ra c t i v i t y h o w e v e r , t h eg r o w t hw i l lb ei n h i b i t e dw h e np hi s4 0t o 5 0 i ti sn o to n l yd i f f i c u l tt oa t t a c ht ot h ep i p ew a l l ，b u ta l s ot h eb i o f i l ma c t i v e n e s si sv e r y p o o r ( 3 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fp h o s p h o r u s ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d a n dt pi n c r e a s e s ，b u tt n i si n h i b i t e d w h e nn i t r o g e ne x c e s s e s ，t h er e m o v a lr a t e so ft na n dt pa r eb o t hs u p p r e s s e d w h e nt h ep r o p o r t i o no fc ：n ：pi s2 0 0 ：10 ：2 ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft na n dt pi s6 7 2 4 a n d 6 5 0 3 ，a n dc o d c ri s8 3 9 6 ，m o r e o v e rt h eb i o f i l mc o n c e n t r a t i o ni sa p p r o p r i a t ea n dt h e b i o f i l ma c t i v i t yi st h eh i g l l e s t ，t h ea m o u n to fp o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i nr e a c h0 3 2 5a n d 0 3 9 2m g m g m l s s ( 4 ) u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ea m o u n to fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a ，o r g a n i ca n d i n o r g a n i cp h o s p h o r u s ，b a c t e r i aa n da m m o n i f i c a t i o nb a c t e t i aa r eh i g h l yc o n s i s t e n tw i t ht h e o r g a n i cm a t t e rr e m o v a lr a t e k e yw o r d s ：c o m b i n e d p i p en e t w o r k ；p o l l u t a n t sm o n i t o r i n g ；p o l l u t a n t sd e g r a d a t i o n ； b i o f i l mc h a r a c t e r i s t i e s i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 我国环境保护虽然取得积极进展，但环境污染形势严峻的状况仍未改变。对于我国 的主要河流，污染负荷不断增加、污染治理进展艰难、水污染加剧的态势未能得到有效 遏制，从而形成以氮、磷污染为基本特征的湖泊水环境问题，集中表现为湖泊水库富营 养化严重，城乡居民饮用水安全受到威胁【l l 。此外，不合理的经济社会活动、水土资源 的过度开发以及全球气候变化，都对水环境造成严重的破坏。虽然水环境的现实状况与 经济社会发展对水环境的需求之间存在着尖锐的矛盾，但由于长期以来缺乏系统性、协 同性和创新性的科学研究水污染问题，水污染控制的技术支撑仍然比较薄弱。在未来5 1 5 年，甚至更长时间内，水资源与水环境质量仍然是制约与胁迫我国经济社会发展的重 大瓶颈【2 3 j 。 对于水环境水质的改善，在我国高截污率地区和城市，排水管网的作用不容忽视。 并且随着城市管网建设及改造，由排水管网所造成的水污染问题，如由于历史原因和经 济原因，我国混流制系统旱流污水和降雨初期雨污混合水直接排入受纳水体，造成水体 污染的问题，以及合流制系统雨天溢流污染问题越来越受到人们的重视【4 】。 根据国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 设立的十六个重大科 技专项之一的国家水体污染控制与治理科技重大专项( 以下简称水专项) 正是为实现中 国经济社会又好又快发展，调整经济结构，转变经济增长方式，缓解我国能源、资源和 环境的瓶颈制约，旨在为中国水体污染控制与治理提供强有力的科技支撑，为中国”十一 五”期间主要污染物排放总量，化学需氧量减少1 0 的约束性指标的实现提供科技支撑。 本研究“合流制管网污染物监测分析及沿程降解模拟研究”是水专项“高截污率合流 制城市雨污水管网建设、改造和运行调控关键技术研究与示范”的重要组成部分。通过 对合流制管网污染物输运过程特征分析及模拟研究，为雨污水管网的改造和运行提供依 据。 1 2 国内外城市管网污染物降解研究进展 从城市污水输运管道内水质及微生物的变化情况来看，目前，对于污水输运管道的 江苏大学硕士学位论文 研究可以概括为以下三个主要方面： ( 1 ) 污水管道内的物理反应：主要研究污水中的悬浮颗粒物在管道中的沉淀、泛 起及管道内的流体力学条件变化对颗粒形态的影响。a s h l e yr m 等人对管道沉积物的 来源、沉降、积累及特性做了详尽的研究，m z u g 等人建立了管道内沉积物的迁移模型， 并介绍了模型的应用【5 ，6 1 。 ( 2 ) 污水管道内的化学反应：主要研究污水中所含的不同物质之间、污水所含物 质与管底沉积物以及污水所含物质与管壁生物膜之间的相互作用关系。目前对于这方面 的研究主要集中于h 2 s 气体的产生及其对管壁的腐蚀性【7 , 8 1 。 ( 3 ) 污水管道内的生物反应：主要研究不同条件下管道内微生物的增长及死亡， 以及微生物对有机质的降解及转化。t h v i t v c d d a c o b s e n 等人曾利用a s m l ( 活性污泥l 号模型) 描述了污水管道中微生物的变化情况【5 ，9 1 。 从污水输运管道的形式来看，目前主要研究的是压力式管道和重力式管道。 ( 1 ) 压力式污水输运管道研究现状：污水流经管道时，污水中的有机质会发生一 定的变化，产生对管网具有腐蚀性的h 2 s 气体，因此压力式污水管道应运而生。研究表 明，只要在压力式管道污水中充入一定量的空气就可以大大减少h 2 s 气体的生成量，此 外，若将空气换为氧气，则管道末端的泥水分离效果及出水水质都会得到显著改善【1 0 1 。 英国的一项工程应用研究显示，在长8k m ，d 7 5 0m m 的压力管道内每天充入足量 的空气，管道停留时间为2 5h ，污水量为4 3 0 0 0m 3 ，夏季b o d 5 的去除率可达5 0 左 右，冬季也可维持在3 0 以上【n 】。同时通过研究也发现，要达到相同的处理效果，则 污水处理厂的规模要扩大5 0 ，并且充氧曝气费用要比在管道中充入空气高出2 4 倍f 1 2 】。 同样的，澳大利亚也做过类似的研究，在长6k m 的压力管道内分两个阶段注入氧 气，污水中b o d 5 去除率高达5 0 ，s s 的去除率甚至在7 0 以上【1 1 1 。 此外，美国、荷兰、德国、澳大利亚、英国等西方国家还将压力式管道与活性污泥 处理设备联合使用，处理效果相当显著【1 1 , 1 3 】。主要思路为：将污水先经过活性污泥处理 设备进行活化，活化后的污水送入压力式管道并对其进行高压曝气，经过如此处理后， 管道出水只经过浮选、砂滤后即可回用。此种方法与传统的活性污泥处理法相比，不仅 可以降低近4 0 的处理成本，而且由于采用纯氧曝气，可以很好的抑制h 2 s 气体的产 生，延长了污水管道的使用寿命。并且由于管道出水水质良好，经过简单的处理即可回 用，大大降低了污水处理厂的有机负荷及运行成本，节约了大量的建设资金和运行费用 【1 4 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 重力式污水输运管道研究现状： 重力式污水管道应用广泛，特别是在一些中小城镇和一些坡度较大的地段，重力式 污水管道占很大比例。研究表明，污水在重力式管道传输过程中会发生生化反应，使得 污水水质发生变化，因此重力式污水管道就可以看做一个小型的“污水处理厂”【1 5 】。基于 此现象及原理，即使是压力式污水管道处理技术走在前列的美国、日本等发达国家，仍 很重视对重力式污水管道的研究。 早在1 9 8 5 年，以色列科学院的m g r e e n 等人就用s b r 生物反应器对重力式下水道 反应器进行了模拟【1 6 1 。实验以d a nr e g i o n 污水收集系统为目标，该污水管网覆盖人 1 2 1 超过1 0 0 万，污水流量为3 x 1 0 5m 3 d ，主干管长3 7k m ，管径为6 0 0 2 1 0 0n l l l l ，管 内污水平均流速为1 0m s ，停留时间大于1 0h 。实验时增加一条8k m 长的活性污泥回 流管，并在管道系统的适当位置进行曝气，以s b r 的间歇加水的方式模拟实际管道不 通管段的进水，结果显示：c o d e r 的去除率可达7 9 8 0 8 ，b o d 5 的去除率可达 8 5 9 3 ，出水b o d 5 甚至低于2 5m g l 。由此分析可知，重力式污水管道处理污 水的投资费用比普通的活性污泥法少5 0 以上。 r a u n k j a e r 在重力式污水管道中检测了b o d 5 的变化情况，结果表明：2 5 时，b o d 5 的去除率可达3 0 4 0 【m 。此外，n i e l s e n 在实验室内对重力式污水管道进行模拟， 考察不同温度条件下污水中的糖类、乙酸、蛋白质、s c o d 及c o d e r 等组分的变化情 况【r 丌，结果表明，流经管道一段时问之后，这几种物质的含量发生了很大变化，并且其 转化过程基本上遵循零级反应模式。 1 9 9 5 年，k a i j u n 利用不同的反应器对重力式管道内的好氧、微氧条件进行了模拟， 实验周期为2 0d ，实验结果显示：开始的l 2d 内有机物的降解速率遵从零级反应 模式，并且维持在一个很高的水平，而在随后的1 8d 里有机物的降解速率逐渐降低并 接近l 级反应【1 8 】。 同年，o z e r 和k a s i r g a 在土耳其对重力式污水管道处理污水进行了模拟【1 9 】。实验采 用天然污水管道生物膜，实验过程向管道中提供充足的空气，考察同样水质的污水在不 同管径的管道中达到相同去除效果时所需的管长。实验结果表明：相同流速下，小管径 管道所需管长明显小于大管径管道，也就是说污水在小管径管道内生化降解速率更快， 具有更高的去除效率。 但是迄今为止，有关污水输运管道中污染物降解的研究成果主要来自西方发达国 家，国内对管道处理污水技术的研究较少，且主要集中在利用天然排水明渠处理污水方 3 江苏大学硕士学位论文 面：陈辅利等人【砸2 1 1 曾在排水沟渠内放置特制载体，以此增加微生物量及加快反应速率， 并分别在实验室和天然河渠内，对沟渠处理污水的工艺、效率、抗冲击能力等进行了实 验和理论研究，结果表明，1 5h 内，c o d e r 的去除率可达8 0 以上；黄方等人【2 2 】通过 在污水管道前端设置高负荷生物接触氧化池的方式进行了管道活性污泥法的模拟 试验，以此验证只要管道内微生物达到一定的浓度，且溶解氧量保持一定水平，污水就 可在管道内得到很好的降解；王西俜等人【2 3 刀】采用固定化细胞技术对管网系统净化污水 进行模拟试验，并分别比较研究了厌氧、好氧、厌氧缺氧好氧及缺氧好氧4 种工艺 条件下的污水净化效果。 综上所述，国内外已有的对于污水输运管道污染物降解的研究，主要是对现有污水 输运管道进行改造，采取在管道中曝气( 空气或者氧气) 、与活性污泥法相结合、在管 道中添加生物膜载体等方式来提高有机质的去除率。但实际上，由于城市污水输运管道 本身管径大、长度长，在污水流经管网的同时，管壁会形成组成类似超高负荷曝气池中 的生物群落的生物膜，在管壁生物膜的作用下，有机质会发生一定程度的降解作用。 1 3 管网沉积物研究现状 污水输运管网底部含有大量的沉积物，其中的重金属对水质及微生物的作用不容忽 视，近2 0 年来更成为国际环境科学界不衰的课题。 国外学者【2 5 】早在2 0 世纪7 0 年代就对莱茵河、刚果河、多瑙河等水体中的重会属 进行了测定；印度和德国学者【2 6 】通过对恒河的研究，发现河流中c r 、n i 、c u 、z n 、 p b 、c d 的的含量均超过环境背景值；s ol i v a r e s r i e u m o n t 2 7 】等对古巴哈瓦那 a l m e n d a r e s 河中的c u 、z n 、p b 、c r 、c d 、c o 等重金属进行空间分布研究，结果显示， 重金属的最高富集指数高达l o 以上；s e g u r a 2 8 】按季节对m a p o c h o 河中的c u 、p b 、 z n 、c d 的总量及形态进行研究，结果显示，p b 含量自上游至下游逐渐增加，c u 含量 逐渐降低，而z n 含量分布不规则。 我国对于管网沉积物中重金属的研究起步较晚，但发展较快。“六五 期间，学者 对松花江、珠江、长江流域的洞庭湖水系的环境背景值进行了调查【2 9 】；“七五 期问对 长江流域进行了较全面的环境背景值调查与研究3 0 1 ；陈静生掣3 1 】对湘江、金沙江、黄 河、鸭绿江以及我国东部地区河流沉积物中的重金属含量进行了研究分析，发现c u 、 z n 、p b 、c d 、c o 含量之间存在着显著的相关性，具有共同变化的趋势；王海等【3 2 1 人采 4 江苏大学硕士学位论文 用b c r 三步分级提取法对太湖表层沉积物中重金属进行形态分析，通过对8 种重金 属不同形态的含量评估了太湖沉积物中重金属的生物有效性。 由此可见，目前对于沉积物中重金属污染的研究主要是针对城市中的各大河流，对 城市排水管网沉积物中重金属的研究鲜有报道。但实际上，管道沉积物中的重金属是各 大河流尤其是城市内河中重金属的重要来源，不仅包括生活污水中所含的重金属，雨天 溢流时，地面、房屋、大气中的重金属都会通过溢流口进入河流、湖泊等受纳水体，并 且目前的污水处理厂对重金属的处理技术不成熟，达标的污水中仍会含有大量的重金 属。因此，对管底沉积物中的重金属含量进行检测，分析其来源，从源头处控制重金属 的排放至关重要。 1 4 污水输运管网生物膜特性研究现状 1 4 1 管壁生物膜的形成过程 管道生物膜的出现与时间密切相关，不同水质、不同管壁条件下生物膜微生物的种 类、数量及其特性都有很大差别。因此，可将管壁生物膜的形成分为微生物向管壁表面 的运送、微生物的可逆性粘附、微生物的不可逆性粘附、表面微生物群落及生物膜的形 成、生物膜的脱落和扩散5 个连续的阶段。 ( 1 ) 微生物向管壁表面的运送 污水与管壁接触后，水中的各种细菌微生物、蛋白质、聚多糖等主要通过主动运送 和被动运送两种方式到达管壁表面【3 3 】。并且污水中的有机物为微生物生长提供了所需的 营养物质，为微牛物发牛粘附创造了有利条件。 ( 2 ) 微生物的可逆性粘附 管道内流动的污水中含有各种各样的微生物及有机质，它们不仅受到范德华力、静 电力的相互作用，而且受到氢键、偶极矩、色散力等理化作用力的控制，在污水流动过 程中，污水中的部分个体不可避免的与管壁相接触，进而发生粘附。发生粘附的个体仍 会作布朗运动，由于水流的流动会产生一定的冲击力，因此很容易解除粘附，处于一种 不稳定的可逆粘附状斜3 4 1 。 ( 3 ) 微生物的不可逆性粘附 可逆性粘附后，有些粘附个体会分泌大量的具有粘合作用的代谢物质，这些体外多 聚糖类物质起到了生物“胶水”的作用，将微生物、有机质和管壁紧密联系在一起，从而 s 江苏大学硕士学位论文 使处于动态平衡的可逆性粘附具有不可逆性。 ( 4 ) 管壁表面生物膜的形成 生物膜的形成主要分为5 个主要阶段3 5 , 3 6 】。 潜伏期：在管道生物膜形成初期，管道表面逐渐形成小的微生物群落，并且呈斑块 状散布在管壁上。 对数期：即动力学增长期，由于刚形成的生物膜上的微生物数量少，并且流经管道 的污水源源不断的“运送”各种营养物质，微生物间不存在营养物质和空间上的竞争，因 而分裂增生速度快，形成的菌落或细胞群体连接成片，相对均匀的覆盖在管道内壁。 线性增长期：由于微生物数量适宜，污水中的有机物质充足，微生物在管壁表面呈 恒速率增加。 减速增长期：随着细菌微生物的继续粘附及粘附个体的不断增生，管壁微生物群落 逐渐复杂化。物种组成上，粘附生物种类增加，当水中有机质降低到一定程度时，原生 动物出现中膜表层；在结构上，管壁生物群落向外伸展，由突出的二维平面变为垂直的 三维立体，发育良好时还会出现明显的分层现象。这一阶段是生物膜质量和厚度达到稳 定的过渡期。 稳定期：新生的微生物细胞与由于各种物理力所造成的生物膜损失相平衡，生物膜 组成及厚度保持不变。 ( 5 ) 生物膜的脱落和扩散 在生物膜增长过程中，随着微生物的不断粘附，管壁生物量不断增加，生物膜厚度 不断增厚。当厚度达到一定限度时，生物膜会变为一种阻力，阻止溶解氧等基质向其内 部扩散传递，当生物膜超过一定厚度后，其内部将出现厌氧区。厌氧区的出现会产生 n h 4 + 、c h 4 、h 2 s 及有机酸等物质，这些物质若不能及时向外传递，就会不断积累， 逐渐影响生物膜的活性和在管壁表面的附着程度，进而导致生物膜的异常脱落【3 7 1 。 另外，水力冲刷也是引起生物膜脱落的重要原斟3 引。由于生物膜外层结构较为疏松， 并且细菌和微生物在年附后会发生各种生理变化，其分泌的细胞外化合物及细胞外酶的 积累会破坏生物膜的稳定性，因此，在水流的冲击作用下，生物膜也会发生脱落现象。 1 4 2 管壁生物膜的生物相 生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物组成，这些微生物形态迥异，种类繁多，主 6 江苏大学硕士学位论文 要有细菌、真菌、原生动物和后生动物等，此外还有病毒。这些微生物体，有的细胞结 构简单( 如原核生物) ，有的细胞结构则较复杂( 如真核生物) ，而病毒只是非细胞的组 织结构。 ( 1 ) 细菌 细菌是生物膜的主体，而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。生 物膜上细菌的种类取决于其生长速率和生物膜所处的环境，诸如水中营养物质、附着生 长情况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件【3 9 l 。根据所需营养的不同，细菌 可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物膜中的主要细菌 类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够的能量底物。 ( 2 ) 真菌 真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形态。真菌可利 用的有机物范围很广，特便是多碳类有机物。当污水中有机物的成分变化、负荷增加、 温度降低、p h 降低和溶解氧水平下降时，很容易滋生丝状菌 3 6 1 。 ( 3 ) 原生动物 在成熟的生物膜中，原生动物是生物膜表面最主要的细菌，因而在保持生物膜细菌 处于活性物理状态方面起着积极作用。原生动物或者以胞饮方式摄取有机物质，或者以 噬菌的方式吞噬细菌和其他粒子并消化为自身的营养物质。从微观角度上讲，浮游的原 生动物甚至通过在生物膜内运动产生紊动而影响到生物膜深处的传质情况【3 9 删。 ( 4 ) 后生动物 生物膜中经常出现的后生动物有轮虫类、线虫类、寡毛类和昆虫及其幼虫类【3 6 3 9 1 。 由此可见，生物膜上的微生物相十分丰富，这些微生物的出现与是否占优势常与污 水水质和生物膜所处的环境条件有关。并且通过观察生物相，可以判断管壁生物膜情况 及水质的变化情况。 1 4 3 生物膜的特性参数 任何一个生物过程都是通过其特性表现出来的，生物膜作为生物过程中的一种也不 例外，能够表征生物膜特性的参数很多，其中最主要包括生物膜量、生物膜活性、生物 膜含磷量、生物膜耗氧率，以及特定菌的生长情况。 ( 1 ) 生物膜量 7 江苏大学硕士学位论文 生物膜干重和生物膜c o d c r 是生物膜量的重要指标，其多寡可直接或间接反应管 壁微生物的生长情况。生物膜干重反映的是生物膜的总重量，目前一般采用称量法测定； 而细胞的结构骨架主要是由有机碳组成的，通过测定总有机碳的含量，即生物膜c o d c r 可进一步了解生物膜重的变化情况，目前主要采用传统的重铬酸钾滴定法测定【3 6 l 。 ( 2 ) 生物膜活性 生物膜之所以会使流经管道的污水水质发生变化，主要是由于生物膜具有一定活 性，表征生物膜活性的指标包括多聚糖、蛋白质、耗氧率等【4 0 4 1 1 。 多聚糖是细胞增长过程中的一种代谢物质。特别是细胞外多聚糖，在细胞固定以及 生物膜形成过程中起着重要作用。正是由于多聚糖的存在，使得附着在管壁的微生物不 会被水流冲走，因此，多聚糖是生物膜形成的基础。而多聚糖的分泌、积累与细胞活性 及数量有关，是衡量生物膜活性的重要指标之一。目前可根据d u b o i s 等人( 1 9 5 6 ) 提 出的苯酚硫酸比色法进行测定。 蛋白质是活性细胞的重要组成部分。虽然蛋白质的含量不超过生物膜总重的5 ， 但与生物膜量相比，它却是反映生物膜活性的重要指标。目i j 较为常用的蛋白质分析方 法是b r a d f o r d ( 1 9 7 6 ) 提出的。 微生物耗氧率是研究微生物在好氧条件下活性的重要参数之一。在微生物的能量代 谢过程中氧气是电子受体，耗氧率直接反映了微生物的代谢速率。在污水生物处理领域， 经常采用耗氧率来研究微生物增长动力学、底物利用动力学、污水可生化降解性、有毒 或抑制性物质对生物过程中作用等。目前主要采用溶氧电极法快速测定微生物的耗氧 率。 ( 3 ) 生物膜含磷量 当生物膜处于好氧条件时，好氧层中的储磷微生物( p a o s ) 大量生存，有利于好 氧吸磷。通过测定生物膜中的含磷量，间接反应生物膜的除磷效果。生物膜含磷量采用 钼氨酸分光光度法测定。 ( 4 ) 特性菌生长情况 管道进水条件不同，水质指标的变化情况也有很大差异，这主要是由于不同条件下 生物膜中的微生物生长情况不同造成的。各种特性菌包括：异养菌表征c o d 盯的变 化情况，有机磷和无机磷细菌表征t p 的变化情况，氨化菌表征t n 的变化情 况。 江苏大学硕士学位论文 1 a a 影响生物膜生长的因素 在管道中，使污水水质发生变化的主要是附着在管壁表面的微生物，而这些微生物 又都生活在各自形成的特定环境中，因此，环境条件改变，微生物的种类与特性也将发 生变化。在各种影响因素中，最主要的是管道污水中所含各种营养物质的比例浓度、p h 值、温度，另外还包括水力停留时间、生物膜周围的水利剪切力、溶解氧浓度及某些物 质对微生物的抑制和毒性作用。 ( 1 ) 营养物质 污水中的有机物是生物膜微生物食物与能量的主要来源，一般来说，污水中含有的 大部分的有机物和部分无机物都可作为微生物的营养源而加以利用，因此，当有机物浓 度在长时间或短时间内的改变时，微生物的种类与特性也会随之改变【4 2 1 。 ( 2 ) p h 值 每种微生物都有其适宜的p h 生长范围，如霉菌最适生长p h 值为4 8 5 8 ；酵母 菌最适生长p h 值为3 5 - - 6 0 ；一般细菌、放线菌、藻类和原生动物的p h 值范围为4 1 0 之间，但在6 5 8 5 的中性或碱性环境中生长繁殖最好，p h 低于4 5 时生长受到限 制【4 3 】。由此可见，大多数微生物的生长p h 值空间较广，也就是说对p h 值的变化具有 一定的抗冲击性，但是当p h 大幅度变化时，就会对微生物的生长产生一定的影响，导 致其生长缓慢或者死亡。 ( 3 ) 温度 与p h 值相似，自然界的大部分细菌对温度都具有较强的适应能力，可以在较宽的 温度范围内生存，但通过研究发现，每种细菌都存在一个最优生长温度范围，在其最适 温度范围内最利于细菌的生长，温度过高或过低都会对细菌的生长产生抑制作用脚1 。例 如，嗜冷菌( 低温菌) 可在1 0 3 0 的条件下生长，但其最适温度为1 2 1 8 ； 嗜温菌( 中温菌) 可在2 0 5 0 的条件下生长，但其最适温度为2 5 4 0 c ；嗜热 菌( 高温菌) 可在3 7 7 5 。c 的条件下生长，但其最适温度为5 5 6 5 c 4 5 1 。 ( 4 ) 水力停留时间 水力停留时间指的是污水在管道内的平均逗留时问。一般来说，停留时间越长，污 水与生物膜就有更长的接触时间，降解率就越高。并且停留时间还会影响水体的流态， 决定生物膜的厚度。 ( 5 ) 水利剪切力 9 江苏大学硕士学位论文 水利剪切力是造成生物膜脱落的原因之一，水利剪切力的强弱决定了生物膜形成的 时间及微生物的数量。在营养物质不作为微生物生长的限制性因素的条件下，水流扰动 程度的增加将会增加生物膜的密度。并且已有实验表明，表观气速对微生物的固定也有 很大的影响，高气速会形成薄而致密的生物膜【4 6 1 。 ( 6 ) 溶解氧 生物膜处理污水可分为好氧和厌氧两类，对于管道而言，由于空气的存在，使其可 归属于好养生物处理，因此充足的溶解氧是微生物生长的必须条件。在氧气充足的条件 下，微生物新陈代谢作用迅速，生物膜能够很好的对污水进行净化；若溶解氧量不足， 轻则微生物的活性受到影响，新陈代谢能力降低，重则微生物的生长受到影响甚至被破 坏；若溶解氧量严重不足，好氧微生物会大量死亡，造成生物膜发黑发判3 6 1 。 ( 7 ) 抑制及毒性作用 对生物膜产生抑制及毒性作用的主要包括污水中含有的过量的复杂有机化合物、重 金属、杀虫剂、无机盐、氨和诸如氯气的消毒剂 柏1 。这些物质会对微生物的生理功能产 生定的毒害作用，有时即使是很少量，也会使微生物失去活性。虽然微生物具有很强 的适应环境的能力，对毒性具有一定的抗性，但如果有毒物质持续存在或者浓度很高， 毒性物质就会穿过生物膜，破坏生物膜结构，最终造成管壁生物膜脱落。 1 5 管道内污水净化机理 管壁生物膜的生物群落与污水处理厂内高负荷曝气池中的生物群落组成类似，主要 由细菌、真菌、菌胶团、藻类、原生动物、后生动物及一些肉眼看不到的蠕虫、昆虫组 成。当污水流经管道时，污水中有机物间的相互转化及有机物与微生物之间的生化反应 均会发生，具体过程见图1 1 【4 7 1 。 l o 江苏大学硕士学位论文 水 氧化代谢 管墅生物膜 图1 - 1 管道内有机物及微生物之间的转化 f i g 1 - 1t h e t r a n s f o r mb e t w e e no r g a n i ca n dm i c r o o r g a n i s mi np i p e l i n e 由于污水中含有丰富的营养物质，生物膜中的微生物可以很好的在管壁中增殖，污 水中的有机物质通过液相扩散到达生物膜表面，进而进入生物膜内部，最后被生物膜微 生物分解转化。 发育成熟的生物膜具有一定的厚度，除了具有好氧层之外，在其深处还形成了厌氧 层。但如果氧气充足，厌氧层的厚度适宜，由厌氧菌产生的氨及h 2 s 就会被氧化成稳定 盐类而不会积累，从而使生物膜保持活性，对污水进行净化。 1 6 研究目的 ( 1 ) 通过对合流制管网污染物的监测分析，了解有机污染物、重金