（环境工程专业论文）仿生植物附着微生物膜动态变化研究.pdf

学位论文版权使用授权书 旧删i l i l i l l l l l i l l i l l l l l y18 , , j ；w 9 r r w i i l | 5 li j l l 2 i i i i l 2 i i i ir18rl i l l 江苏大学、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和电子文档，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，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向 社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：掀诵 ，研1 年6 月口日 指剥雠：僻劾硼 矽f 年易月f o 日 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 s t u d yo nd y n a m i c sc h a n g e o fa t t a c h e dm i c r o b i a l f i l mo fb i o n i cp l a n t 2 0 1 1 年6 月 本研究得到中国博士后科学基金“仿生植物附着生物膜 对重污染河道氮素去除机制研究”( 2 0 1 0 0 4 8 1 0 9 5 ) 和江苏省高 校自然科学基金“仿生植物附着生物膜硝化作用脱氮机制研 究 ( 1 0 k j b 6 1 0 0 0 1 ) 项目联合资助。 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来我国水体污染严重，生物生态修复技术由于具有安全性、经济性、实 用性、系统性等诸多优点，成为重污染河道治理与修复的主要技术手段。然而， 由于我国水体水质污染严重，导致水生植物生长受阻，尤其是植物发育不良，根 系短小等特点直接影响其对水体的净化功能。另外，植物在非生长季节的衰亡也 是生态修复的一个重要的限制因子。基于此，本文模拟水生植物植株及其根系在 水体净化中的主要功能，研究不同的新型载体( 仿生植物) 在污染水体中生物膜 附着的动态过程，通过研究不同水深处仿生植物附着微生物膜生物量、硝化反硝 化强度、脱氢酶活性的动态变化过程，揭示仿生植物对污染水体的净化能力及其 机制。主要研究结果如下： ( 1 ) 仿生植物附着生物膜生物量的变化 冬、夏季试验中仿生植物附着生物膜的生物量的增长经历稳定一快速增长一 稳定这三个阶段，且夏季各仿生植物的生物量高于冬季。挂膜结束时，四种仿生 植物冬、夏两季的平均生物量由大到小依次为：悬浮填料( 0 0 5 8g 岔1 ) 组合填 料( 0 0 5 4g g - 1 ) 立体弹性填料( 0 0 4 9g g 。1 ) 半软性填料( 0 0 4 2g - g 。1 ) 。冬季 试验中，四种仿生植物上不同高度采样点的生物量相差不大；而夏季均明显表现 为中层 上层 底层。 ( 2 ) 仿生植物附着生物膜硝化强度的变化 冬、夏两次试验中生物膜的硝化强度的增长经历快速增长稳定这两个阶段， 且夏季硝化强度普遍高于冬季。四种仿生植物的硝化强度大小与生物量规律一致。 不同高度采样点的硝化强度明显表现为上层( 1 6 0m g k g 1 h 1 ) 中层( 1 4 1 m g k g 1 h 1 ) 底层( 1 2 6m g k g q h 。1 ) ，而上层氧含量高是影响这一结果的重要因 素。 ( 3 ) 仿生植物附着生物膜反硝化强度的变化 反硝化强度的增长方式与硝化强度呈现一致的规律性，四种仿生植物反硝化 强度的大小亦遵循相同规律。但不同的是，在冬、夏两季挂膜试验中，四种仿生 植物不同高度采样点的反硝化强度并无明显差别( p 0 1 ) 。 ( 4 ) 仿生植物附着生物膜脱氢酶活性的变化 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 冬、夏试验中脱氢酶活性的增长方式与硝化、反硝化强度一致，但其变化幅 度较大，增长迅速。冬季试验中，脱氢酶活性在空间分布上并不明显( p 0 1 ) ； 而夏季试验中，中层采样点的脱氢酶活性( 8 9 6 4u g t f g q h - 1 ) 高于上层( 8 8 1 6 u g t f g - 1 h d ) 和底层( 8 7 1 7u g t f g - 1 h - 1 ) 。 ( 5 ) 仿生植物附着生物膜氮循环细菌的变化 冬、夏试验中四种仿生植物上氨化菌和硝化菌数量的大小都表现为：悬浮填 料 组合填料 立体弹性填料 半软性填料，而反硝化菌数量的大小表现为：组 合填料 悬浮填料 立体弹性填料 半软性填料。且夏季的氮循环细菌数量较高。 氮循环细菌数量在空间分布上表现出不同的规律性：上层采样点处的氨化菌和硝 化菌最大；底层采样点处的反硝化菌数量高于上层和中层采样点。 研究结果表明，四种仿生植物在夏季的试验效果较好，各项指标均高于冬季； 各仿生植物中悬浮填料挂膜最优，组合填料和立体弹性填料次之，半软性填料较 差；上层采样点的硝化强度高，氨化菌、硝化菌数量多，中间采样点处生物量较 大，脱氢酶活性高，底层采样点反硝化菌最多，而反硝化强度在空间上无明显差 别，故上层0 1 0 c m 处对氮元素的去除贡献最大。 关键词：仿生植物；生物膜；污染水体 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e r i o u sw a t e rp o l l u t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n te n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi nc h i n a i nr e c e n t y e a r s b i o l o g i c a l e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i n t e c h n i c a lm e a n st ot r e a ta n dr e p a i rt h eh e a v i l yp o l l u t e dr i v e ro w i n gt oi t sm a n y a d v a n t a g e s ：s a f e ，e c o n o m i c a l ，p r a c t i c a l ，s y s t e m a t i ca n ds oo n h o w e v e r , t h es e r i o u s p o h u t i o no fw a t e rq u a l i t yr e s d ti ni n h i b i t e dg r o w t ho fa q u a t i cp l a n t s ，e s p e c i a l l yp l a n t s d y s p l a s i a ，s h o r tr o o t s t h e s ed i r e c t l y a f f e c tt h ef u n c t i o no fw a t e rp u r i f i c a t i o n i n a d d i t i o n ，t h ep l a n t sd e c l i n ei nn o n - g r o w i n gs e a s o ni sa l s oa l li m p o r t a n tl i m i t i n gf a c t o r f o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n b a s e do nt h i s ，t h ep a p e rs i m u l a t e dt h em a i nf u n c t i o no ft h e a q u a t i cp l a n t sa n di t sr o o t si nw a t e rp u r i f i c a t i o n ，r e s e a r c h e dt h ed y n a m i cp r o c e s so f b i o f i l ma t t a c h e dt od i f f e r e n tn e wc a r r i e r s ( b i o n i cp l a n t s ) i nt h ep o l l u t e dw a t e r , r e v e a l e d p u r i f i c a t i o na b i l i t ya n dm e c h a n i s mo ft h eb i o n i cp l a n t si np o l l u t e dw a t e rt h r o u g h m e a s u r i n gt h ed y n a m i cp r o c e s so fm i c r o b i a lb i o m a s s ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n i n t e n s i t y , d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb i o m a s sc h a n g e so fa t t a c h e db i o f f l m o fb i o n i cp l a n t s t h eb i o m a s so fa t t a c h e db i o f i l mo fb i o n i cp l a n t se x p e r i e n c e dt h et h r e es t a g e s ： s t e a d yg r o w t h - r a p i dg r o w t h - s t a b i l i z a t i o ni nw i n t e ra n ds u m m e rt r i a l s ，a n dt h eb i o m a s s w a sh i g h e ri ns u m m e rt r i a lt h a ni nw i n t e r a tt h ee n do fb i o f i l m ，t h eb i o m a s s c so ff o u r b i o n i cp l a n t sw e r e s u s p e n d e dm e d i u m ( 0 0 5 8g g - 1 ) c o m b i n e df i l l e r ( 0 0 5 4g - g 。1 ) t h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i cp a c k i n g ( 0 0 4 9g g 。1 ) s e m i s o f tf i l l e r ( 0 0 4 2g g 。1 ) i nw i n t e r e x p e r i m e n t , t h ed i f f e r e n c eo fb i o m a s sb e t w e e nd i f f e r e n th e i g h t ss a m p l i n gp o i n t so ff o u r b i o n i cp l a n t sw e r en o tl a r g e ；t h eb i o m a s s e sw e r ee v i d e n td i f f e r e n ti nt h es u m m e rf o r m i d d l e u p p e r b o t t o m ( 2 ) t h en i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yc h a n g e s o fa t t a c h e db i o f i l mo fb i o n i cp l a n t s t h en i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yo fb i o f i l me x p e r i e n c e dt w op h a s e s ：r a p i dg r o w t ha n d s t a b i l i t yi nw i n t e ra n ds u m m e rt e s t s ，a n dn i t r i f i c a t i o ni ns u m m e rw a sg e n e r a l l yh i g h e r t h a ni nw i n t e r t h en i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t yo ff o u rb i o n i cp l a n t sw a s 丽t l lt h es a m el a wo f b i o m a s s t h en i t r i f i c a t i o no fd i f f e r e n th e i g h t ss a m p l i n gp o i n t sw e r ee v i d e n td i f f e r e n t ： i n 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 t h eu p p e r ( 1 6 0m g k 9 4 h 1 ) m i d d l e ( 1 4 1m g k g l h 1 ) b o s o m ( 1 2 6m g k g l - 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1 h 。1 ) w a sh i g h e rt h a nt h eu p p e r ( 8 8 1 6u g t f g - 1 h 1 ) a n d b o t t o m ( 8 7 1 7u g t f g - 1 h 1 ) ( 5 ) t h en i t r o g e nc y c l eb a c t e r i ac h a n g e so fa t t a c h e db i o f d mo fb i o n i cp l a n t s i nw i n t e ra n ds u m m e rt r i a l s ，t h em o u n to fa m m o n i f i c a t i o nb a c t e r i aa n dn i t r i f 舛n g b a c t e r i ao ff o u rb i o n i cp l a n t sw e r ea sf o l l o w s ：s u s p e n d e dp a c k i n g c o m b i n e dp a c k i n g t h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i cp a c k i n g s e m i s o f ts t u f f i n g ，a n dt h en u m b e ro fd e n i t r i f y i n g b a c t e r i aw a sa sf o l l o w s ：c o m b i n e dp a c k i n g s u s p e n d e dp a c k i n g t h r e e - d i m e n s i o n a l e l a s t i cp a c k i n g s e m i s o f tf i l l e r a n dt h en u m b e ro fn i t r o g e nc y c l eb a c t e r i aw a sh i g h e r d u r i n gt h es u m m e rt r a i l t h en u m b e ro fn i t f o g e nc y c l eb a c t e r i ai ns p a t i a ld i s t r i b u t i o n s h o w e dd i f f e r e n tr e g u l a r i t y ：t h ea m m o n i f i c a t i o nb a c t e r i aa n dn i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r e m a x i m u ma m o u n ta tt h eu p p e rs a m p l i n gp o i n t ；t h en u m b e ro fd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa t t h eb o r o ms a m p l i n gp o i n t sw a sh i g h e rt h a nt h eu p p e ra n dm i d d l es a m p l i n gp o i n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i o f d mo ff o u rb i o n i cp l a n t sw e r eb e t t e ri nt h es u m m e r , a n dt h ei n d i c a t o r sw e r eh i g h e rt h a ni nw i n t e r i na l lb i o n i cp l a n t s ，t h eb i o f i l mo f s u s p e n d e df i l l e rw a so p t i m a l ，c o m b i n e df i l l e ra n dt h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i cf i l l e rw e r e t h es e c o n d ，s e m i s o f tf i l l e rw a sw o r s e a tt h eu p p e rs a m p l i n gs i t e s ，t h en i t d f i c a t i o n c a p a c i t yw a sh i g h e r , t h eq u a n t i t yo fa m m o n i f i c a t i o na n dn i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r em o r e 江苏大学硕士学位论文 n u m o u s ；a tt h em i d d l es a m p l i n gp o i n t s ，b i o m a s sa n d d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yw e r el a r g e r ； t h ea m o u n to f d e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw a sa tm o s ta tt h eb o t t o ms a m p l i n gp o i n t s ，h o w e v e r , t h eb i o f f i md e n i t r i f i c a t i o nc a p a c i t yw a sn oo b v i o u sc h a n g e s 弱ai n c r e a s e do fw a t e r d e p t hd u r i n gt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h et o po fw a t e r ( 0 一l o c m ) d i dt h e g r e a t e s tc o n t r i b u t i o nt on i t r o g e nr e m o v a l k e y w o r d s ：b i o n i cp l a n t s ；b i o f i l m ；p o l l u t e dw a t e r v 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 填料技术。2 1 2 2 生物膜技术4 1 3 研究内容和目标。7 1 4 技术路线。7 第二章试验材料与方法 9 2 1 试验材料9 2 2 仿生植物的设计与制作1 0 2 3 试验设计。1 0 2 4 样品采集。1 0 2 5 监测指标及方法1 1 2 5 1 水质指标测试方法。1 1 2 5 2 生物膜生物量测定1 2 2 5 3 生物膜脱氢酶活性1 2 2 5 4 生物膜硝化强度1 2 2 5 5 生物膜反硝化强度1 3 2 5 6 生物膜氮循环细菌计数1 3 2 6 数据处理与统计分析1 5 第三章结果与讨论1 6 3 1 仿生植物附着微生物膜生物量动态变化分析1 6 3 1 1 不同季节仿生植物附着微生物膜生物量动态变化分析1 6 3 1 2 不同水深处仿生植物附着微生物膜的生物量变化分析2 2 3 1 3 小结。2 5 3 2 仿生植物附着微生物膜的硝化作用强度动态变化分析2 6 3 2 1 不同季节四种不同仿生植物附着微生物膜的硝化强度变化分析2 6 3 2 2 不同水深处仿生植物附着微生物膜硝化强度变化分析3 1 3 2 3 小结；3 5 3 3 仿生植物附着微生物膜反硝化作用强度的动态变化分析3 5 3 3 1 不同季节四种仿生植物附着微生物膜的反硝化强度变化分析3 5 3 3 2 不同水深处仿生植物附着微生物膜的反硝化强度变化分析4 1 v 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 3 3 3 小结。4 4 3 4 仿生植物附着微生物膜脱氢酶活性的动态变化分析4 5 3 4 1 不同季节四种仿生植物附着微生物膜脱氢酶活性的变化分析4 5 3 4 2 不同水深处仿生植物附着微生物膜的脱氢酶活性变化分析5 1 3 4 3 硝、结。：5 4 3 5 仿生植物附着微生物膜的氮循环细菌数量分析5 4 3 5 1 不同季节仿生植物附着微生物膜氮循环细菌数量分析5 4 3 5 2 不同水深处仿生植物附着微生物膜的氮循环细菌数量分析5 9 3 5 3 小结。6 4 3 6 仿生植物附着生物膜差异的影响因素分析。6 5 第四章结论与展望7 0 4 1 结论7 0 4 2 展望7 1 致谢 参考文献 在学期间发表的论文 7 2 7 3 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 河道污染问题在我国许多城市相当普遍，据近年来全国水域的环境质量监测 调查统计，流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中，有9 3 被污染，出现水质下 降、水中溶解氧含量减少、营养物质增多、水生生物群落结构简单化、水温变幅 增加、环境容量减小等河流生态系统退化的症状【1 1 。黑臭的河水不仅使城市风光 黯然，而且直接威胁到城市居民的身心健康。尽管各地为改善城市河道水环境质 量采取了很多措施，但是，现状依然严峻。而且，随着城市化的快速发展，城市 污水排放量将不可避免地呈现上升趋势，城市河道的环境压力巨大。然而，由于 城市河道多渠道化，水流不畅、污泥淤积、水质黑臭，河流自净能力严重退化。 因此，寻求高效、安全、易行的城市重污染河道水质净化技术刻不容缓。 目前，城市河道水环境治理的主要技术包括物理方法( 曝气、引水稀释、底 泥疏浚等) 、化学方法( 添加混凝剂如聚合氯化铁p f c 、改性硅藻土以及光催化剂 0 2 等) 、生物方法( 微生物菌制剂等) 以及生态方法( 人工湿地、生态浮床等) 。 其中，物理净化法工艺设备简单、易于操作，处理效果十分明显，但往往治标不 治本；化学净化法对浊度、c o d c 。、s s 、t p 去除效果较好，对t n 、重金属等也 有一定的去除，但由于投加的是化学药剂，因此不仅治理费用较高，而且还易造 成二次污染。生物净化技术投资省，净化效果好，同时还能促进水域生态系统的 自然恢复。但目前该类技术的实际应用范围较窄，大都是在小河中进行的，只是 水域的一小部分，不是对整个水域系统自我恢复能力的强化。此外，该类净化技 术在应用过程中，还会对水域生态系统的结构和使用功能造成一定的影响。因此， 该技术还需进一步研究与完善 2 - 4 1 。 而生物生态修复技术由于具有安全性、经济性、实用性、系统性等诸多优点 成为河流污染治理的主要技术手段 5 - 9 1 。其中生态修复主要依靠植物的吸收、植物 根系附着微生物的转化等途径去除污染物【协1 4 1 ，因此植物的良好生长是生物一生 态修复的关键，尤其是植物根系的良好生长，对水体污染物的迁移转化起到关键 作用。然而，由于我国水体水质污染严重，导致水生植物生长受阻，特别是植物 根系发育不良，表现为根系短小等特点，影响到其对水体的净化功能。同时，在 生态修复过程中，植物在非生长季节的衰亡也是影响生态修复效果的一个重要的 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 限制因子。基于以上现状，模仿水生植物在水体净化中的主要生态功能，利用仿 生植物强化净化水体污染，将可能为我国严重污染的城市河道生态修复提供新的 技术手段。 因此，本文通过模拟植物根系在水体净化中的功能，研究不同材质的仿生植 物在污染水体中生物膜的动态变化及其对水体污染物的强化净化作用，有望对污 染水体的净化及其生态修复提供技术指导及其理论依据。 1 2 国内外研究现状 仿生植物，即模仿水生植物在水质净化中的主要功能，将生物膜技术与填料 结合起来，从而为污染水体中土著微生物提供适宜的栖息生存环境，促使微生物 聚集、生长以及繁殖，从而降解污染物，达到水质净化与水体生态修复的目的。 目前关于该项研究主要包括两个大的方面，即填料和生物膜。 1 2 1 填料技术 ( 1 ) 填料的选择 目前，应用于水环境治理中的填料主要包括以下几种【1 5 调： 立体弹性填料，该填料筛选了聚烯烃类和聚酞胺中的几种耐腐、耐温、耐老 化的优质品种，混合以亲水、吸附、抗热氧等助剂，采用特殊的拉丝，丝条制毛 工艺，将丝条穿插固着在耐腐、高强度的中心绳上，由于选材和工艺配方精良， 刚柔适度，使丝条均匀辐射而呈立体状态f 2 7 】。该填料的主要特点有：丝状条空间 分布均匀并在水中完全分开，填料的实际可利用表面积非常大；丝条能在水中完 全分开，填料的实际可利用表面积非常大，在实际中应用广泛，国内外对其研究 较多。 组合填料，该填料集中了软性及半软性填料的结构特点，填料单元中间是一 个尺寸较小的半软性填料，周边连续软化纤维素，中心绳贯穿其间，保持一定长 度及承担挂膜后的重量。组合填料综合了软性填料易挂膜，半软性填料不易缠结、 阻塞的优点，克服了软性填料的中心结团及半软性填料难挂膜的缺点，且布水布 气作用好，与污水接触及传质条件良好，因而广泛应用于接触氧化法处理各种废 水。 天然填料，卵石和棕毛都属于天然填料，卵石的表面粗糙，比较面积大，同 时质硬，有很强的耐化学腐蚀性和耐磨性。棕毛纤维也是广泛采用的天然材料之 2 江苏大学硕士学位论文 一。棕毛的植物纤维具有耐腐烂的特点，对水体的二次污染小。天然填料易于挂 膜、截留悬浮物的能力强、易于就地取材，但易造成水流阻力大，产生堵塞现象【2 8 1 。 ( 2 ) 填料在水质净化中的作用 研究表明，填料在污染水体中的主要作用表现在以下方面： 容纳附着微生物，为其提供栖息和繁殖的稳定环境，是微生物生长的载体。 自然界中大多数微生物是以附着状态，而不是以游离状态存在于生长环境中【2 9 1 。 其中，仿生填料性能稳定、表面粗糙、比表面积大，有利于微生物的附着。填料 作为微生物的载体，影响生物膜的生长、繁殖、脱落、形态及空间结构【捌，为微 生物提供栖息和繁殖的稳定环境，并能保持较多的微生物量【3 1 1 。 为水体和生物体的接触创造了良好的水利条件，强化了微生物、有机体和 溶解氧三者之间的传质。填料是反应器中生物膜与废水接触的场所，同时为气、 液、固三相提供充分的接触面，对水流有强制性的紊动作用，使废水能够再分布， 并为提高湍流程度( 气相和液相) 创造条件，以利于气液、固液和气固传质 3 2 1 。 填料对水中的悬浮物有一定的截流作用。填料作为去除悬浮物的介质，其 过滤性能又影响着对悬浮物的去除效果。如葛绪广等【3 3 】人利用填料对挟沙水体悬 浮泥沙的截留作用进行了研究，结果表明，仿生填料能有效去除水体中的悬浮物 质，迅速提高水体透明度。 ( 3 ) 填料对水质的净化效果 近年来，国内外对仿生填料净化污染水体的效果研究较多。如田伟君【3 4 j 模仿水 生植物臭轮藻的形态设计出新型生物填料，在林庄港河道挂膜运行半年后发现， 附着在填料丝上的亚硝酸菌和硝酸菌的数量与氨氮去除率变化相匹配，而且对水 体氨氮具有较好的去除效果。宋英伟等【3 5 】采用弹性生物膜填料使水体d o 含量由 4 3m g l 增加到7m g l ，t n 、n h 4 + 、n 0 3 、t p 浓度分别降低2 2 4 、8 6 6 、9 0 和7 3 3 ，水体透明度从2 5c r t l 迅速提高到1 2 0c m ，水体透明度的提高最终为沉 水植物以及健康的水生生态系统恢复创造了非常有利的条件。肖羽堂【1 7 】等研究表 明，在水体浊度9 0 - 3 0 0n t u 、n h 4 + 0 5 - 1 0m g l 、c o d u n4 0 1 0 8m g l 条件下， 仿生植物附着微生物膜生物相丰富，包括了好氧的异养菌、自养菌以及大量的丝 状菌，线虫类、轮虫类以及寡毛虫类的微型动物等，这些微生物可在生物膜上形 成更高级的食物链，通过生物共生机制，实现去除污染物的目的。 3 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 1 2 2 生物膜技术 生物膜技术是人们长期以来依据自然界中水体自净的现象，总结、模拟而发 展起来的一种污水处理技术，它是微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状， 通过与污染接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养并加以同化， 从而使污水得到净化。通过充填填料来强化净化污染的水体，其实质是对自然水 体自净能力的一种强化。 ( 1 ) 水体中生物膜的特性 水体中生物膜是一种典型的由生命物质和非生命物质、有机物和无机物组成 的复杂的异质复合体。水环境中生物膜的形态和结构已被广泛地研究。关于其形 态和结构有不同观点 3 6 - 4 0 l 。不同实验室的近期工作表明，一些生物膜不再看作是 连续的层状结构，而更多地看作是附着在一起由独立的堆体或群落的随机组合， 这些堆体或群落周围存在很多通道，水和捕食的原生动物可以通过这些通道移动 4 1 - 4 3 1 o 生物膜不是一个单一的、无定形的集合体，而是一个复杂的、具有一定功能 的生物集合体【蜘。水体生物膜及其各组分对污染物具有较高的表面反应活性和丰 富的吸附面积【4 5 】。水体中污染物被去除的过程，就是生物膜中微生物所产生的多 种酶催化一系列的生物氧化还原反应过程。国内外利用生物膜的活性来处理各种 废水，已取得了一定成果f 1 5 硐。关于水体中生物膜对重金属和有机污染物的吸附 与降解已被大量研究，并探讨了影响其吸附降解能力的因素，结果表明，利用生 物膜可以有效去除重金属及有机污染物 4 6 - 4 9 1 。 ( 2 ) 生物膜的形成机理 根据c h a r a c k l i s 和h e i j n c n 等的研究，认为生物膜的累积形成是物理化学和生 物过程综合作用的结果。经历如下几个过程【5 0 】。 有机物分子从水相中向载体表面运送，其中部分被吸附在载体的表面从而 形成了改性的载体； 水中悬浮生长的微生物细胞被传送到改性的载体表面，其中一部分微生物 细胞在吸附一段时间后因为水力剪切或者其它物理、化学和生物作用又被解吸出 来，而剩下的一部分则被成了不可解吸的微生物细胞而停留在载体上； 这部分不可解吸的微生物细胞摄取并消耗水中的有机底物，实现自身增殖 4 江苏大学硕士学位论文 生长，同时细胞产生大量的胞外聚合物，这些聚合物进一步将微生物细胞紧紧地 结合在一起形成生物膜，微生物细胞不断地消耗水中底物进行新陈代谢时便使得 生物膜不断累积增厚。 在生物膜累积的同时，由于水力剪切及其它作用，不断向水体中释放出游 离的微生物细胞。由此可见，认为微生物在载体表面上固定化形成生物膜的过程 是一个动态的过程，受吸附、生长、脱落的影响。 ( 3 ) 生物膜形成影响因素 影响生物膜形成和生长的因素有很多，主要包括水的流速、基质类型、水体 中微生物的种类、数量和化学成分、营养水平、光照、水温以及培养水体的地球 化学环境等 3 9 , 4 3 , 5 1 。5 5 1 。在自然水体中，高流速使生物膜易于形成单层结构，而低流 速使生物膜形成复杂结构。粗糙的基质也有利于生物膜的生长，粗糙基质和高河 水流速的结合可以极大的增加生物膜上的生物量【5 3 1 ，如在基质上涂一层硬脂酸可 以提高生物膜上微生物的增长速度【5 6 1 。光照是影响生物膜形成的重要参数，有光 照条件下培养的生物膜的厚度和体积均明显大于无光照条件下培养的膜；同时， 无光照条件下生长的生物膜小颗粒物分布比较多，而有光照条件则有利于形成较 大的颗粒，并且含有较多的叶绿素和藻类以及较少的营养物质【5 4 】。温度越高越有 利于微生物的生长，膜上的生物量就越大；一般当水温低于4 。c 时生物膜的生长速 度很缓慢。培养时间对水生附着物的生物量和铁、锰氧化物的含量影响很大【5 7 1 。 水中的悬浮颗粒物对藻类的生长有促进或营养作用【5 8 1 。此外，由于生物膜中各组 分的含量和种类与培养水体的地球化学特征及微生物种类直接相关，不同环境培 养的生物膜生长情况也有所不同，膜上组分含量差异很大【5 9 】。 ( 4 ) 生物膜的微生物相 生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，这些微生物，形态迥异，种 类繁多，主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物等，此外还有病毒。这 些微生物体的细胞结构，有的简单，有的较复杂，而病毒是非细胞的组织结构 6 0 - 6 3 。 细菌 细菌是生物膜的主体，其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。 细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境。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 5 仿生植物附着微生物膜动态变化研究 主要细菌类型。按照是否需要和有无氧气，异养菌又可分为好氧异养菌、厌氧呼 吸型异养菌、厌氧异养菌和兼性厌氧菌四类。 真菌 真菌是具有明显的细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多呈丝状形态，包括 单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。真菌可利用的有机物范围很广，特别是多碳类 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，很容易产生丝状菌。 藻类 藻类不是生物膜中主要的微生物种群，但在光照射下生物膜微生物的主要构 成部分。一些藻类是肉眼可见的，但绝大多数的藻类只有在显微镜下才能观察到， 有的是单细胞，有的是多细胞结构。由于出现藻类的地方只限于生物膜反应器中 表层很小部分，因而对污水净化作用不大。 原生动物 原生动物是最低等的单细胞动物，在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表 面的细菌，对保持生物膜细菌处于活性状态起着积极的作用。原生动物以脑饮方 式( 一部分细胞壁凹人摄取外部环境中大分子并夹紧形成其体内液泡) 摄取有机 物质，或以噬菌的方式吞噬细菌、藻类和其他粒子并消化作为营养物质。浮游的 原生动物甚至可以通过在生物膜内的运动产生紊动，从而影响到生物膜深处的传 质情况。 后生动物 后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物，属无脊椎型。生物膜中经常出现 的有轮虫、线虫类、寡毛类和昆虫及其幼虫类。 综上所述可见，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相关，如负荷适当时常出现独缩虫属、 聚缩虫属、累枝虫属、集盖虫属和钟虫等；负荷过高，真菌类增加，纤毛虫类在 绝大多数情况下消失，可以见到的有屋滴虫属、波豆虫属、尾波虫属等鞭毛类： 负荷较低时可观察到盾纤虫属、尖毛虫属、表壳虫属和鳞壳虫属。后生动物如轮 虫和线虫等大量出现时，能使生物膜快速更新，生物膜中的厌氧层减少，不会引 起生物膜肥厚，且生物膜脱落量也少；如果扭头虫属、新态虫属和贝日阿托氏茵 6 江苏大学硕士学位论文 属等出现时表明生物膜中的厌氧层增厚等。可见，微生物膜上的生物相