低溶解氧对生物膜特性的影响研究.doc

低溶解氧对生物膜特性的影响研究第24卷第l5期2008年8月中国给水排水chinawater&wastewaiervo1.24no.15aug.2008低溶解氧对生物膜特性的影响研究王磊,李(1.中国科学院南京地理与北京100039;海英,湖泊研究所3.云南大学李雪娟.,柯凡,潘继征,江苏南京210008;2.中国科学院研究生院,生命科学学院,云南昆明650091)摘要:通过考察生物膜的生长特性,除污效率,脱氢酶活性以及微生物群落组成,分析了低溶解氧对生物膜特性的影响,验证了在低溶解氧条件下采用生物膜反应器处理低浓度生活污水的可行性.试验发现,在低溶解氧条件下生物膜具有特殊的生长特性与外观结构,对cod,ss的去除率分别达到60%和90%以上;由于液相中的低浓度有机物向生物膜内的扩散通量较小,使其成为生物膜降解活性的主要限制因素;长期在低溶解氧下运行会使生物膜内环境更适合兼性异养菌的生长,而总的细菌含量变化不大,保证了生物膜具有较高的处理效率.这为降低污水处理能耗,拓宽生物膜反应器的应用范围提供了新的思路和理论基础.关键词:生物膜;低溶解氧;脱氢酶活性;异养菌中图分类号:x703.1文献标识码:a文章编号:10004602(2008)15001505studyoneffectwanglei,oflowdissolvedoxygenonbiofilmcharacteristicslihai.ying,lixue-juan,kefan,panji.zheng(1.nanjinginstituteofgeographyandlimnology,chineseacademyofsciences,nanjing210008.china;2.graduateschool,chineseacademyofsciences,beifing100039,china:3.collegeofifesciences,yunnanuniversity,kunming650091,china)abstract:fouraspectsincludingbiofilmgrowth,pollutantsremovalefficiency,dehydrogenaseac.tivityandmicrobialcommunitycompositionwereinvestigatedtoanalyzetheeffectoflowdissolvedoxygen(do)onbiofilmcharacteristicsandverifythefeasibilityoflow.concentrationdomesticsewagetreatmentbybiofilmreactor.underthelowdoconditions,thebiofilmhasthespecialgrowthandstructure.theremovalratesofcodandssareabove60%and90%respectively.thediffusionfluxoforganicmattersfromsewageintobiofilmislowandbecomesamainlimitationofbiofilmdegradationactivity.thelongtimeoperationatlowdoconcentrationmaymaketheenvironmentinbiofilmmoresuitableforgrowthoffacuhativeheterotrophicbacteria,whilethetotalbacteriaamounthasnosignificantchange,ensuringthatthebiofilmhashightreatmentefficiency.thestudyprovidesanewthoughtandtheorybasisforreducingenergyconsumptionofsewagetreatmentandwideningtheapplicationrangeofbiofilmreactor.keywords:biofilm;lowdissolvedoxygen;dehydrogenaseactivity;heterotrophicbacteria目前关于低溶解氧生物膜反应器的研究多见于高浓度氨氮废水的脱氮工艺探索.,而对于生物膜自身特性的研究较少.lazarova等认为生物膜主要由微生物细胞和胞外聚合物组成,具有复杂的基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2005aa60101004,2006aa06z325)第24卷第15期中国给水排水wcgw.watergasheat.con非均匀孔洞结构.cao等通过比较不同生物膜反应器的运行发现,生物膜中微生物的群落组成与进水水质,反应器类型有关,而生物膜的形态结构则主要受水力剪切力和反应器类型的影响.笔者通过对生物膜生长特性,除污效率,生物膜活性以及微生物群落组成等四个方面进行研究,探讨生物膜在低溶解氧条件下的特性,验证反应器处理低浓度污水的可行性,为降低处理能耗和拓宽生物膜反应器的应用范围提供理论支持.1材料与方法1.1试验装置试验装置见图1.图1生物膜反应器fig.1sketchmapofbiofilmreactor反应器为玻璃材质,尺寸为1m1m1.2m,有效容积为1m,平均分为4格,前三格装填了ydt弹性立体填料,装填率为70%,第四格为沉淀区.污水从第一格外侧底部进入,从另一侧上部小孔进入第二格,再同样沿对角线进入第三格,最后从第四格沉淀出水.前三格每格布设4个砂结曝气头进行微量曝气.原水由水泵从河沟中直接抽入反应器,试验时间为2006年10月_2o07年9月,历时一年;进水量控制在312m/d,前三格的do分别控制在(0.10.7),(0.51.2),(1.02.0)mg/l;启动过程采用自然挂膜,微量曝气下无底泥上翻,整个系统完全依靠生物膜对污染物进行降解.1.2试验用水试验用水为昆明市滇池北岸福保村一带的混合污水,其主要由三部分组成,即村庄生活污水,附近旅游景点的外排污水和农田区的降雨径流.该混合污水的水质见表1,可知其污染物浓度比一般生活污水的要低.表1混合污水的水质nib.1characteristicsofmixedwastewater项ss/do/cod/氨氮/目ph(mg?l)(mg?l)(mg?l)(mg-l)数7.6563.0080.17.72值0.16109.454.64.72项亚硝态氮/硝态氮/tn/tp/po:一一p/目(mg-l)(mg-l)(mg?l)(mg-l)(mg?l)数0.030.1559.910.7010.391值0.080.1635.510.3280.2571.3分析方法所有水质指标均采用国家标准方法测定;生物膜厚度与干质量参照文献6进行测定;生物膜活性以1trc一脱氢酶活性来表征,采用李今等.的改进方法进行测定,其中生物膜的取样量为5g,水浴培养时间为6h,采用甲苯进行萃取;微生物种群及数量的检测参照文献8进行.2结果与讨论2.1生物膜生长特性与除污能力2.1.1生物膜生长特性反应器采用自然挂膜启动,前三格填料上的附着生物量分别在第7,12,18天达到稳定状态(见图2),稳定后生物膜的平均厚度分别为750,810,800m.由于原水的ss浓度较高,第一格填料吸附悬浮物质后比表面积增加,形成了相对稳定且利于微生物生长的微环境,因此第一格内生物膜的生长速度最快,但受冲击负荷的影响,稳定后的生物膜厚度与干质量都略低.第二格中的污染物与溶解氧浓度皆相对稳定,适合生物膜生长,其厚度与干质量都最高.而第三格中的有机底物特别是易降解有机物的浓度大幅降低,生物膜生长缓慢.?16?图2反应器启动过程中各格内生物膜干质量的变化rig.2ch=seofdryweightofbiofilrainchambersat8tal.upstage对第二格单独进行了不同溶解氧浓度的对比王磊,等:低溶解氧对生物膜特性的影响研究第24卷第15期试验,结果见图3.曼曼喀l图3生物膜干质量与厚度随d0浓度的变化fig.3changeofdryweightandthicknessofbiofilmunderdifferentd0conditions在低溶解氧条件下,生物膜表层呈灰白色,绒状结构,有白色丝状物质在填料问缠绕,透光处伴有藻类生长,使表层呈黑绿色,生物膜内部因缺氧而呈黑色.当do>2mg/l时,生物膜逐渐转变为黑褐色,膜内出现原生动物,与传统接触氧化工艺的生物膜特性相似;当do>4mg/l时,生物膜因缺乏底物而开始变为灰褐色,附着力下降,易脱落,膜厚度与干质量进一步下降.由图3可以看出,随着溶解氧浓度的升高,生物膜厚度与干质量变小,这一方面是由于曝气量越大,水流与气流对生物膜的冲刷作用越强;另一方面,随着溶解氧浓度的升高则有机物的降解速度加快,底物的缺乏使微生物处于内源呼吸阶段,生物量大大降低.对生物膜在不同溶解氧条件下的生长特性进行对比可以发现,在低溶解氧条件下生物膜具有特殊的生长规律与外观结构,形成了与环境相适应的稳定状态,生物膜这些生长特性的改变没有对反应器的正常运行产生影响.2.1.2低溶解氧下生物膜的除污能力在悬浮生长的活性污泥反应器中,为了保证污泥的沉降性能,需严格控制进水污染物浓度与供氧量,而生物膜反应器则避免了活性污泥系统中提高处理效率与保障正常运行之间的矛盾,具有更强的环境适应能力与开发潜力.在低溶解氧条件下反应器对污染物的去除效果见表2.由表2可以看出,系统对cod的平均去除率>60%,出水cod最低可达16mg/l.当进水流量>7.9m/d时,对cod的去除率显着下降,说明系统达到了最大负荷.对ss的去除与进水流量及浓度没有对应关系,去除率均能保持在90%以上,这是因为在低溶解氧条件下生物膜厚度大,黏性强,对悬浮物有很好的吸附,拦截作用.进水负荷对硝化效率的影响较大,进水量<4.6m/d时,系统中的有机氮全部氨化,硝化作用明显,对氨氮的去除率最高达到了33.3%;当流量>4.6m/d时硝化作用被抑制,出水氨氮浓度显着增加,说明系统以氨化作用为主.表2不同进水流量下对污染物的去除效果tab.2pollutantsremovalatdrentirrfluentflowrates进水流c0dssnh3一n量/(in!进出水/去除进水/出去除进出,去除.d一)(mg?mg?奎/%:mg?mg?率/%lmg.,g率/%l一1l)l)l)l_.l)360.316.073.551590.26.824.5533.33.849.519.061.632390.66.635.4617.64.682.427.566.668789.75.405.675.07.973.022.669.055296.45.035.427.810.868.931.055.057493.05.326.0313.另外,在第28天时系统发生了亚硝酸盐积累现象,出水亚硝酸盐浓度最高达到4mg/l,但在2周后积累现象消失,对氨氮的去除率也随之下降,说明在生物膜生长初期,低溶解氧条件下硝化菌的生长会受到一定抑制,而亚硝化菌受到的影响较小,随着亚硝化菌在增殖和对氧的利用上与异养菌群相比逐渐处于劣势,硝化作用也慢慢减弱,对氨氮的去除率便下降了.2.2生物膜的脱氢酶活性脱氢酶活性可以反映处理系统中活性微生物的数量及其对污染物的降解活性,是考察生物膜特性的重要指标.在常规生物膜反应器内,扩散是向生物膜内微生物提供底物和氧的主要途径l9j,因此两者向膜内的扩散速率决定了微生物的生长代谢效率,也决定了生物膜活性的大小.设置四种不同的工况来分析溶解氧与底物浓度对生物膜活性的影响,结果见表3.由表3可知,曝气情况下3个分格内的溶解氧浓度不同,生物膜的脱氢酶活性也相差较大,但其与溶解氧并非呈线性关系,前三格的溶解氧浓度逐步升高,但脱氢酶活性却呈现前二格较高,第三格突然下降的现象.前三组试验中同一单元格内的溶解氧浓度接近,但脱氢酶活性相差较大,其与有机负荷呈正相关.由此可见,即使在限量供氧的条件下,溶解氧浓度也不会成为微生物降解活性的限制因素,脱氢酶活性大小主要与有机负荷及易降解有机底物浓?l7?第24卷第15期中国给水排水度有关.表3生物膜的脱氢酶活性与溶解氧及cod浓度的关系tab.3relationshipbetweenactivityofdehydrogenaseandconcentrationsofd0andcodcod负荷/脱氢酶活do/cod/项目(kgcod?分格性/(gtf(mg?(mg?m.di,?h一?g一)l)l一,第一格31.00.298.1第一组0.81第二格46.80.764.2(曝气)第三格13.51.449.1第一格16.20.375.5第二组0.57第二格18.61.052.9(曝气)第三格4.92.433.7第一格6.280.438.2第三组0.34第二格7.310.735.2(曝气)第三格1.221.930.2第一格4.33089.3第四组0.53第二格6.47070.6(无曝气:第三格2.30065.4第一格内的有机物浓度最高,但脱氢酶活性略低于第二格,这可能是由于第一格的污水中含有较多不具有生物活性的悬浮物,吸附在生物膜上后使得单位质量生物膜的活性有所降低;而第二格受原水冲击负荷的影响小,污水中仍含有较多的易降解有机物,溶解氧浓度也有所提高,在这样的环境下微生物代谢稳定,降解活性也随之增加.第三格中的溶解氧浓度最高,但脱氢酶活性却大大降低,主要是由于水中易降解有机物迅速减少,剩余的cod大多由难降解有机污染物组成,底物缺乏成为微生物生长代谢的限制因素.在第四组试验中生物膜的降解活性很低,说明此时溶解氧成为微生物降解活性的主要限制因素.通过对比试验可以看出,在处理低浓度污水时,由于液相中的有机物浓度较低,导致其向生物膜内的扩散速率下降,成为微生物降解活性的主要限制因素.相对而言,微量曝气条件下的氧扩散通量已经能够满足微生物降解污染物的需求,因此根据污染物浓度及进水负荷来调节供氧量,在保证处理效果的前提下可达到节省能耗的目的.2.3生物膜的微生物群落组成与数量微生物在污水的生化处理中起决定性作用,其种群的组成与数量很大程度上影响着出水质量,同时也揭示了微生物对外界环境变化的反应机制.为此,对稳定运行时生物膜的菌群数量与组成进行分析,以了解低溶解氧环境对微生物的影响机制.控制反应器进水量为35nl/d,运行一周待系统稳定后取生物膜进行微生物培养鉴定,结果见表4.表4反应器中微生物的组成与数量tab.4bacteriaamountandcompositioninreactorcfu?g项目数量黄杆菌属1.510.假单胞菌属1.010.异养菌产碱杆菌属6.510.芽孢杆菌属4.510.邻单胞菌属2.510硝化杆菌属2.010.硝化菌硝化球菌属8.010亚硝化菌亚硝化单胞菌属1.010.由表4可以看出,生物膜中异养菌群数量占绝对优势,优势菌种为黄杆菌属,假单胞菌属,产碱杆菌属等兼性细菌,在低溶解氧条件下生物膜增厚,膜内缺氧区域扩大,对溶解氧适应能力较强的兼性细菌得以稳定生长.从总含菌量来看,异养菌的数量与传统生物膜反应器的相当”,说明低溶解氧对生物膜内异养菌群总量的影响不大,只是对菌群起到了重新分布的作用,使更适应低溶解氧环境的微生物占据主导地位,这也是生物膜在低溶解氧条件下仍具有较高除污效率和降解活性的主要原因,同时也体现了生物膜系统具有很强的自我调节能力与环境适应能力.亚硝化菌与硝化菌属于专性好氧自养菌,对能量的利用效率不高,生长较为缓慢,其总量占异养菌数量的10%30%,与传统生物膜反应器相比则数量偏低,说明在低溶解氧条件下硝化细菌在氧的竞争中处于劣势.另外,原水的c/n高,进水氨氮负荷小也是亚硝化菌繁殖速率低的主要原因.一般情况下,硝化细菌主要分布于距生物膜表面100m处,m.c.m.vanloosdrecht等发现虽然生物膜表层的铵盐浓度较高,但该层却没有硝化细菌,因此氧与铵盐向膜内的扩散效率是决定硝化细菌生长的主要因素,低溶解氧,低浓度氨氮条件不利于生物膜提高脱氮效率,出水宜采用人工湿地等工艺进行进一步的脱氮处理.3结论在低溶解氧条件下生物膜具有特殊的生长?18?www.watergasheat.con王磊,等:低溶解氧对生物膜特性的影响研究第24卷第l5期特性与外观结构,内部环境的变化更适合兼性异养菌的繁殖生长,但总含菌量变化不大,能够有效去除低浓度污水中的有机污染物,对ss也具有很好的去除效果.在处理低浓度污水时有机底物向生物膜内的扩散通量较小,成为微生物降解活性的主要限制因素;而微量曝气已经能够满足微生物降解污染物的需求,因此可根据进水水质与进水负荷调节供氧量以便节省能耗.参考文献:234567ciudadg.gonzalezr.bornhardtc.etal,modesofoperationandphcontrolasenhancementfactorsforpartialnitrificationwithoxygentransportlimitationj.waterres,2007,4l(20):462l一4629.wyffelss,stijnwh,boeckxp,eta1.modelingandsimulationofoxygen.1imitedpartialnitritationinamen-braneassistedbioreactor(mbr)j,biotechnolbioeng,2004,86(5):531,一542.lazarovav.manemj,biofilmcharacterizationandacticityanalysisinwaterandwastewatertreatmentij】.waterres,1995,29(10):22272245,caoys.alaertsgj,influenceofreactortypeandshearstressonaerobicbiofilmmorphology,populationandkineticsj.waterres,1995,29(1):107一ll8,国家环境保护总局.水和废水监测分析方法(第4版)m.北京:中国环境科学出版社,200