（环境工程专业论文）生物接触氧化工艺生物膜特性的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 镇江城市污水采用雨污合流收集方式，为了削减排放口的合流雨 污水对内江的污染，在大东沟开展污染控制及生态修复示范研究，污 染控制工艺主要采用接触氧化方法。生物接触氧化法的净化机理表明 溶解性物质的去除与生物膜密切相关，结合国家“十五”重大科技专 项，主要对不同填料、培养方式、温度、p h 值、不同营养配比下生物 膜量、生物膜耗氧率、生物膜多聚糖、生物膜活菌数、沉降性能及生 物相等生物膜特性进行了研究，为采用接触氧化工艺的可行性提供依 据。 研究结果表明：弹性立体填料性能优良，其特殊的材质和良好的 布水布气功能，使生物膜保持良好的活性和空隙可变性，而且能在运 行过程中获得愈来愈大的比表面积，其反冲洗效果好，能够延长填料 的使用寿命，降低处理费用；在温度高于2 0 时，自然挂膜的效果较 接种挂膜好，低温时接种挂膜成功的时间较短；接触氧化工艺抗冲击 能力较强，p h 为4 一1 0 时，出水p h 值大约在6 3 。8 左右，微生物在中性或 碱性的环境中生长繁殖良好，生物膜具有较好的活性，大约为0 0 0 8 5 m 9 0 2 ( m g m l v s s m ；温度为2 5 c 左右和1 7 ( 2 左右时，生物膜综合性能 最好，其处理效率，生物膜活性，生物膜沉降性能，生物膜含磷量都 较好；c - n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 时，生物膜多聚糖含量较高，为0 3 2 4 7g g m l s s ， 且生物膜量和生物膜厚度适中，溶解氧和营养物质能够充分到达生物 膜深处，从而能够有效去除水体中有机污染物，在c ：n ：p = 2 0 0 ：5 ： 2 ，生物膜整体状态也较好，但是生物膜总量过高；同时建立了一个以 传质与反应理论为基础的模型，则生物接触氧化反应系统降解有机物 江苏大学硕士学位论文 的反应动力学的公式为一一f ，。矿a - s m 一研t 工，军h p j ，矿a ，经灵敏 度分析得知最大比增长率砌、饱和速率常数k 娜、生物膜表面积、附 着生物量、生物膜厚k 对出水c o d 。的影响较大，其灵敏度都大于1 ， k 为5 3 5 。 关键词：接触氧化，生物膜特性，影响因素，生物膜活性 江苏大学硕士学位论文 m u n i c i p a ls e w a g eo fz l a e n j i a n gc i t ya d o p t st h ec o l l e c t i o nm o d e o fr a i n w a t e r , f o rr e d u c i n gt h ep o l l u t i o no fi n n e rr j _ v e lt h ep r o j e c tt e a m c a r r i e do n p o l l u t i o nc o n t r o la n ds t u d i e so ne c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni nd a d o n g g o u t h e t e c h n o l o g yo fp o l l u t i o nc o n t r o lm a i na d o p t sb i o l o g i c a lc o n t a c to r j d a t i o n t e c h n o l o g y t h em e c h a n i s mf o rt h ep u r i f i c a t i o no ft h eb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o nt e c h n o l o g ys h o w st h a tt h er e m o v a lo fs o l u b i l i t ys u b s t a n c eh a s r e l a t i o nt ot h eb i o f a l m , f l ot h ep a p e rc o m b i n e d t h et e n t hf i v ey e a r s p l a n ”， s t u d i e dt h eb i o f i l mc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tb i o f i l mm a s s ，b i o f i l mo x y g e n c o n s u m p t i o n 船t e ，p o l y s a c e h a r i d e ，b a c t e r i u mc o u n t , s e t t l e a b i l i t y a n d b i o f a e i e se r eu n d e rd i f f e r e n tc a r i i e r s ，c u l t u r em o d e ，t e m p e r a t u r e ，p r ia n d n u t r i t i o np r o p o r t i o nm a i n l y , f o fa d o p t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n t e e l m o l o g yp r o v i d e sf e a s i b i l i t yg i s t t h em a i nc o n c l u s i o na sf o l l o w e d ：t h ec u b i cc a i l r i c l p e r f o r m sf i n e ，i t s s p e c i a lm a t e r i a la n dg o o d f t m e t i o no fw a t e ra n dg a sd i s t r i b u t i o nm a k e st h e b i o t t mh o l d i n gf a v o r a b l ea c t i v i t ya n dv a r i a b i l i t yo fl a c u n a ，g e t sm o t ea n d i l l o l l 。s p e c i f i c s u r f a c ea r e ad u r i n gt h eo p e r a t i o np e r i o d , a n di t sb a c k f l u s h i n ge f f e c ti sf i n e , t h es e r v i c el i f eo fp a d d i n g c a l lb ep r o l o n g e da n dt h e d i s p o s a lc o s tc a nb er e d u c e d ；w h e nt h et e m p e r a t u r ew i l l sh i g h e rt h a n2 0 c ， t h ee f f e c to fh a n g i n gm e m b r a n en a t u r a l l yw a sb e t t e rt h a nt h ee f f e c to f v a c c i n a t i o nh a n g i n gm e m b r a n e ；w h e nt h et e m p e r a t u r ew a sl o w , t h et i m eo f v a c c i n a t i o nh a n g i n gm e m b r a n es u c c e e d e dw a ss h o r t ；t h eb i o l o g i e a tc o n t a c t o x i d a t i o nt e e l m o l o g yh a sr e l a t i v e l ys t r o n ga n t i - s h o c ka b i l i t y , w h e nt h ep h w a s4 1 0 t h ee f f l u e n tp r iw i l t sa b o u t6 3 ，8 t h em i c r o o r g a n i s md e v e l o p e s w e l li nn e u t e ro ra l k a l i n ec o n d i t i o n ，t h eb i o f i l mh a sg o o da c t i v i t y , t h ev a l u e w a sa b o u t0 0 0 8 5m 9 0 2 ( m g m l v s s h ) ；w h e nt h et e m p e r a t u r ew c r e 2 5 * c a n d1 7 t h ec o m b i n a t i o np r o p e r t yo ft h eb i o f i l mw a sv e r yg o o d a l t h o u g hw l a c nt h et e m p e r a t u r ew a sh i g h t h er e m o v a le f f i c i e n c y 瑾峙g o o d ； w h e nt h ec ：n ：pw a s1 0 0 ：5 ：1 t h ec o n t e n to fb i o f i l mp o l y s a c e h a r i d e sw a s h i 江苏大学项士学位论文 h i g h , t h ev a l u ew a sa b o u t0 3 2 4 7g g m l s s ，w h e nt h ec ：n ：pw a s2 0 0 ：5 ：2 ， t h ec o m b i n a t i o np r o p e r t yo ft h eb i o f i l mw a s g o o dt o o ，b u tt h eb i o f i l mm a s s i sh i g h ；b a s i n go nm a s st r a n s f e ra n dr e a c t i o nt h c o r e t i c sb u i l d e dam o d e l s 自。s m f j f 专一s m 一硼t l f p q p | i aw a st h e e x p r e s s i o no fr e a c t i o n k i n e t i c s t h er e s u l t so fs e n s i t i i t va n a l y s i ss h o w e dt h a tm a x i m u m s p e c i f i c g r o w t hr a t e n ，k s w ，b i o f i l ms u r f a c ea r e a ，b i o f i l mm a s s ，b i o f i l mt h i c k n e s s l fh a db i gi m p a c to nt h ee f f l u e n tc o d 口, t h ev a l u eo fs e n s i t i v i t yw e r e g r e a t e rt h a n1 ，w a s5 3 5 k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nt e c h n o l o g y , b i o f i l mc h a r a c t e r i s t i c , i n f l u e n c i n gf a c t o r , b i o f f l ma c t i v i t y i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属丁 保密口，在年解密后适用本授权书。 卜保密函。 学位论姚昔签名：辛阻穆 q c 噼6 月i 怕 指导教师签名 0 阀年6 日 i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：鸯诲移 日期： q f 呷年f 月7 c 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 镇江城市污水采用雨污合流收集方式，污水截流泵站只能收集降雨前期一段 时间的雨水，当雨量较大，时间较长时则会出现雨污合流污水溢流的情况。镇江 水环境项目第三分项大东沟段内有两个污染排放口，即江滨泵站溢流排放口和大 东沟雨污排放口，设置的排放溢流泵站排放能力为1 0 o m 3 s ，通过研究区域内径流 污染特征的调查和分析，雨污合流溢流污水浓度接近典型生活污水且含有大量的 固体颗粒污染物，直接排放到内江，导致基底的淤积日益增加，这是内江大东沟一 北固山段水质恶化和周边芦苇等生长受到抑制的重要原因。 图1 - 1 采样点位置分布图 f i g 1 - 1s a m p l i n gp 0 m tl o c a t i o nd i s t r i b u t i o nm a p 从全年的各时期的水质监测数据来看，l 号点( 大东沟排污点) 、7 号点( 靠近 大东沟排污口) 、6 号点( 江滨泵站溢流口) 水质很差，尤其是l 号点水质部分指 标超过国家v 类标准数倍，有的达到1 0 倍以上，这些点的排放口是污染研究区域 水质的主要污染源。 因此，分项提议在大东沟开展污染控制及生态修复示范的研究，削减排放口的 江苏大学硕士学位论文 合流雨污水对内江的污染，控制工艺为生态丛一沉淀池一天然湿地系统，如图1 2 。 磊褊孵灞獭獬簇獭隅蝌 r 一“一。一8 内江 图l - 2 污染控制：f 艺流程图 f i g 1 - 2 p o l l u t i o nc o n t r o lf l o wc h a r t 污染控制工艺主要采用接触氧化方法，生物接触氧化法的净化机理表明溶解性物 质的去除与生物膜的构造、厚度、有机质、溶氧在膜内扩散速度及生物化学的反应速 度有关，因此生物接触氧化池对污染物的降解主要依赖于生物膜 ”。已有的研究和产 业表明，接触氧化对废水中有机污染物的降解效率还远没有达到理想水平。 但迄今为止，生物膜还是一个“黑匣子”，人们对生物膜特性的认识还很粗浅， 阻碍了生物膜技术应用于废水的产业化进程，而以往的研究主要集中在净化效果 的考察上【2 一l 。本课题通过考察不同环境影响因素下生物膜特性的研究，为采用接 触氧化工艺的可行性提供依据，同时为以后的设计研究提供依据，提高接触氧化 工艺的处理效果。 1 2 生物接触氧化法的研究进展 生物接触氧化工艺( b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n ) 是在生物滤池的基础上，从 接触曝气法改良演化而来的，因此有人称其为“淹没式滤池法”、“接触曝气法” 等1 4 1 。已在国内外中小型污水处理厂得到了广泛的应用。早在十九世纪末韦林 ( w a r i n g ) 、迪特( d i t t e r ) 等人就试验研究了接触氧化法处理污水，1 9 1 2 年克洛斯( c i o s s ) 在德国获得了专利，但其发展成为正规的污水处理法，还是分别在德国、美国、 日本等国的实际应用之后。二十世纪七十年代，日本的小岛贞南采用了“管式接 触氧化法”，在填料和供氧方式上有了很大的改进，使得接触氧化法获得新的生命 力，得以迅速发展。随后，国外又不断地研制与开发各种技术性能良好的接触填 料和氧化池形式，逐渐扩大了生物接触氧化法的应用范围，使其得到了较为迅速 地发展。近几十年来，国外的生物接触氧化法不仅用于水体富营养化的治理，而 且广泛用于生活污水、杂排水、印染废水、染色废水、纤维加工废水和酿造等工 2 江苏大学硕士学位论文 业废水的处理。在国内，1 9 7 5 年由北京环境保护科学研究所的郑元景和邬扬善等 人首先进行了生物接触氧化法处理城市污水的试验研究，取得良好效果；1 9 7 8 年 生物接触氧化法就以它的高效而闻名全国，由于其管理方便在工业废水处理中获 得广泛应用。国内的接触氧化技术的发展主要表现在以下几个方面：应用领域的 拓宽，如在生活污水、纺织印染、粘胶纤维、造纸、石油化工、食品加工与酿造 等工业废水的处理中应用；接触填料的研究和开发；围绕着提高氧的转移率、节 省动力、防止堵塞短路和降低造价等方面研制新曝气充氧设备；接触氧化池的创 新，引入废水厌氧处理原理，发展生物接触氧化技术处理系统【2 j 4 1 。 目前我国迫切需要一批能满足排放要求、处理效果好、运行和基建费用低的 污水处理技术，生物接触氧化法作为能耗低、效率高、投资省、易上马的处理工 艺，处理中小规模城镇污水是较为经济实用的【2 “7 1 。 1 3 生物膜的形成 1 3 1 微生物在载体表面的固定 生物膜在载体表面形成的关键一步是微生物在载体表面的附着，其将直接影 响到生物膜的生物生理功效以及生物膜反应器的启动运行周期。细菌在载体表面 附着、固定过程可以划分为以下几个步骤【8 矗9 1 0 l ： ( 1 ) 微生物向载体表面的运送 细菌从液相向载体表面的运送主要是通过两种方式完成的：主动运送，细菌 借助于水力动力学及各种扩散力向载体表面迁移；被动运送，由布朗运动、细菌 自身运动、沉降作用等完成。 ( 2 ) 可逆附着 微生物在载体表面的可逆附着实际上反映的是一个附着与脱析的双向动态过 程。水力动力学、布朗运动或者是细菌自身的运动都可能使已附着在载体表面的 细菌重新返回悬浮液相中去。微生物的可逆附着取决于微生物与载体表面问力的 作用强度【1 2 9 1 。 ( 3 ) 不可逆附着过程 不可逆附着过程通常是由于微生物分泌一些粘性代谢物质所造成的，这些体 外多聚糖类物质起到了生物“胶水”的作用，不易被中等水力剪切力冲刷掉。在 3 江苏大学硕士学位论文 实际运行中，如能够保证细菌与载体有充分的接触时间，就会发生不可逆附着固 定。可逆与不可逆附着的区别就在于是否有生物聚合物参与细菌与载体表面问的 相互作用。不可逆附着是形成生物膜群落的基础，经过不可逆附着过程后，微生 物在载体表面获得一个相对稳定的生存环境，它将利用周围环境所提供的养分进 一步增长繁殖，逐渐形成成熟的生物膜。 1 3 2 生物膜的形成过程 微生物在经过不可逆的附着过程后，固着在载体表面的微生物开始通过代谢 环境所提供的底物进行繁殖、增长，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，称之为生物膜。主要由以下6 个阶段组成【5 r s 1 3 , 埔1 0 , 1 5 1 ： 潜伏期( 载体表面逐渐形成小的，分散的微生物菌落) 、对数期( 动力学增长期， 在潜伏期形成的分散菌落开始迅速增长) 、线性增长阶段( 生物膜在载体表面以恒 速率增加) 、减速增长期( 生物膜增长率逐渐放慢，是生物膜质量和膜厚达到稳定 时的过渡期) 、生物膜稳定期( 生物膜新生细胞与由于各种物理力所造成的生物膜 损失达到平衡，生物膜相及液相均达到稳定状态) 、脱落期。 ： 圆 l! 蝇 ! 一一卜。“ i 、国量 ，_ 图圄 ： 、翻_m l 罗 j 一 ；l 、 、 l； 、 尹：一一一一一一 一一一 一- 一 昂 、 ，一 j ： j 、丘一一一一l 一一i 一一一 咖 蕾雌腿!| 束久性，也 嗍 生曩增匠飘li 1 龇j i i 鼍：! 艇一 濑 掌靠 图1 - 3 生物膜增长过程及底物去除 f i g a - 3b i o f i l m 毋啪p r o c e s sa n ds u b s t t a t er e m o v a l 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 生物膜脱落的机理 生物膜的脱落将直接影响到生物膜的形态、稳定性以及转化效率。生物膜的 脱落是指细胞产物从已存在的生物膜上脱落进入液相，通常包括4 种不同的过程【1 6 1 l ：被捕食、蜕落、冲蚀和磨损。被捕食通常指的是生物膜外表面的细菌被原生动 物吞噬。蜕落指的是指较大块的生物膜的间歇性脱落，是一个随机过程：冲蚀是 单个细胞或者小群细胞从生物膜表面连续的脱落，它是由流体与生物膜表面接触 产生的剪切力引起的；磨损类似于冲蚀，但它是由颗粒相互碰撞引起的，冲蚀与 磨损发生在生物膜的整个表面。在生物膜反应器中，生物膜脱落是各种过程共同 作用的结果，如流体流动的动力学特征、载体特性、生物膜的生长及特性等。生 物膜脱落是液体剪切力与生物膜强度共同影响的结梨墙一3 l ，生物膜内的传质、细 胞的生长代谢、胞外多聚物的产生、基因特性及生物膜结构都对生物膜的脱落有 影响【埘。 对于生物膜生长的影响，在动态条件下，脱落率随生长率的提高而提高，生长 快速的生物膜似乎更加脆弱，因而更易脱落。在稳定条件下，生物膜脱落与生长 达到平衡，取决于基质负荷率。生物膜表面负荷率和剪切应力的比率决定了生物 膜的结构，在适当的平衡情况下，可得到光滑致密的生物膜。在高表面负荷和低 剪切应力时，生物膜变得粗糙、内部多孔且富有生长发育不均衡的丝状菌，生物 膜易发生脱落且易被冲洗出反应器闭以1 1 。当营养物质缺乏和营养水平高时，细胞 会脱落【1 s 臻2 3 1 ，反应器底部构造对实验规模反应器中生物膜的脱落有较大的影响， 而对大规模反应器而言，其影响不显著【2 1 1 。 生物膜的脱落对于去除冗余的生物膜，维持生物膜的最佳厚度，提高生物膜 的活性和转化率以及缩短反应器的启动周期都有重要的意义。 1 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【5 m 弘1 5 】。 1 4 1 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。 5 江苏大学硕士学位论文 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 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。 1 4 2 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。 1 4 3 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。 1 4 4 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。 1 4 5 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 6 江苏大学硕士学位论文 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e l 阿托氏茵 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可以起 到指标生物的作用，由此可以检查、判断生物膜反应器的运转情况及污水处理效 果。 1 5 生物膜的特性参数 衡量生物膜对有机物降解效率的特性参数有：挥发性生物膜量、生物膜厚度、 脱氢酶活性、生物膜耗氧率、生物膜总蛋白质、生物膜多聚糖、生物膜内微生物 的种群分布等指标 2 5 孙5 】。 1 5 1 挥发性生物膜量( 活性生物膜) 在利用生物膜对水质进行净化的过程中，真正起作用的并不是所观察到的生 物膜总量，而只是其中具有较强生物活性的生物量部分。生物膜中的活性物质在 生物膜总量中占的比例很小，但正是这些活性物质担负着所有生化反应进行的任 务。在生物膜研究中，生物膜的干重反映的是生物膜的总重量，可挥发性生物膜 量反映了活性生物膜量的信息。一般采用5 5 0 1 2 马福炉灼烧的方法测定可挥发性 生物膜量。此外，生物膜活性的测定也常采用a t i ) 法、t r c 法、d n a 法、总蛋白 质法以及耗氧率( o u r ) w 方法。 i 5 2 生物膜厚度 生物膜厚度是研究生物膜增长动力学、底物去除动力学以及了解生物膜形态 的实验基础。生物膜的厚度决定了反应器中微生物的浓度，因此，生物膜厚度是 联系流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数1 1 1 】。生物膜厚的测定采用直 接显微法、微米计阻力法、微米计电导法、膜侧线法、间接计算法等方法唧。 1 5 3 脱氢酶活性 微生物脱氢酶活性直接与微生物对底物的代谢水平相关，是用来描述生物膜 活性变化的重要参数。采用”旧一脱氢酶活性测定法测定，通过相关数据的回归分 7 江苏大学硕士学位论文 析表明，脱氢酶活性与底物去除负荷之间具有良好的相关性。 1 5 4 生物膜多聚糖 多聚糖( p o l y s a c c h a r i d e s ) 是细胞增长过程中的一种代谢物质，特别是细胞外 多聚糖( e 】【一p o l y s a e c h a r i d e s ) 在细胞固定以及形成生物膜过程中起着重要作用，这 些体外多聚糖类物质起到了胶水的作用，使附着的细菌不易被水利剪切力冲刷掉， 而这是形成生物群落的基础。此外多聚糖在细胞的分泌、积累与细胞活性及数量 有关i s 2 5 , 2 8 l 1 5 5 生物膜耗氧率 在有机物的好氧降解过程中，氧是微生物代谢的最终电子受体，耗氧率直接 反映了微生物的代谢速率嗍。因此，耗氧率是衡量好氧生态丛生物膜特性和研究 生态丛动力学的重要参数，一般采用瓦勃氏呼吸仪测定。 1 5 6 生物膜总蛋白质 蛋白质是生命体细胞的重要组成部分。它不仅反映了构成生物膜的微生物总 量，更重要的是它直接反映了生物膜的活性系数闭。采用常规蛋白质分析法测定。 1 5 7 生物膜内微生物种群分布状况 生物膜内微生物种群菌相的构成决定了反应器对有机物的降解效率，是反映 生物膜特性的最重要的指标。目前主要采用扫描电镜及显微照相的方法进行分析。 1 6 净化机理 生物膜主要由细菌、真菌、菌胶团、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉 眼可以看见的蠕虫、昆虫的幼虫等组成，这些生物种类以食物链的形式相互制约， 相互影响，形成一个有机的，动态的生物群落。接触氧化工艺中生物膜的结构与 物质代谢如图l - 4 所示【2 矗1 5 l 。 在反应器中，污染物、溶解氧及各种必需营养物，首先要经过液相扩散到生 物膜表面，进而到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机 会被生物膜微生物所分解与转化，最终形成各种代谢产物( c 0 2 、水等1 。在生物 膜的最外层形成以好氧微生物为主体的好氧生物膜层，而在生物膜的深处由扩散 8 江苏大擘硕士学位论文 作用限制了溶解氧的渗透，形成厌氧区。由于厌氧菌的作用，硫化氢、氨和有机 酸等物质容易积累。但如果供氧充分，厌氧层的厚度会被压缩至一限度，形成的 有机物在异氧菌的代谢下转化为c 0 2 和水，而氨及硫化氢在白养菌的作用下被氧化 为各种稳定盐类，使整个生物膜反应器保持活性。以化学方程式表示如下： 旺日，啪栅，+ 玎喵一j z 一鹕登n o ：) n + n ( x - 5 ) c 0 2 + ( = x y 一4 ) h 2 0 - t - a 1 1 而微生物同时以其一部分进行内呼吸而氧化之： ( c 5 h 7 n 0 2 ) n + 5 n 0 2 5 n c 0 2 + 2 n h 2 0 + n n h 3 一a l l( 1 2 ) 有钒衔 曩 = 氧化袋 凳概糖 舞桃酸镓 图1 _ 4 生物膜结构图 f i g 1 - 4 b i o f i l ms t r u c t u r ed i s g r a m 蠢 图1 - 5 生物膜去除底物过程图 f 噜1 - 5 b i o f i mr e m o v a ls u b s r a c tp r o c e s sd i a g r a m 在生物膜反应器中，由于微生物被固着在载体上，因此微生物的生长与污水 9 江苏大学硕士学位论文 的水力停留时间没有直接的关系，增殖速度慢的微生物也能够生长繁殖。因此生 物膜上的微生物在种属上是多种多样的，而且可以形成稳定的生态系统。图i 5 为 生物膜净化机理的图解模型。 1 7 影响生物接触氧化处理效果的因素 生物接触氧化是利用附着在载体填料上的生物膜新陈代谢的作用达到降解的 目的，因此影响生物菌群正常生长的因素便是影响生物接触法处理效果的因素。 最主要的影响因素有：进水底物浓度、营养物质、生物膜周围的水力剪切力、水 温、填料、停留时间、溶解氧、p h 值、抑制及毒性作用1 2 矗& 3 0 1 。 1 7 1 水温 温度t 对生物膜反应器的影响是多方面的，温度改变，参与净化的微生物的种 属与活性，以及生化反应速率都将随之变化。生化处理温度以2 0 一3 0 c 最佳， 1 5 - 3 5 可行，低于8 出水水质变差。另外，温度对反应器的启动也很重要， 在低于1 5 的水温时微生物生长繁殖缓慢，难以形成生物膜，尤其是当水温低于 1 0 ，由于蛋白质合成的启动受阻，微生物即不生长也不死亡，代谢极弱，处于 休眠状态1 3 ，且在反应器中，气体转移速率也将随温度的变化而变化。由此可见， 温度是影响生物膜反应器处理效果的关键因素之一1 3 习。 1 7 2 进水底物浓度 由于污水中的有机物组分是生物膜微生物食物与能量的主要来源，因此污水 流量及其有机物的含量就是影响反应器性能的重要因素之一。污水中有机物浓度 长时间或短时间的变化均可导致微生物生长形式的改变，必然会影响到反应器的 处理效率以及剩余污泥的产量。导致污水流量、浓度及组成改变的原因主要有季 节性变化、工业废水的冲击负荷、污泥处理回流水及渗滤水等。 1 7 3 营养物质 生物膜微生物的新陈代谢过程需不断地从外界环境中汲取营养物质并获得能 量以合成新的细胞物质。因此，生物膜微生物赖以生长环境中所含营养物质的多 少及其相互之间的比例就决定了微生物细胞的合成、生长及繁殖，也就影响到反 应器的处理效能。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 7 4 生物膜周围的水力剪切力 不同的水流速度将产生不同的水力剪切作用，而水力剪切力的强弱决定了反 应器启动所需要的时间和运行期问所固定的微生物数量瞄3 3 1 。在基质浓度不至于 使微生物的生长受到限制的情况下，液相中流体扰动程度的增加将使生物膜的密 度增加闭。实验表明，表观气速对微生物的固定有很大影响，高气速会导致生成 薄而致密的生物膜，但是对提高c o d 去除率没有多大影响【3 3 3 4 1 。 1 7 5 停留时间 停留时间直接影响着生物接触氧化的处理效果，同时也决定了建设和投资规 模。水处理过程中生物作用需要一定时间保证，停留时间越长，水处理效果越好， 但投资规模越大，合理的经济性和适当的停留时间需要兼顾。停留时间在微观上 影响了水体的流态，决定了生物膜厚度，污染物在水体中，水体与生物膜之间， 生物膜内部传质作用。停留时间缩短，填料之间的紊流剪切作用增强，有利于增 强生物膜的活性，提高传质效率，但停留时问应该控制在一定的限度以内，以免 造成水体中的污染物与填料上生物膜接触时间过短，水处理效果降低，甚至由于 水力冲刷作用过强，造成生物膜的流失。在给水生物接触氧化处理中，选择1 o 一1 5 h 作为有效停留时间较为经济合理嗍。 1 7 6 溶解氧 溶解氧值是生物接触氧化工艺的一个重要控制参数。在实际运行中，溶解氧 不足时，生物膜的新陈代谢作用会受到抑制，这时生物膜将恶化变质，发黑发臭， 处理水水质显著下降。但是气水比上升，动力消耗将增加，运行费用也会随之提 高。选择合理的溶解氧值标准，既要保证水处理效果的稳定性，同时兼顾经济的 合理性。通常情况下，给水水源水质中，溶解氧值维持在4 m g l 以e 较为经济合理， 同时又能保证良好的水处理效果。 1 7 7o h 微生物的生长、繁殖等生命活动与p h 值有着重要关系，对好氧微生物而言， p r 值在6 5 - 8 5 之间较为适宜。一般细菌、放线菌、藻类和原生动物的p h t f f 适应范 围是在4 - 1 0 之间，但在p h = 6 5 8 5 的中性或碱性的环境中则生长与繁殖最好，p h 1 1 江苏大学硕士学位论文 值低于4 5 时真菌将完全占优势。因此应使微生物在其最适p h 值范围的环境下生长 与繁殖，使生物膜反应器正常运转。 1 7 8 抑制及毒性作用 在生物膜反应器中，抑制及毒性作用主要由于污水中含有过量的复杂有机化 合物、重金属、无机盐、杀虫剂、氨和消毒剂。微生物失活，会发生生物膜大量 脱落现象，c o d 去除率将会随之降低。 毒性物质对微生物的抑制与毒性作用主要表现在以下几个方面：直接杀死微 生物使细胞壁变性或分裂；使酶变性和失活，汞和铜等重金属离子能与酶及其它 代谢产物形成络合物，某些具有杀菌作用的物质阻碍微生物的能量代谢、核酸的 代谢及蛋白质的合成，某些化学物质可能与酶的活性基结合进而阻碍中间产物的 形成或阻碍中间产物的进一步分解，化学结构与代谢物质类似的有机物“竞争” 酶的活性中心，与酶相结合等等，从而抑制中间产物的形成。使酶的催化反应速 度降低。尽管生物膜微生物具有再被驯化和慢慢适应的能力，但如果高毒物持续 较长时间，使毒性物质完全穿透过生物膜，生物膜的性能必然会受到较大的影响。 1 7 9 填料 填料是微生物赖以栖息的场所，影响微生物的生长、繁殖、脱落和形态。填 料不仅与去除效果有关，而且与氧化池的工程造价、运行费用等密切相关，价格 高昂的填料将增加工程投资闻。生物膜载体的选择应遵循以下所述原因：口8 1 ( 1 ) 机械强度，物理形态 载体须具有一定的机械强度，否则在运行过程中必会引起不同程度的破损而 丧失功能，这使得反应器中的生物量呈不规律变化，导致出水水质的变化。载体 的空间体积主要指载体大小，生物膜载体的大小是由研究目的及反应器的种类确 定。载体的空间体积越大，其所具有的比表面积越小。 目前常用的载体形状主要有球状、颗粒状、管状、圆柱状、平板式、长方以 及软性载体。选择时应考虑以下几个方面：表面积尽可能大，传质特性较好，载 体间的碰撞几率小，运行能耗低，减少堵塞及便于反冲洗。 ( 2 ) 对生物膜活性的影响 微生物生存的介质是由各种化学成分组成的，生物膜在代谢过程中会产生各 江苏大学硕士学位论文 种代谢产物，其中某些代谢产物会对载体产生腐蚀作用。 载体应具有一定的生物化学稳定性即：抗生物膜微生物和抗环境对载体的腐 蚀；载体具有惰性，不参与生物膜的生物化学反应；载体本身不可生物降解：载 体本身必须对固定微生物、人类机体无害、无抑制性作用。应避免使用金属及易 生物降解材料做为微生物固定的载体。 ( 3 ) 亲疏水性及表面电性 根据物理化学中体系自由能最小原则，亲水性微生物易于在亲水性载体表面 附着、固定，而疏水性载体有利于疏水性微生物的固定。微生物一般带有负电荷， 为了利用静电吸引力促进微生物的固定，载体表面若带有正电性将是有利于生物 固定过程的进行。载体表面亲疏水性及电性是可以通过对载体表面的改性完成的， 或直接在载体材料加工过程中得以实现的。 ( 4 ) 孔隙度及表面粗糙度 生物膜载体表面的孔隙度及表面粗糙度增加了载体与微生物接触的有效面 积，可以使固定的微生物免受过强水力剪切的作用，减缓由于载体间的碰撞所造 成的固定微生物失落速度，有利于传质效率的提高，直接影响到生物膜形成、发 展及稳定过程。 ( 5 ) 比重 载体的比重对于悬浮载体生物膜系统的运行是个必须考虑的因素。载体比 重过大，造成载体悬浮困难或能耗过高；比重过小，难以维持载体在反应器中的 一定的流态。 ( 6 ) 可再用性和价格 从经济角度讲载体应具有可再用性，这在大规模工业中具有重要性。从工程 角度讲，应避免选用一次性材料作为污水生物处理技术中的载体。同时要考虑到 价格因素。在载体的性能及价格间做出优化选择，要兼顾两者。在不影响设计或 研究目标时，一般选用廉价载体。 1 8 研究目的和研究内容 1 8 研究目的 在大东沟排放口采用接触氧化进行处理，削减雨污水对内江的污染。对不同 江苏大学硕士学位论文 环境影响因素下生物膜特性进行研究，提高接触氧化处理效果，为采用接触氧化 工艺的可行性和以后的设计研究提供依据。 1 8 2 研究内容 不同填料、培养方式、温度、营养配比、p h 值下的生物膜特性 生物接触氧化工艺处理污水的动力学 1 4 江苏大学硕士学位论文 第二章试验材料和方法 2 1 试验装置 试验装置及流程图如图2 _ l 所示，试验反应器主体为有机玻璃柱( 4 l ) 。采用 连续运行的方式。 i 1 。么厨 r 避承绽心 ln 。 吐 i卜 l l k 翅剿 - - - n 出承叫 岫 信甫 l | 萼 、 2 2 试验材料 图二1 试验装置 f x g 2 - 1 t h ee x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o n 生物接触氧化法的净化机理和影响因素分析均表明：填料是生物接触氧化法 处理工艺的一个非常重要的影响因子。接触氧化池填料的选用与氧化池的工程造 价、运行费用及处理效果密切相关，价格高昂的填料将增加工程的投资，影响接 触氧化池在经济上的优越性，而处理效果主要由生物膜量与膜的活性决定，并非 越昂贵的填料效果就越好1 2 一孤2 5 】。 试验选取弹性立体填料、组合式填料、多面空心球填料分别作为生物接触氧 化池的填料，三种填料的技术参别2 一一3 9 l 如下； 弹性立体填料筛选了聚烯烃类和聚酰胺中的几种耐腐、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， 江苏大学硕士学位论文 使丝条呈立体均匀排列辐射状态，制成了悬挂式弹性立体填料的单体，填料在有 效区域内能立体全方位均匀舒展满布，使气、水、生物膜得到充分的混渗、接触 交换，生物膜不仅能均匀的着床在每一根丝条上，保持良好的活性和空隙可变性， 而且能在运行过程中获得愈来愈大的比表面积，又能进行良好的新陈代谢，这一 特征和现象是国内目前其他填料不可比拟的【5 l 。技术参数见下表2 - 1 ，示意图见图 2 - 2 。 表2 - 1 弹性立体填料技术参数 t a b l e 2 - 1t h et e c h n i c a lm r a r n e t e ro f t h ec u b i cc a r r i e r 参数直径丝条直径 丝条密度 成品重量 比表面积 容积负荷 型八i m m ( 根岫k g m 3 叠m 3 池 k g c o d m 3 d t i ，1 5 01 5 00 4 0 - 53 0 0 0 - 4 0 0 0 3 m 4 09 0 - 1 1 01 6 - 2 0 组合纤维填料是由软性填料改型而成。由软性纤维束、高分子聚合塑料环片、 支撑套管、中心绳及二端绑扎绳组成。软性纤维束用穿孔的方式依次分布在塑料 环片的周边，故丝柬不会脱落。该填料具有传质效应好、氧利用率高，不堵塞、 耐冲击、处理稳定等优点，技术参数如下表2 - 2 ，示意图见图2 - 3 。 表2 - 2 组合式填料技术参数 z v - 1 5 0 - 8 07 51 5 08 0 1 5 0约5 5 52 0 0 0约3 5 约4 5 02 5 - 3) 5 表2 - 3 多面空心球技术参数 主圣童墨竺! 竺竺竺兰竺! 竺竺竺兰竺三竺竺兰竺竺竺 2 55 0 00 8 18 5 0 0 02 1 0 多面空心球是聚丙烯材质注射成形，球的中部沿整个周长有一道加固环，环 的上下各有十二片球瓣，形成多面空心球填料上下球瓣互相交错，沿中心轴呈放 射形布置。其气速高，叶片多，阻力小；比表面积大，可充分解决气液交换；具 江苏大学硕士学位论文 有阻力小操作弹性大等特点。技术参数如下表2 - 3 ，示意图见图2 4 。 图2 - 2 弹性立体填料示意图图2 - 3 组合填料示意图 f w , 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec u b i cc a t t