（环境工程专业论文）中空柱状pvc填料在城镇生活污水处理中的应用研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在曝气生物滤池废水处理工艺中，填料的性能及挂膜效果直接影响设备的 处理效率。目前，用作曝气生物滤池的载体比较常见的有如砂、焦炭、活性炭， 但它们的挂膜效果并不太理想。 本文选择了一种硬质发泡p v c 管作为曝气生物滤池的填料，此种p v c 的密 度接近于水。在曝气生物滤池内流化情况良好。论文重点研究了此种p v c 在曝 气生物滤池内的挂膜效果，并通过在不同水力停留时间( h r t ) 、p h 值、曝气量 和温度下，对p v c 载体曝气生物滤池在c o d 、氨氮、s s 和总磷( t p ) 去除效果的 影响。曝气生物滤池反应器的水力停留时间( h r t ) 对填料表面生物膜能否形成 及形成快慢有重要影响。在有效容积为5 5 0 l 的曝气生物滤池反应器内，h r t 为1 5 h 4 h 时，生物膜能够形成，挂膜成功需2 3 d ，h r t 过长或过短，对挂膜 都不利。 在挂膜成功之后，进行了处理城镇生活污水动态试验，结果表明，随着水 力停留时间的缩短( 从4 h 缩短到o 4 h ) ，反应器对c o d 、s s 的平均去除率总体 上都呈逐渐降低的趋势，但下降趋势不明显：水力停留时间( h r t ) 的缩短， 反应器对氨氮的去除效果陡降。水温在1 l 2 6 5 之间变化，对c o d 去除 效果影响较小；对s s 的去除效果仅有轻微影响；对氨氮的去除效果影响较大。 p h 值在5 5 7 8 之间变化，对c o d 、氨氮的去除效果影响较小。气水比在3 ： 1 1 0 ：1 之间变化，当气水比有3 ：l 增大到5 ：1 时，对c o d 、氨氮的去除效果 影响较大，但当气水比由5 ：l 增大至1 0 ：l 时，对c o d 、氨氮的去除效果影响 较小；气水比的变化对s s 的去除效果影响较小。 关键词：p v c 载体：生物填料；生物膜；去除率；曝气生物滤池 兰州理工大学硕士学位论文英义摘费 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft r e a t i n gw a s t e w a t e ru s i n gb i o l o g i e a la e r a t e d f i t t e r ( b a f ) ，b i o f i l mp a c k i n gi so fi m p o r t a n c e t h ep a c k i n gw i l le f f e c t t h er e s u l to ft r e a t m e n t c o n s i d e r i n gt h ek i n d so fp a c k i n g ，s a n d ，c o k ea n d a c t i v a t e d c a r b o ne t c ，a r eo f t e nu s e d i nf a c t ，t h e s ep a c k i n ga r en o tf it f o rb i o f i l mp a c k i n gi nt h eb i o l o g i c a la e r a t e df ii t e r ( b a f ) t h ep v cu s i n gf o rb i o f i l mp a c k i n gi nb i o l o g i c a la e r a t e df i i t e rwas s t u d i e di nt h i se x p e r i m e n t t h ed e n s i t yo ft h i sk i n do fp v ci sc i o s et o t h a to fw a t e ra n df i t f o rf l u i d i z a t i o ni nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r t h e f o r m a t i o no fb i o f i i mo nt h i sp v ca n d0 1 1t h ed i f f e r e n t c o n d i t i o no fh r t ，p h v a l u e ，g a sq u a n t i t ya n dt e m p e r a t u r e ，t h e s ea f f e c tt h er e m o v a lo f c o d ，n h 3 一n ，s sa n dt p m o s ti m p o r t a n t l y ，t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) w i l la f f e c tt h et i m eo ft h ep r o c e s so ft h ef o r m a t i o r o fb i o f i i m i nt h e b i o l o g i c a la e r a t e df i i t e rw i t h 5 5 0 lc u b a g e t h eb e s th r ti s1 5 h 4 0 h ，a n di ts p e n t2 3d a y s t h eb i o f i i mb e g a nt of o r m t h et o ol o n gh r t a n dt o os h o r th r ti sn o tg o o df o rt h ep r o c e s s a f t e rt h ef o r m a t i o no ft h eb i o f i i m f i n i s h e d ，t h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tw a ss t u d i e db yc h a n g i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r i ti sf o u n d t h a tt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nw a ss h o r t e r ( f r o m4 ht o0 4 h ) ，t h er e m o v a l o fc o da n ds sd e s c e n d e ds l o w l y ，b u td r o p p e dt r e n dw a sn o te v i d e n t ，a n d t h er e m o v a lo fn h 3 一nw a sd r o p p e ds h a r p l y w h e nt h et e m p e r a t u r ew a s c h a n g e df r o m1 1 t o2 6 5 t h er m o v a lo fc o dw a sa f f e c t e d u n c o n s p i c u o u s l y ，t h er e m o v a lo fs sw a sa f f e c t e ds l i g h t l ya n d t h er e m o v a l o fn h l 一nw a sa f f e c t e dg r e a t l y w h e nt h ep h v a l u ewasc h a n g e df r o m5 5 t o7 8 t h er e m o v a lo fc o da n dn h 3 - nw a sa f f e c t e dd i m i n u t i v e l y w h e nt h e c o n t r a s t i n gb e t w e e ng a sa n dw a t e rw a sc h a n g e df r o m3 ：i t o1 0 ：l 。t h e c h a n g i n gf r o m3 ：lt o5 ：1a f f e c t e dg r e a t l yt h er e m o v a lo fc o da n d n h 3 一n ，b u tt h ec h a n g i n gf r o m5 ：1 t o1 0 ：1a f f e c t e ds l i g h t l yo fc o da n d n h i n t h ec o n t r a s t i n go fg a sa n dw a t e rwasn o ta f f e c t e dt h er e m o v a l o fs s k e yw o r d s ：p v cc a r r i e r ：b i o f i i mp a c k i n g ：b i o f i i m ：r e m o v a lr a t i o ： b i c l l o g i c a la e r a t e df i i t e r ( b a f ) 兰州i 理工大学硕士学位论文 原创性声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了论文中特别加以标注的部分以外，论文中不包含其他人已经发表的论文或 研究成果r 也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位或证书而使用过的资料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 时间 关于学位论文使用授权说明 本文研究成果归兰州理工大学所有。本人了解兰州理工大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校 可根据国家或甘肃省有关部门规定送交学位论文。本人毕业后如果发表论文中的研究 内容，将署名兰州理工大学字样。 作者签名： 导师签名：时间 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 目前的水环境污染和现状 水是生命之源，随着入口的剧增和社会经济的飞速发展，水量需求的增长速度 急剧增加，加上人们生产生活中对水的浪费和污染，水资源已经成为当今人类面临 的最严峻的挑战之一。人类文明是依山产生、发展、繁荣起来的，水的重要意义在 于它是人类生存的必要因素，也是农业生产和运输业的必要源泉，没有水也就没有 了生命。 地球上可利用的水资源是有限的，地球的水资源总量为1 3 9 亿k m ，其中淡水 仅仅占总资源量的2 5 ，且淡水资源的7 7 以极地冰川和冰帽形式存在，可供人 类使用的淡水不到总量的1 ，但人口的增加和人类社会的不断发展，全世爨对水 的需求量几乎每2 0 年就翻一番。以色列的死海、前苏联的咸海均因水位的下降面 临着消失的危险；人们在使用水的同时，又在生产和生活中排放污染环境和水体的 污水，从而进一步加重水的缺乏，目前，全世界只有i 4 的人群饮用到合乎标准的 水，1 3 的人生活用水严重不达标。 中国是一个缺水的国家，淡水资源尽管总量相对丰富，每年可通过水循环更新 的地表水和地下水的多年平均水资源总量2 8 万亿立方米，但是按照1 9 9 7 年人口 统计，我国每年人均水资源量为2 2 0 0 立方米左右，仅仅为全世界人均占有量的3 0 ，居世界1 0 9 位，被联合国列为1 3 个贫水国之一。更为不利的是，中国水资源 的季节和区域分布不均匀，春夏季降水丰富，秋冬干旱，东南部水资源丰富，西北 全年相对干旱，缺水十分严重。近2 0 年来，中国经济持续l o 左右的高速发展， 城市化和工业化进程加快，全社会对水的需求量持续增加，1 9 9 7 年实际用水量为 5 5 6 6 亿立方米，中国可持续发展水资源战略研究综合报告中预测，我国用水高 峰期将在2 0 3 0 年左右出现，那时中国用水量可能达到7 0 0 0 8 0 0 0 亿立方米接近 可合理利用水资源的极限。目前，我国6 0 0 多个城市已经有3 0 0 多个城市缺水，l l o 多个城市严重缺水。与此同时，我国境内的主要河流、湖泊均已经受到不同程度的 污染，如松花江、辽河、海河、淮河、太湖、滇池等等，黄河除了污染严重外，还 出现了长时间的断流情况。人们过量开采地下水时，地下水资源也逐渐减少，有些 地方地下水也受到了污染。因此，世界已经进入了这样一个困境：一方面水的需求 量不断增加，同时因生产生活排放的污水量也增加；另一方面，地球上或一个区域 的水资源又是有限的，造成人类不同民族、不同国家和地区的人们在争夺水资源上 引发矛盾甚至战争。 就自然界而言，它是一个动态平衡体系，对各种物质的变化具有一定的调节能 力，经过一系列的连锁反应和相互作用，又会建立起新的平衡。水体也有这种能在 兰州理工大学硕士学位论文第一市绪论 一定程度下自我调节和降低污染物浓度的能力，通常称为水的自净能力。但是，进 入水体的外来杂质含量超过了这种自净能力时，水体水质就会恶化，对人类环境和 水的利用产生不良影响，即产生了水的污染。中华人民共和国水污染防治法中 对“水污染”的定义为：水体因某种物质的进入，导致其化学、物理、生物或者放 射性等方面的特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态平 衡，造成水质恶化的情况。水污染分为两类，分别是自然污染和人为污染。当前， 水环境污染主要来源是人为污染。 进入水体的污染物多种多样，概括为：( 1 ) 无机污染物，如重金属污染物、酸、 碱等：( 2 ) 有机污染物，如食品、啤酒、造纸以及生活废水等；( 3 ) 热污染。这些污染 物对水资源产生极其严重的污染，进而危害人类健康，比如，含钙、镁等易沉淀无 机物高的水容易使锅炉、热交换器结垢，形成局部受热不均匀，影响锅炉的使用寿 命以及工作效率，人喝了这样的水也容易得结石病。汞金属进入水体后也容易形成 甲基汞，甲基汞在人体富集到一定量就患上了著名的水喉病。水中有机物尤其是含 氮磷的有机物浓度高了后就会使水体富营养化，造成水体藻类大量繁殖，压缩鱼类 的生存空间，降低了鱼类生活必须的氧气，从而鱼类大量死亡。水体温度过高则会 导致水中溶解氧降低，某些有毒物的毒性提高，也会危害鱼类及水生生物的生长“1 。 1 2 生物膜法技术现状 人类在对付环境污染方面的历史不长，工业化革命以来，人们认识到环境污染 的危害，结合化学、微生物学、材料科学、流体力学等多学科知识，创立了现在的 环境科学和环境工程学科，在处理工业的生活废水上形成了一套成熟的理论。这些 已经应用的环境工程技术主要有物理法、化学法、物理化学法、生化法等，其中生 化法在处理含有机的工业和生活废水中应用最为广泛，技术也最为成熟。在污水生 物处理工艺的发展和应用中，活性污泥法和生物膜法一直占据主导地位。 1 2 1 生物膜法技术 活性污泥法是生化法处理废水中最早应用也是最具代表性的技术，在活性污泥 法污水处理中最大的问题是具有良好沉降性的活性污泥之维护管理问题。在绝大多 数的污水处理装置中，此种管理都消耗了大量的能量。尽管如此，活性污泥的膨胀 现象仍时有发生，污泥随水流出，导致处理水质的恶化。同时，由于生产的扩大和 城市化进程的加快，一方面人们对生活环境要求越来越高，另一方面因城市地皮紧 张，污水产生量随生产规模的扩大而扩大。另外，工业化过程不断产生新的难以处 理的有害物质，污水处理必须在抗毒害化方面取得进展。因此，社会需要效率高、 建设和运行费用低，尤其是容易对现有污水处理厂进行改造的技术，为了解决这些 问题，很久以来人们就试图把液体中浮游的污泥固定下来。固定载体有竹条、树枝、 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 塑料网、软填料、半软性填料等，其目的都是想创造出污水处理微生物良好的生存 环境。随着新型材料的开发和配套技术的不断完善，与活性污泥法平行发展起来的 生物膜工艺技术得以快速发展，既独立又几乎已经结合到污水处理的各种工艺中， 这是因为通过生物膜细胞固定技术相对于传统活性污泥法对比具有很多突出的特 点和优势”1 ，包括：有利于细胞分离；反应器中污泥浓度较高，处理效率高，耐冲 击负荷，对毒性物质和冲击负荷具有较强的抵抗力；体积小，便于运行管理，困扰 活性污泥法的污泥膨胀问题在此得以解决；可以维持较高的污泥龄，生物相相对稳 定；可以影响细胞形态、生理以及代谢等；可以封闭式运行，解决臭味问题等。 1 2 2 生物膜技术国内外研究应用进展 生物膜法的发展出现于2 0 世纪5 0 6 0 年代，是目前水处理领域较为活跃的研究 课题，在实际工程中应用较广，主要包括生物滤池、曝气生物滤池、生物转盘、接触 氧化法及流化床等。生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附废水中的有机物，而且 具有很强的氧化能力。生物膜利用有机物作为营养物质，在自身生长、繁殖的同时降 解了有机物。根据生物膜理论，膜表面常附着很薄的水层，由于有机物被生物膜氧化， 其浓度要比滤池进水中的有机物浓度低。因此，当废水从膜表面流过时，有机物就会 转移到膜表面的水层中，进一步被生物吸附降解：同时空气中的氧从废水进入生物膜， 促进微生物的新陈代谢和有机物的分解，达到污水净化的目的。 在2 0 世纪5 0 年代以前，生物膜法一直未被人们重视，其原因主要是因为生产 中最早采用的生物膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤池。碎石的比表面积小，能够 为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大， 加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。5 0 年代，由于塑料工业 的发展以及塑料填料引入生物膜处理系统，使生物膜法出现了许多具有重要意义的 发展。塑料重量轻，可以生产泡沫塑料或加工成蜂窝形状，比表面积较大。因此， 5 0 年代以后出现了许多新型的生物膜法设备。例如，塑料填料超速滴滤池、塑料盘 片生物转盘以及蜂窝填料接触氧化池等。2 0 世纪7 0 年代末，为强化生物膜反应器 中的传质，流化床系统被引入生物膜处理中，称为生物流化床。生物流化床兼有活 性污泥法和生物膜法的特点，因此有人将它称为半生物膜和半悬浮生长系统。 目前，生物膜法依然是废水生化处理技术研究的热点之一。一般来说，关于生 物膜技术的研究可分为两个方面，即( 1 ) 应用基础理论；( 2 ) 工艺应用( 新工艺、新载 体和新型反应器等) 。 1 2 3 生物膜技术应用基础理论研究 长期以来，由于对生物膜结构本身不太清楚，人们对生物膜的机理解释及数学 模型都是建立在简单的一维扩散、传质模型基础上。近年来，随着先进的实验、测 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 量仪器的应用，关于生物膜的结构，机理上有所突破。美国m o n t a n a 州立大学的生 物膜研究中心z l e w a n d o w s t i 0 1 等应用微电极技术( m i c r o e l e c t r o d e ) 、核磁共振仪 ( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 和聚焦激光显微仪( c o n f o c a ll a s e r m i c r o s c o p y ) 分析生物膜系统中的内部结构、生长动力学、水力学，他们的研究结 果表明：生物膜结构不是简单地由本体溶液( b u l k i n gs o l u t i o n ) 、生物膜及介质 层组成( s u b s t r s t u m ) ，而是一个内部充满水的网络型三维多孔性结构，空穴之间、 生物膜表面通过网络通道相联结，这种结构最基本的单元是细胞簇( b a c t e r i a l c l u s t e r ) 或者称为微群落( m i c r o c o l o n y ) 。因此，以前广为采用的一维扩散模式 有必要进行修正，该中心的p r s h a r p 等”3 研究了多孔性填料的生物膜及水力学、 质量传递对膜厚增长及结构的影响。荷兰d e l f 理工学院的m c mv a nl o o s d r e c h t 也 对生物膜的结构进行了研究“1 ，他们主要研究了反应器工况( 基质有机负荷和剪切 程度) 和微生物膜特性( 如生长速率、产率系数等) 的关系，结果表明：在b a f 气 升式生物膜反应器中，负荷率和剪切速率决定了生物膜的结构，当剪切相对较高时， 产生的是碎片式生物膜，而在较低剪切情况下，产生的则是不均匀的多孔性生物膜。 填料表面粗糙度对生物膜的生长影响很大，c sh a r e n d r a n a t h ”3 利用扫描电子显微 镜对各种生物填料表面结构进行了研究，通过电子显微镜揭示了填料的一些重要表 面特性如下：光滑度粗糙度，凹凸性，大小空穴以及其几何尺寸，形体大小及粒 径分配，微生物的附着性等。并对填料进行了分类； 光滑型，如聚丙烯粒、玻 璃粒、陶粒、粉末活性炭； 粗糙型，如砂、尼龙布等： 多孔型，如陶土、 粉末活性炭、海绵、聚胺脂泡沫塑料等。 1 2 4 生物膜法工艺应用研究 1 2 4 1 基本流程 生物膜法处理系统的基本流程，如图1 1 所示 q 图i - i 生物膜法基本流程 f i g 1 1 t h eb a s i cf l o wc h a r to fb i o f i l md r o c e s s 废水经初次沉淀池后进入生物膜反应器，废水在生物膜反应器中经需氧生物氧 化去除有机物后，再通过二次沉淀池出水。初次沉淀池的作用是防止生物膜反应嚣 受大块物质的堵塞，对孔隙小的填料是必要的，但对孔隙大的填料也可以省略。二 次沉淀池的作用是去除从填料上脱落入废水中的生物膜。 1 2 4 2 工艺应用研究 与应用基础理论相比，目前对生物膜工艺应用方面的研究进行得更为广泛。挪 威水技术研究中心h d e g a a r d 0 1 于1 9 9 4 年研究开发出了一种多翼圆柱形填料。陔填 料具有如下特点：( 1 ) 不堵塞，低水头损失：( 2 ) 大比表面积：( 3 ) 可悬浮水中，可应用 于好氧、厌氧工艺。产品制造原料为聚乙烯( p e ) ，他们应用浚填料专门开发了名 为m b b r 的生化反应器，并就该反应器运用于处理市政污水、牛奶生产废水、造纸 废水、马铃薯加工废水等各种情况进行了研究，其实验结果是：当有机负荷在 1 0 5 0 k g c o d m 3 d 时，m b b r 对溶解性c o d 的去除率在7 5 - 8 0 。法国l a z a r o v a 等。1 对几种目前比较先进的好氧生物膜工艺( 如荷兰a i r l i f t ，德国l i n p o r ，美国 r e x ，挪威m b b r ) 进行了全面分析，并从运行过程、反应器结构、能耗、应用领域 等方面进行了比较，得出的结论是：生物膜厚度和高效传质是决定生化反应器综合 性能的二个关键因素。美国弗吉尼亚州的污水处理厂采用c a p t o r 工艺进行改造， c a p t o r 工艺实质上是一种悬浮生物膜反应器，它采用网状生物填料使曝气池活性生 物浓度增加，m l s s 可达到6 0 0 0 1 2 0 0 0 m g l ，通过生物膜和活性污泥的协同作用， 在反应器内溶解性有机物降解、硝化和部分反硝化同时发生，曝气时间为2 5 - 5 o h 左右，泥龄3 0 5 0 d ，溶解性有机物去除率9 5 以上。德国的m r m o r p e r 等利用 名为l i n p o r c n 的好氧生物膜技术对老的活性污泥法城市污水厂进行改造， l i n p o r - c n 系统采用了一种多孔泡沫塑料作为生物膜载体。该工艺的基本原理也是 增加生物量( 污泥浓度) ，延长泥龄。通过投加2 2 的生物填料，m l s s 由3 8 0 0 m g l 升到5 8 0 0 m g l ，结果b o d 。去除率大于9 5 ，c o d 。，去除率大于8 5 ，t n 去除率大于 6 8 。 在国内，生物膜技术的发展主要体现在对国外新工艺吸收利用和填料的开发 上。目前应用的生物膜工艺主要有：生物滤池、生物接触氧化法、生物转盘、三相 生物流化床等。我国先后开发出了多种填料，如软性填料、半软性填料、弹性填料、 陶粒填料等。目前，弹性填料得到了广泛应用，尤其在工业废水处理和水资源预处 理( 硝化) 等领域。 1 _ 3 微生物在载体表面的固定机理 兰州理工大学硕士学位论文笫一章绪论 1 3 1 生物膜的微生物相 微生物细胞几乎能在水环境中的任何适宜载体表面牢固地附着，并在其上生长 和繁殖，由细胞内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维的结构，这种结构 就称为生物膜。由于好氧生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚物所组 成，因而生物膜通常具有孔状结构，并且有很强的暖附性能，结果我们所观察到的 生物膜通常还含有大量被吸附和镶嵌于内的溶质和无机颗粒。通过光学显微镜观察 “”，生物膜中的微生物形态迥异，种类繁多，归纳为病毒、细菌、真菌、藻类( 在 有光线情况下) ，原生动物和后生动物等。这些微生物有的细胞结构简单( 如原核 生物) ，有的细胞结构则复杂( 真核生物) ，病毒是非细胞结构。 细菌 细菌是微生物膜的主体，生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所 处的环境，如水中营养状况、附着生长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度环 境条件。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。 按照细菌的生存是否需要和有无氧气，异养菌可分为好氧异养菌、厌氧呼吸型 厌氧菌、厌氧异养菌、兼性厌氧菌四类。好氧异养菌只能在有氧气存在的条件下生 长，通过其呼吸作用分解复杂有机分子获得能量，并将电子通过一系列电子受体最 终传给氧气。厌氧呼吸型异养菌是在厌氧条件下用氧以外的物质作为电子受体，如 硝酸盐等，电子通过电子传递系统转移给硝酸盐并使硝酸赫还原成n ! 。厌氧异养菌 仅在没有氧的情况下生长，这些细菌从发酵反应中获取能量，使有机化合物部分分 解成低分子的化合物如乙醇、乳糖、乙酸等，并释放一些c o ：，与好氧相比，发酵 反应是反应不完全的。兼性厌氧菌既能在厌氧条件下进行发酵反应，又能在有氧的 条件下利用电子传递链将电子传给氧。 生物膜中常见的细菌有：球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱菌属、 甲单胞菌属、诺卡式菌属、色杆菌属、八叠球菌属、副大肠杆菌属、亚硝化单细胞 菌属和硝化杆菌属等m ，。 。真菌 真菌具有明显的细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形状，包括 单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。当污水中有机物的成分变化、负荷增加、湿度降 低、p h 值降低和溶解氧下降时，很容易滋生丝状菌。 生物膜中常出现丝状菌有：瘤胞属、灿烂微重真菌、红色浆霉、水镰刀霉、白 地霉、皮状丝细胞酵母等。 藻类 普通生物滤池表层滤料的生物膜中有藻类。由于出现了藻类的地方只限于生物 膜反应器表层很小的部分，因而对污水净化作用不是很大。生物膜中出现的藻类有： 兰州理工大学碗士学位论文第一章绪论 小球藻属、绿球藻属、席藻属、环丝藻属等。 原生动物 原生动物是动物界中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，因而在保持生物膜细菌处于活性物理状态方面起积极作用。原生 动物或者以胞饮方式( 一部分细胞凹入摄取外部环境中大分子并夹紧形成其体内液 胞) 摄取有机物质，或者以噬菌的方式吞噬细菌、藻类和其它粒子并消化它们的营 养物质，原生动物主要包括鞭毛类、肉足类、纤毛类和孢子类。 生物膜中常出现的原生动物有：鞭毛类，圆珠背钩虫、粗袋鞭毛虫、粗尾波虫、 侧弹跳虫、活泼锥滴虫等；纤毛虫，侧盘盖虫、螅状独缩虫、钩钟虫、钩刺斜管虫、 集盖虫、巧盖虫、八条纹钟虫；肉足类，变形虫属、简便虫属和表壳虫属。在i m l 的生物滤池的生物膜污泥中通常可见肉足类1 0 0 - 4 6 0 0 个，鞭毛虫类2 0 0 1 3 0 0 0 个， 纤毛虫类5 0 0 一1 0 0 0 0 个，无论从种属还是个数方面，纤毛虫类都占很大比例。 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。生物膜中常出现的由 轮虫类、线虫类、寡毛虫和昆虫及其幼虫。 生物膜的微生物相十分丰富，形成了由细菌、真菌和藻类到原生动物和后生动 物的复杂生态体系，这些微生物的出现与是否占优势常与污水水质会晤生物膜所处 的环境条件有关，当负荷适当时出现独缩虫类、聚缩虫类、钟虫等；负荷过高，真 菌类增加，纤毛类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；负荷低时可以观察到盾纤毛属、尖毛虫属等。后生动物如轮虫和线 虫等大量出现，使生物膜快速更新，生物膜中的厌氧层减少，生物膜脱落也少。通 过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。 1 3 2 微生物在载体表面固定的一般过程 生物膜在载体表面形成第一步便是微生物要在载体表面附着，随后才有微生物 依托环境繁殖、增长，最终发展成具有一定厚度和密度的生物膜。附着能力高低将 直接影响生物膜的生物及生理功效以及生物膜反应器的启动运行周期。 大量研究表明“，微生物在载体表面附着取决于两方面，一是细菌表面特性， 另外则是载体表面的物理化学性质。细菌在载体表面附着、固定过程可以分为以下 几个步骤： 兰州理工大学硕士学位论文第一帝绪论 上 上 可避附着 上 不可逆附着 一r 图1 - 2 微生物载体表面固定一般过程 f i g 1 2t h ec o m m o np r o c e s so fs u r f a c ef i x a t i o no fm i c r o b i a lp a c k i n g 由此可以看出，微生物附着、固定过程分为4 步。 微生物向载体表面的运送 细菌从液相到载体表面有主动和被动两种方式，主动运送是指细菌借助于水力 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、重力 或沉降作用完成。一般而言，主动运送在细菌从液相转移到载体表面起主导作用尤 其在实际工程运行过程中。细菌一般尺度尾l0u 【 【左右，具有胶体粒子的性质， 细菌的自身布朗增加了它与载体表面接触的机会。 可逆附着过程 在细菌与载体表面接触的最初阶段，微生物与载体之间首先形成的是可逆附 着，即一个附着与脱吸的双向动态过程。原因在于细菌生存环境中存在的水力学力 和其自身的布朗运动都可以使已经附着在载体表面的细菌重新返回悬浮液相中去。 表卜1 导致微生物可逆附着的各种吸引力及排斥力“1 】 t a b l e l lt h ec a u s eo fr e v e r s i b i l i t ya d h e s i v ed i v e r s i f i e da f f i n i t ya n dr e p u l s i o no f m l c r o o r g a n l s m 表卜1 中各种力对细菌可逆附着的贡献或影响取决于载体及细菌的表面特性， m a r s h a l l 等人对a r c h o b a c t e r 细菌在玻璃表面的附着实验”发现，随着液相离子 浓度的增加，a r c h o b a c t e r 细菌在玻璃表面的附着是以可逆方式进行的。b u s s c h e r 等人“”报道疏水的s t r e p c c u sm i t i st 9 菌在亲水的玻璃表面的附着过程是可逆的， 而亲水的s s a n q u i s 菌在疏水玻璃上的附着却是不可逆的。 兰州理工大学硕士学位论文第一章缔论 不可逆附着过程 当微生物分泌一些粘性代谢物质如多聚糖时“，这个阶段的细菌不容易被中等 水力剪切力冲刷掉。在实际运行中，生物体与载体接触时间充分，以便微生物在反 应器内有充分时间进行代谢活动，不可逆附着就可以发生。 固定微生物的生长 经过不可逆附着过程后，微生物表面获得一个相对稳定的生存环境，逐渐形成 成熟的生物膜。 1 3 3 生物挂膜的影晌因素 影响微生物挂膜性能、生长的因素很多，综合微生物自身性质、载体表面性质 以及环境特性，总结如下表。 表卜2 影响微生物在载体表面固定的因素” t a b l e l 一2t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fm i c r o o r g a n i s mo np a c k i n gs u r f a c ef i x a t i o n 1 悬浮生物浓度 悬浮生物浓度高意味着微生物与载体接触频率加大，但研究表明”，在微生物 附着固定过程中存在一个临界悬浮物微生物浓度，在临界浓度x 。以前，硝化细菌在 载体p s 表面的固定速度速率增加，载体附着微生物密度与悬浮物浓度存在着一定 正比关系，通过静态实验，对硝化细菌浓度对其在p s 表面固定速率( a ) 及最大附 着量( b 。，) 的影响如下面图卜3 和图l 一4 。 由图卜3 和图卜4 说明，微生物附着固定过程中存在着一个临界悬浮微生物浓 度，在临界浓度值以前，微生物从液相传送、扩散到载体表面是控制步骤，一旦超 过此浓度，微生物在载体表面的附着、固定受到有效表面积的限制，不再依赖于悬 浮微生物的浓度。 兰州理工_ 人学颂i ：学位论义 第一章绪论 0 3 02 8 01 02 03 04 05 06 0 ( m s l s s l ) 图1 - 3 悬浮硝化细菌浓度对a 的影响” f i g 1 3t h ei n f l u e n c et oao fs u s p e n d e dn i t r a t i o nb a c t e r i a 01 02 03 04 0 s o6 0 x 0 “圳l s s l ) 图卜4 悬浮硝化细菌浓度对b 。；的影响 f i g 1 4t h ei n f l u e n c et ob 。o fs u s p e n d e dn it r a t i o nb a c t e r i a 2 液相的p h 值 除了等电点以外，细菌表面在不同环境下带不同电荷，不同菌种，等电点在实 际测量过程中也不尽相同，一般微生物的等电点在p h 值= 3 5 左右。因此，液相 p h 值的变化将直接影响微生物的表面电荷特性，当液相p h 值大于细菌的等电点时， 细菌表面由于氨基酸的电离而现负电性，反之则呈现正电性。由于p h 引起的细菌 表面电性的变化将直接影响细菌在载体附着固定的动力学过程，l i u “”通过静态实 验研究p h 值在2 5 一l o o 范围内变化时，硝化细菌在p p 及p s 表面附着固定附着动 力学。结果表明，p h 值在4 8 附近，硝化细菌在p p 及p s 表面的固定速率常数同时 达到最大。通过z e t a 电位的测定，进一步证实了硝化细菌的等电点在p h 值= 4 8 左右，主要是因为：在尺度上，细菌和胶体颗粒相近，因而可以被处理为胶体粒子。 由于z e t a 电位的存在，带电细菌周围形成稳定的双电层或溶剂化结构。l i u 认为， 正是这种表面溶剂化结构阻碍了微生物与载体表面的有效接触；另一方面，这种溶 o 拍孔丝o”坞m堰 0 0 o 0 0 0 0 (u1)雠覃l心圃旧懈 一1)8瞽一h-9 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 剂化结构同样会引起细菌与细菌之间的空间位阻，这些都不利于微生物在载体表面 附着和固定。当微生物处于等电点环境中时情况就不同，在等电点，细菌表面z e t a 电位接近零，表面溶剂化结构基本消失，这时的微生物在液相中处于一种极端不稳 定状态，为了减少表面自由能，微生物趋于吸附到载体表面或自由聚集，以达到新 的稳定。 至于液相p h 对b 。，的影响，l i u 的静态实验表明，当液相p h 值超过7 0 时，b _ n l l ， 微弱降低，因而这些变化并不明显。 3 水利剪切作用 在生物膜形成初期，环境水力学条件是影响挂膜速率和挂膜量的一个至关重要 因素。在实际水处理过程中，水利剪切的强弱决定了生物膜反应器启动周期的长短。 从生物膜形成角度来考虑，弱的水利剪切作用有利于细菌在载体的附着和固定，但 同时也需要一定强度的水利条件来维持反应器中传质所需要的搅拌强度。 4 溶解氧 不管是好氧还是厌氧生物膜，溶解氧都是影响其运行的因素之一，对厌氧生物 膜而言，起净化作用的主要是专性厌氧微生物，他们生长在氧化还原电位比较低的 无氧环境中。如果反应器引入分子态的氧，这将改变厌氧微生物生活所需要的较低 氧化还原电位条件而失去活性。 对于好氧生物膜反应器来说，起净化作用的主要是专性好氧微生物和兼性微生 物，它们所需的氧化还原电位比较高。在溶解氧不足的条件下，好氧微生物的活性 受到影响，新陈代谢降低，同时对溶解氧需求低的微生物繁殖，这样f 常的生化反 应过程受到影响，出水中有机物浓度将升高，反应器处理效率下降，在溶解氧严重 缺乏时，厌氧微生物将大量繁殖，好氧微生物受到抑制，反应器内的生物膜恶化， 水就会发黑发臭，出水水质明显下降。在一般情况下，溶解氧在2 - 4 m g l 比较合适， 太高了不仅在经济上不划算，而且也会因微生物代谢活动的增强、营养供应不足使 得微生物自身氧化。 5 载体表面结构与性质 在微生物附着、固定过程中，载体表面的电荷性、裉糙度将直接影响微生物附 着的动力学过程。在正常生长环境下，微生物表面有负电荷，如果一定的表面改良 技术使载体表面具有正电性，这将使微生物在载体表面附着、固定过程更加容易进 行。现在常用的载体材料有多种，其中比较普遍的是聚合物，如p e 、p p 、p s 和p v c 等。经过一定的表面处理，如化学氧化、低温等离子体处理使这些材料带正电荷。 另外，载体表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定。 6 悬浮微生物活性 微生物的活性用比增长率( u ) ，即单位质量微生物的增长速率来表示。b r y e r s 等人“”研究了异氧生物膜形成过程发现，悬浮细菌活性与生物膜的最初形成速率成 正比关系。其解释为：一，当悬浮细菌的生物活性比较高时，其分泌体外多聚糖的 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 能力较强，这种粘性的体外多聚糖在细菌与载体之间起到生物粘合剂的作用，使细 菌较为容易附着、固定；二，微生物所处的能量水平直接与它们的增长率相关，当 活性增加时，悬浮微生物的动能随之增加，这些能量有助于克服在固定过程中微生 物载体表面间的能垒。 另外，溶液中的离子强度、微生物与载体的接触时间都影响生物膜的形成速度 以及生物膜的致密性。 1 4 微生物在载体上的生长 1 4 1 生物膜增长的过程 微生物在经过不可逆的附着后，固定在载体表面的微生物开始通过环境提供的 底物进行繁殖、增长。生物膜的增长过程一般认为与悬浮微生物的增长过程相似， 法国c a p d e c i l l e 等人。”认为，生物膜整个增长过程由以下六部分组成： 1 适应期和潜伏期 在微生物对载体不可逆附着后，开始逐渐适应生存环境，并在载体表面逐渐形 成小的、分散的微生物菌落。这些菌落首先在载体表面不规则处形成。 2 对数期或者动力学增长期 在适应期形成的分散菌落开始迅速增长，逐渐覆盖载体表面。此阶段由于有机 物、溶解氧以及其它营养供给超过了消耗的需要，固着微生物以最大速度在载体表 面增长。一般在对数增长期末，生物膜厚度可达几十个微米。这个阶段生物膜多聚 糖产生率增加：污染物降解速率很高；生物膜量显著增加。 3 线性增长期 大量的实验数据显示，在对数增长期结束后，生物膜增长曲线上出现一线性增 长阶段，此时生物膜在载体上以恒速速率增长。这一阶段，出水底物浓度不随生物 量的增加而显著变化：对于好氧生物膜，耗氧率保持不变。 基于此，很多学者提出生物膜的生物量可以按照生物活性划分为两类，即活性 生物量( m 。) ，主要负责降解进水底物，它处于新生细菌及已经存在菌落的表面和边 缘部分；而非活性物质( m 。) 在底物降解过程不起任何作用的生物膜，这些非活性 生物量主要集中在菌落内部。 大量实验表明，在生物膜对数增长期末，活性生物量已经达到其最大值 ( m 。) 。与此对应，生物膜反应器在液相达到稳态。同时，实验数据表明，生物膜 内的积累因生物膜菌种特性以及环境条件下不同而变化“从目的的研究结果来看， 导致非活性生物膜内积累的主要原因有：剩余有效载体表面饱和；随着生物膜中细 菌密度的增长，禁锢作用变得较为明显，另外有毒或抑制性产物的积累，使部分活 性生物量受到抑制或散失了其生理活性。 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 4 减速增长期 生物膜在这一时期增长率逐渐放慢，这一时期生物膜对水力学剪切作用非常敏 感，水力剪切作用限制了新细胞在生物膜内的进一步积累，生物膜增长开始与水力 剪切作用形成动态平衡。 5 生物膜稳定期 这一阶段的主要特点是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。生物膜稳定期的长短，与运行条件如底物供给浓度、剪切力等密切相 关。 6 脱落期 生物膜脱落是一种随机现象。随着生物膜的成熟，部分生物膜发生脱落。影响 这一现象的因素很多，生物膜内部细菌自解、内部厌氧层过厚以及生物膜与载体表 面间相互作用的改变等均可加速生物膜脱落。在实际生物膜反应器运行中，往往由 于进水中含有抑制生物的毒性物质，导致附着的生物膜脱落。 1 4 2 生物膜增长的动力学方程 对生物膜增长的认识目前主要有指数增长模型、逻辑方程、饱和速率方程等， 由于上面几种模型只考虑了生物膜总量的增加，而缺少对生物膜结构的系统描述， 法国c a p d e v i l l e 教授“”提出了生物膜中分为活性生物量( m 。) 和非活性生物量 ( m ，) 的概念，总的生物量( 帆) 则由以上两部分组成，即 m 62 m 。+ m y 填料表面净活性生物量的积累速率方程为 学k 飞飞 ( 1 - 2 ) 式中：。一活性生物量积累速率： 一非活性物质积累速率。 b e l k h a d i r 等人”2 1 4 0 认为活性生物量的增长发生在生物膜对数增长期，即 。= 胁m 。 ( 1 3 ) 式中：一最大比增长率，丁。 方程( 卜3 ) 表明活性生物量增长是底物浓度的零级反应，即活性生物量浓度的 一级反应动力学。c a p d e v i l l e 。”认为，生物膜内