（环境工程专业论文）高效菌剂构建及去除污染物性能的研究.pdf

分别为8 6 8 5 、8 6 3 0 、8 1 3 8 、8 4 4 6 ；s s 平均降解率分别为 9 3 7 0 、9 3 4 5 、8 8 4 3 、9 6 0 7 。各反应器中的污泥产量均较少且保持 一定活性。其中反应器i 、i i 、i i i 、i v 的平均污泥产率y ( m g m l s s m g c o d ) 分别为o 0 3 8 、o 0 2 5 、0 0 7 9 、o 0 4 2 ；污泥减量效果 ( 与活性污泥法污泥产量o 2 8 0 4 7m g m l s s m g c o d 相比) 分别为 8 6 3 9 1 8 、9 1 2 9 4 7 、7 1 9 8 3 3 、8 5 o 9 1 1 。在动态小试实 验中，反应器运行的最佳工艺参数为：h r t = 6 h ，进水c o d 浓度= 5 0 0 7 0 0 m g l 。 关键词高效菌群；高效菌株；分离筛选；复配优化；污水处理 a b s t r a c t i nt h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g e ( c a s ) s y s t e m ，b i o a u g m e n t a t i o ni s a m e t h o dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b e s i d e s ，h y b r i d b i o l o g i c a lr e a c t o rc o m b i n e db i o f i l mp r o c e s sa n dc a sp r o c e s si st h ed e v e l o p m e n t t r e n df o re f f e c t i v ep e r f o r m a n c eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ：l a r g ea m o u n t so f s l u d g ei sp r o d u c e dd u r i n gt h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fw a s t e w a t e r ，t h e r e f o r e ，h o w t om i n i m i z ee x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o ni sa nu r g e n t p r o b l e mt ob er e s o l v e df o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t h i sd i s s e r t a t i o n i st o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r c o m b i n e dh i g he f f e c t i v e m i c r o o r g a n i s m sa n db i o f i l mp r o c e s s f o rs e w a g e t r e a t m e n ta n ds l u d g er e d u c t i o n b ya n a l y s i s & o p t i m i z a t i o no fh i g he f f e c t i v e m i c r o o r g a n i s m sa n dc o n t i n u o u so p e r a t i o nf o rs e w a g et r e a t m e n ti nl a b o r a t o r y s c a l em o d e l s ，t h ea i mi st oi s o l a t ea n do p t i m i z ee f f e c t i v es t r a i n s ，t or e s e a r c hi n t o b i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fe f f e c t i v es t r a i n s ，t oa n a l y s er e l a t i o n so fe f f e c t i v e s t r a i n s , t oo p t i m i z ed e g r a d a b l ec o n d i t i o n so fe f f e c t i v es t r a i n s ，t op r o v i d e p a r a m e t e r so ft h en e wt e c h n o l o g yu s e df o rr e f e r e n c e t h em a i nc o n t e n to ft h er e s e a r c hi n c l u d e s ：i s o l a t i o no fs i n g l es t r a i n sf r o mb e m h i g he f f e c t i v e ：m i c r o o r g a n i s m sa n ds l u d g ef r o mb e ms y s t e m ；d e g r a d a t i o n p e r f o r m a n c e so fi s o l a t e ds i n g l es t r a i n si ns e w a g ea n dp r i m a r yi d e n t i f i c a t i o n ； r e s e a r c ho nr e l a t i o n sa n db i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fe f f e c t i v es t r a i n st oo p t i m i z e d e g r a d a t i o np e r f o r m a n c e s ；o p t i m i z a t i o n o fe f f e c t i v es t r a i n sf o re f f e c t i v e c o m p o u n dm i c r o o r g a n i s ma g e n t sb yu n i f o r md e s i g ns o f t w a r e ；r e s e a r c ho n d y n a m i ce x p e r i m e n t sf o rh i g he f f i c i e n c yo fs e w a g et r e a t m e n to p e r a t e dw i t ht h e a g e n t sp r e p a r e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es h o w n a sf o l l o w s ： 1 i s o l a t i o no fs i n g l es t r a i n sf r o mb e m h i g he f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m sb yt h r e e d i f f e r e n tw a y st oo b t a i n3 0s t r a i n s ，i n c l u d i n g2 5a e r o b i cs t r a i n s ，5a n a e r o b i c s t r a i n s ；i s o l a t i o no fs i n g l es t r a i n sf r o ms l u d g ec o m ef r o mt h eb e ms y s t e mt o o b t a i n 3 3a e r o b i cs t r a i n s b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nf o rd e g r a d a t i o n p e r f o r m a n c e so fi s o l a t e ds i n g l es t r a i n s ，o b t a i n e d8e f f e c t i v ea e r o b i cs t r a i n sf r o m 1 i i = ： ：= ：竺尘鎏三些奎兰三兰! 型尘堡鎏兰! = ： b e mh i g he f f e c t i v em m r o o r g a n l s m sa n d1 4e f f e c t i v ea e r o b i cs t r a i n sf r o ms l u d g e c o m ef r o mt h eb e ms y s t e m 。b yp r i m a r ye x p e r i m e n tf o rb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fe f f e c t i v es t r a i n s ，i d e n t i f i c a t i o na n dg e n ea n a l y s i sf o rb 3s t r a i n b 3b e l o n g s s p h i n g o m o n a s p a u c i m o b i l i ss p e c i e s ，g e n o m ed n a o f t h i ss t r a i ni s1 2 k bi nl e n g t h 2 b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e so fb e mh i g h e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m sa n dt h es l u d g ef r o mt h eb e ms y s t e m ，o p t i m i z a t i o no f e f f e c t i v es t r a i n sf o rb yu n i f o r md e s i g ns o f t w a r e ，o b t a i n e d3e f f e c t i v ec o m p o u n d m i c r o o r g a n i s ma g e n t s b ya n a l y z i n gr e l a t i o n so fe f f e c t i v es t r a i n sa n do p t i m i z e d e g r a d a b l ec o n d i t i o n so fe f f e c t i v es t r a i n s ，2e f f e c t i v ec o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m a g e n t sa r eo b t a i nf r o mb e me f f e c t i v es t r a i n s ；r e s u l t so ne x p e r i m e n t sf o rc o d e f f i c i e n c yo fs e w a g et r e a t m e n to p e r a t e dw i t ht h ea g e n t sp r e p a r e da r e7 2 3 6 ， 6 9 9 8 ，r e s p e c t i v e l y 1 e f f e c t i v ec o m p o u n dm i c r o o r g a n i s ma g e n t sa r eo b t a i n f r o mb e ms l u d g ee f f e c t i v es t r a i n s ；r e s u l to ne x p e r i m e n t sf o rc o de f f i c i e n c yo f s e w a g et r e a t m e n to p e r a t e dw i t ht h ea g e n t s p r e p a r e d is9 9 0 1 3 r e s e a r c ho nd y n a m i ce x p e r i m e n t sf o rh i g he f f n c i e n c yo fs e w a g et r e a t m e n t o p e r a t e d w i t h3a g e n t sp r e p a r e di nh y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o ri ，i i ，i i i ，i v ， r e s p e c t i v e l y d u r i n g2 5 dc o n t i n u o u sp e r f o r m a n c e ，e a c hb i o r e a c t o rs h o w e dt h e h i g he f f i c i e n c yf o rc o d ，b o d s ，s sc o n c e n t r a t i o n so fs e w a g e a v e r a g ec o d r e m o v a le f f i c i e n c yo fr e a c t o ri ，i i ，i i i 1 vi s7 7 9 6 、7 8 1 9 、7 5 9 3 、 7 9 6 7 ，r e s p e c t i v e l y a v e r a g eb o d sr e m o v a le f f i c i e n c yo fr e a c t o ri ，i i ，i i i ，i vi s 8 6 8 5 、8 6 3 0 、8 1 3 8 、8 4 4 6 r e s p e c t i v e l y ；a v e r a g e s sr e m o v a l e f f i c i e n c yo fr e a c t o ri ，i i ，i i i ，i vi s9 3 7 0 、9 3 4 5 、8 8 4 3 、9 6 0 7 ， r e s p e c t i v e l y s l u d g ep r o d u c t i o ni nb i o r e a c t o r si s l e s sa n db i o m a s sk e e p sh i g h a c t i v i t y a v e r a g es l u d g ey i e l dy ( m g m l s s m g c o d ) o fr e a c t o ri ，i i ，i i i ，i vi s 0 0 3 8 、o 0 2 5 、0 0 7 9 、0 0 4 2 r e s p e c t i v e l y ；e f f e c tf o rs l u d g er e d u c t i o no fr e a c t o r ll i ，i i i ，i vi s8 6 3 - 9 1 - 8 、9 1 2 9 4 7 、7 1 9 - 8 3 3 、8 5 0 - 9 1 1 ， r e s p e c t i v e l y o p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s i nc o n t i n u o u sl a b o r a t o r i a l p e r f o r m a n c e ：h r t = 6 h i n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n = 5 0 0 - 7 0 0 m g l k e y w o r d sh i g he f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ；e f f e c t i v es t r a i n ；i s o l a t i o n & s c f e e n i n g c o m b i n a t i o n & o p t i m i z a t i o n ；s e w a g et r e a t m e n t 1 1 研究目的 第1 章绪论 废水一般可分为工业废水和生活污水两种。生活污水和工业废水的内含主 要污染物为溶解性有机化合物、非溶解性无机杂质和其它有机物。城市污水是 城市发展中的产物，随着城市化和工业化进程的加快，其产生量不断增大，污 染同益突出，己严重制约了城市社会经济的可持续发展。近年来，城市生活污 水和工业废水排放量的比例已接近持平。城市污水中的主要污染物是生活污水 中的有机物，这些有机物如不及时处理，任其排放到江河湖海后，会使水质恶 化，严重影响地面水环境质量，进而会危害人类身体健康。我国的废水排放量 相当庞大，约占世界的1 0 以上。自1 9 8 5 年以来，我国废水年排放总量一直 维持在( 3 5 0 4 0 0 ) 1 0 8 m 3 左右。2 0 0 0 年废水排放量为4 8 0 1 0 8 m 3 ，其中工业废 水排放量2 6 2 1 0 8 m 3 ，市政污水排放量2 1 8 1 0 8 m 3 。污水中化学需氧量 ( c o d ) 排放量达2 0 2 7 1 0 6 t ，其中工业废水c o d 排放量1 1 0 6 1 0 6 t ，市政污 水c o d 排放量9 2 1 i 0 6 t 。据预测，2 0 1 0 年我国城市污水排放总量约为 1 0 5 0 1 0 8 m 3 t ”。 污水中的污染物质种类繁多，但主要是有机污染物，一般多采用生物处理 法予以去除。污水生物处理的主要去除对象是呈溶解态和胶体状态的有机污染 物质，利用微生物的新陈代谢作用使之转化成为稳定的无害化物质，消除其对 环境的污染和危害，达到净化的目的。 在污水的生物处理工艺中，微生物根据其生长条件或处于悬浮生长状态， 或处于附着生长状态。前者以活性污泥法为代表，微生物在曝气池内以活性污 泥的形式呈悬浮状态，而后者则以生物膜法为代表，微生物以膜状固着在某种 载体的表面上。 活性污泥法是当今世界范围内应用最为广泛的一种生物处理工艺，具有处 理能力高、出水水质好等优点，但传统活性污泥法的基建与运行费用较高、能 耗较大、管理也较复杂、易出现污泥膨胀和污泥上浮等问题，对n 、p 等营养 物质去除效果有限，因而近2 0 多年来研究者们在对活性污泥法本身改进的同 时，又致力于寻找活性污泥法的替代工艺或革新与代用处理技术。 生物膜法作为与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，在许多情况下 不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物处理，而且还具有一些独特的 优点，如运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、具有一定 的硝化与反硝化功能等。但由于环境卫生条件较差等因素，在城市污水处理厂 中较少采用吼 随着大量污水处理厂的投产，污泥产量将会有大幅度的增加。剩余污泥产 生量一般是污水处理量的0 3 - 4 ) 5 ( 以含水率9 7 计) ，数量十分惊人。大 量未经处理的污泥任意堆放和排放会对环境造成新污染。然而，污泥处理的投 资和运行费用巨大，可占整个污水厂投资及运行费用的2 5 - 一6 5 3 1 ，已成为城 市污水厂所面临的沉重负担。 污泥处理是污水处理的重要组成部分，只有将污泥妥善处理及资源化利用 或在污水处理过程中找到污泥减量的方法，才能避免造成二次污染，从根本上 解决污水污染环境问题。因此，采用高效( 高负荷) 、低耗污水处理工艺的关 键之一是解决城市污水厂的污泥处理问题。我国城市污水处理工艺的进步在很 大程度上取决于污泥处理和利用技术的进步。能否解决好污泥问题是污水净化 成功与否的决定性因素之一。 对于我国这样一个污染严重、资源短缺的国家，先进水处理工艺的衡量标 准应该是适合我国国情、高效、低耗和低成本。各类效率高、投入低、可达到 一定治理深度的城市污水处理新技术，对经济尚不够发达而污染亟待治理的我 国各地区，尤其是绝大多数没有污水处理设施的1 7 0 0 0 多个镇，在一段时期内 都将具有重要意义。因此，当前我国迫切需要一批能满足排放要求、处理效果 好、产生污泥少、基建和运行费用低的污水处理新技术和新工艺。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 菌种的分离方法 1 2 1 1 传统方法 一般菌种分离筛选的基本程序见图1 1 。各步骤实验的基本原则如下： 1 富集培养( e n r i c h m e n tc u l t u r e ) 如果要筛选的菌种在样品中含量极低，那么，需先进行富集培养，然后彳 能进行分离纯化。 第1 章绪论 调j 麟巍( 收集有莱资料， 试验方素设诗 l 采群 l 第五次乎援努囊 l 图1 1 菌种分离筛选程序嗍 f i g 1 - 1p r o c e s so f s t r a i ni s o l a t i o n s c r e e n i n g 富集培养又称增殖培养。就是利用选择性培养基的原理，在含菌样品中加 入某些特殊营养物，并创造一些有利于待分离对象生长的条件，使样品中少数 能分解利用这类营养物的微生物趁机大量繁殖，从而有利于分离它们。根据微 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 生物的营养特性可以知道，细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌、光合菌、芽孢菌 均存在适合的相应培养基，因此，我们可选用不同的培养基针对菌群中的不同 类菌进行富集培养。 2 菌种分离( i s o l a t i o n ) 从混杂生长的菌群中，把单独的菌种分离出来，这一过程称为“分离”。微 生物的分离方法很多，常用的有平板稀释分离法( 包括混匀法和涂布法) 以及 平板划线分离法。另外，还有单细胞挑取分离和培养条件控制法等，其中培养 条件控制法包括选择培养基法、好氧与厌氧培养分离以及p h 值、温度等控制 分离法。 分离的具体过程如下：首先，将样品1 0 m l ( 或1 0 9 ) 接入事先已灭菌、内 装玻璃珠和9 0 m l 无菌水的三角瓶中，必要时加吐温8 0 ，使细胞呈单细胞状态 分散于水中；之后进行倍比稀释，将样品稀释成不同的稀释度，具体的稀释倍 数要根据样品的情况而定，目的是为了得到更多的单一菌落；接着采用混匀法 或涂布法迸行培养得到单一的菌落。通过以上的分离方法，可实现单独菌种从 混合菌群中分离出来。 3 菌种纯化( p u r ec u l t u r e ) 微生物学中，把通过一个细胞分裂得到后代的过程称为纯化培养。常用的 纯化方法很多，大体上可将它们归纳成两类，一类较粗放，一般只能达到“菌 落纯”的水平，即从种的水平来说是纯的，例如在琼脂平板上进行划线分离、 表面涂布或与尚未凝固的琼脂培养基混匀后再浇注并铺成平板等方法以获得单 菌落；另一类是较精细的单细胞或单孢子分离方法，它可以达到细胞纯即“菌 株纯”的水平。一般采用菌落纯。 根据菌种平板分离得到的菌落，进行菌落形态特征的观察，找出不同形态 特征的菌落，用接种环挑取单菌落，接种到斜面培养基上，进行培养。将斜面 培养的菌落再进一步纯化，其方法有稀释平板法和平板划线法。如此反复三次 以上，当平板上仍没有出现异样菌落时便可认为获得纯菌种，用斜面培养基保 存作为菌种鉴定或其他试验研究的材料。( 整个过程需要无菌操作。在挑取单 菌落时应注意，要确定适当的培养条件和时间选择单独的菌落：接种时应在菌 落边缘挑取少量菌苔移入斜面，尽量不要带入原来的基质。) 纯种的验证主要依赖于显微镜观察，从单个菌落( 或斜面培养物) 上取菌 少许进行各种制片操作，在显微镜下观察细胞的形状、大小及排列情况、革兰 氏染色反应、鞭毛的者生位置和数目、芽孢的有无、芽孢着生的部位和形态、 细胞内含物等是否相同以及个体发育过程中形态的变化规律，以此来确认所分 第1 章绪论 离的微生物是否为一纯种。 1 2 1 2 显微操作法 常用的分离纯化方法可达到“菌落纯”和“细胞纯”两种水平。达到“细胞纯” 水平的方法具体操作种类很多，既有简便地利用培养皿或凹玻片等作分离小室 的方法，也有利用复杂的显微操纵装镫进行分离的方法。现概括于图1 2 。 广_ 平板表面涂布法 广菌落纯- 平板划线分离法 ”菌种纯”) l _ 琼脂培养基浇注法 l 纯种分离法一 i ，一用“分离小室”进行单细胞分离 l 细菌纯+ 用显微操纵器进行单细胞分离 ( “菌株纯”) l 拥菌丝尖端切割法进行单细胞分离 图1 2 细菌纯种分离方法5 1 f i g 1 - 2m e t h o d so f p u r ec u l t u r ei s o l a t e d 显微操作技术( m i c r o m a n i p u l a t i o nt e c h n i q u e ) 是指在高倍复式显微镜下， 利用显微操作器( m i c r o m a n i p u l a t o r ) 进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。 显微操作器是用以控制显微注射针在显微镜视野内移动的机械装置。 显微操作技术包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、胚胎移植以及显 微切割等。显微操作的具体过程如下：利用牵引机把细小玻璃管( 直径约l m m ) 拉成极细的小管，再把此小管磨成外径8 - 1 0 a m ，内径5 - 7 p m 的注射小管与外 径6 0 8 0 b i n ，内径1 0 1 5 1 u n 的固定小管。把注射小管与固定小管安装在倒置立 体显微镜的显微操作器上，在2 0 0 4 0 0 倍的视野下操作叫。 由于操作人员的熟练程度对显微操作技术的结果影响较大，目前还未广泛 用于菌剂中的菌种分离，但为了使高效菌种全部被分离出来的机会更大，采用 此法可作为传统法的补充，同时也为菌荆中的菌种分离提供一种新颖而可行的 方法。 1 2 1 3 显微稀释法 显微稀释法以概率理论为基础，对菌液中的单菌分离情况进行讨论，具体 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 如f 。 在显微稀释的过程中，通过对原菌液进行稀释，目的是达到平均每单位体 积稀释液内有1 个细胞存在。取若干次单位稀释液至细胞培养孔板中进行分别 培养，理论上，每个培养孔内有1 个细胞进行繁殖。而实际操作过程中，可能 每个孔内不止一个细胞，可能是混合细胞，也可能一个细胞都没有。而当取单 位稀释液的次数逐渐增加时，一种菌一次都没有被取到的概率越来越小；当取 单位稀释液的次数趋近无穷时，一种菌一次都没有被取到的概率趋近于零。 若菌液中只有2 种菌( 菌液无穷多，其损失不计) ，每种菌各占一半的比 例，则取l o 次单位体积，一种菌一次都没有被取到的概率为 ( 1 所占比例) 拔数= ( 1 5 0 ) 1 0 = 0 0 0 0 9 7 6 5 6 3 结果表明，如表1 - i 所示，量取1 0 次单位体积时，5 0 的菌一次都取不到 的概率很小。 表1 1 占5 0 菌被取到的概率 t a b l e1 - 1p r o b a b i l i t yo f b a c t e r i ai nt h ep r o p o r t i o no f 5 0 g o t t e n 若一种菌占总菌( 菌液无穷多，其损失不计) 比例为1 5 0 ，即2 ，则取 3 0 0 次，这种菌一次都没被取到的概率为 ( 1 - 所占比例) ”= ( 1 - 2 ) 3 0 0 = 0 0 0 2 3 3 2 5 0 6 结果表明，如表1 - 2 所示，量取3 0 0 次单位体积时，2 的菌一次都取不到 的概率很小。量取3 8 4 次单位体积时，至少一次能得到此种菌的概率为 9 9 9 5 7 。 显微稀释法是根据概率统计的基本理论摸索出来的。它作为传统方法的补 充，不仅使高效菌种全部被分离出来的机会更大，而且为菌剂中的菌种分离提 供一种新方法。 表1 2 占2 菌被抽取到的概率 t a b l e1 - 2 p r o b a b i l i t y o f b a c t e r i a i n t h e p r o p o r t i o no f 2 g o t t e n 1 2 2 高效菌群的优化 1 2 2 1 高效菌组合的生态学理论 在自然界中，各种微生物极少单独存在于某一生境中，而总是较多种群聚 集在同一生境中。它们之间互相联系、互相依赖、互相制约、互相影响的关 系，促进了整个生物界的发展和进化l 7 1 。 微生物所生长的场所中，对微生物生长发育具有直接或间接影响的环境要 素，称为生态因子。从生态学角度看，所有生态因子构成了生物的生态环境。 具体的微生物个体和群体的生态环境称为生境。所谓个体就是指具有完整生命 活动的最小功能有机体。 生态因子与微生物间的互相作用是相当繁杂的，生境中各种生态因子并不 是孤立地发挥作用，而是彼此互相联系、互相促进、互相制约的，从而构成一 个综合体。 系统中微生物个体之间相互关系可归纳如下： 1 微生物与微生物之间的互相作用关系：竞争、互生、拮抗、共生、寄生 和捕食p j 。 ( 1 ) 竞争( c o m p e t i t i o n ) 关系是一种生物在为食物、营养、生活空间以 及其他共同需求的物质的争夺中对另一种生物产生不利或有害的影响。微生物 的生存竞争在自然界及人工环境中是十分激烈的，并且对生态系统内微生物种 群构成起重要作用。 ( 2 ) 互生( p r o t o c o o s e r a t i o n ) 关系是微生物问比较松散的联合。两种独 立生活的生物，当它们共同生活在一起时，比各自单独生活时更好，可以互助 互利，亦可一方得利。在自然界中，微生物间的互生关系极为普遍，也很重 哈尔滨工业大学丁学硕士学位论文 要。 ( 3 ) 共生( s y m b i o s i s ) 关系是两种微生物紧密地结合在一起，当这种关 系高度发展时，就形成特殊的共生体。即在生理上出现一定的分工，在组织上 和形态上产生新的结构。共生是指两种生物共居在一起相互分工协作，彼此分 离就不能很好地生活。 ( 4 ) 拮抗( a n t a g o n i s m ) 关系是两种微生物生活在一起时，一种微生物 产生某种特殊的代谢产物或使环境条件发生变化，从而抑制甚至杀死另一种微 生物的现象。 ( 5 ) 寄生( p a r a s i t i s m ) 关系是一种生物生活在另一种生物的表面或体 内，并从后者的细胞、组织或体液中取得营养，进行生长、繁殖，使后者发生 病害或死亡。前者称为寄生物，后者称为寄主。 ( 6 ) 捕食( p r e d a t i o n ) 关系是种微生物直接吞食另一种微生物。主要 的细菌捕食者是原生动物，它们吞食数以万计的细菌，明显影响细菌种群的数 量。这一作用在废水处理中起着非常重要的作用。捕食关系在控制种群密度、 组成生态系食物链中，具有重要的意义。 2 微生物的共氧化作用。 微生物在有其可利用惟一碳源时，可对其他物质利用的现象，成为共氧化 或协同氧化作用，是由l e a d b e r e r 和f o s t e r 于1 9 5 9 年研究甲烷细菌代谢乙烷 现象时发现的【9 。共氧化作用可概括为： ( 1 ) 由于降解非生长基质要消耗能量，微生物首先利用生长基质作为碳 源和能量来源用于生长繁殖，再利用非生长基质； ( 2 ) 非生长基质的共氧化产物不能作为营养被同化为细胞物质，而且有 些产物对细胞有毒性抑制作用时，该产物可能给其他微生物所利用。 3 生态位相关理论 生态位( e c o l o g i e a l n i c h e ) 是指每个种群受群落中生态因子限定的空间地 位及其功能作用。所谓的生态位重叠是指两种群对一定资源的共同利用的程度 或两种群在与生态位上的相似性。由于生态位相同或相似的种群之间存在着竞 争排斥关系，不同种群在同一生境中长期共存时，必须有各自不同的生态位， 即在两种群重叠的过渡地带要发生生态位分离，从而避免种群间长期的竞争， 这样有利于各个种群在生境内进行有序的生存峭i 。 高度多样性是稳定的生态系统的共同特征。在激烈竞争的生境中，生态位 最大允许重叠减少：在竞争不太激烈的生境中，生态位广泛地重叠，实际上也 减缓了竞争；而在极端情况下，生境中可利用资源过剩，生态位即使完全重 第1 苹绪沦 叠，种间仍能共存。 综上所述，在高效菌占据自己最适生态位时，包括与其他高效菌之间的关 系以及和生境之间的关系，整个高效菌群系统才能发挥最大效应。 1 2 2 2 高效菌的复配优化方法 从高效菌群角度来看，每种高效菌在废水处理过程中的生存，均受到其它 高效菌的影响，它们之间可能发生非常复杂而多样性的关系【1 0 1 。因此，需要通 过一定方法对筛选得到的高效菌进行优化组成高效菌群。 采用均匀设计与各菌种特殊关系分析相结合的方法，对高效菌进行组合优 化。首先，通过各菌种关系及生态位理论的分析，对高效菌进行初步的选择， 使组合后的高效菌群问关系比较协调，随后引入均匀分布的数学理论，将高效 菌进行科学的组合，从而形成最优的高效菌群。 均匀设计( u n i f o r md e s i g n ) 是中国科学院统计学家方开泰、中科院院士 王元教授1 9 7 8 年首创的科学试验方法，它是继正交设计、优选法、最优设计 之后的最有效的试验设计方法之一。 所有的试验设计方法本质上都是在试验的范围内给出挑选代表性点的方 法，均匀设计也不例外。均匀设计只考虑试验点在试验范围内充分“均匀散布” 雨不考虑“整齐可比”，但仍能反映体系的主要特征。因此它的试验布点的均匀 性会比正交设计试验点的均匀性更好，使试验点具有更好的代表性。由于这种 方法不再考虑正交设计中为“整齐可比”而设置的实验点，因而大大减少了试验 次数，这是它与正交试验设计法的最大不同之处【l “。 1 - 2 3 复合污水处理强化系统 污水的传统生物处理技术生物量小、负荷低，微生物活性低，对污水中有 机物浓度的变化反应不够敏感，尤其是活性污泥法会产生大量剩余污泥，使得 传统的污水处理技术很难适应社会发展的需要。在这一前提下，复合处理系统 应运而生 1 2 1 。 1 2 3 1 高效微生物强化 生物强化技术指在传统的生物处理系统中投加具有特定功能的微生物，增 强它对特定污染物的降解能力，从而改善整个污水处理系统的处理效果【l 。 目前生物强化技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有高效 降解能力的微生物【14 1 。高效微生物经过筛选、培育、驯化之后，投入到具有目 标降解物质的废水处理系统中，从而达到提高污染物处理效率的目的。因此， 第1 章绪葩 叠，种问仍能共存。 综上所述，在高效菌占据自己最适生态位时，包括与其他高效茵之间的关 系以及和生境之间的关系，整个高效菌群系统才能发挥最大效应。 1 2 2 2 高效菌的复配优化方法 从高效菌群角度来看，每种高效菌在废水处理过程中的生存，均受到其它 高效菌的影响，它们之问可能发生非常复杂而多样性的关系 l 。因此，需要通 过一定方法对筛选得到的高效菌进行优化组成高效菌群。 采削均匀设计与各菌种特殊关系分析相结合的方法，对商效菌进行组合优 化。首先，通过各菌种关系及生态位理论的分析，对高效菌进行初步的选择， 使组合后的高效菌群间关系比较协调，随后引入均匀分布的数学理论，将高效 菌进行科学的组合，从而形成最优的高效菌群。 均匀设计( u n i f o r md e s i g n ) 是中国科学院统计学家方开泰、中科院院士 王元教授1 9 7 8 年首创的科学试验方法，它是继正交设计、优选法、最优设计 之后的摄有效的试验设计方法之一。 所有的试验设计方法本质上都是在试验的范围内给出挑选代表性点的方 法，均匀设计也不例外。均匀设计只考虑试验点在试验范围内充分“均匀散布” 而不考虑“整齐可比”，但仍能反映体系的主要特征。因此它的试验布点的均匀 性会比正交设计试验点的均匀性更好，使试验点具有更好的代表性。由于这种 方法不再考虑正交设计中为“整齐可比”而设置的实验点，因而人大减少了试验 次数，这是它与正交试验设计法的最大不同之处【1 1 l 。 1 2 。3 复合污水处理强化系统 污水的传统生物处理技术生物量小、负荷低，微生物活性低，对污水中有 机物浓度的变化反应不够敏感，尤其是活性污泥法会产生大量剩余污泥，使得 传统的污水处理技术很难适应社会发展的需要。在这一前提r ，复合处理系统 应运而生【1 2 】。 1 2 3 1 高效微生物强化 生物强化技术指在传统的生物处理系统中投加具有特定功能的微生物，增 强它对特定污染物的降解能力，从而改善整个污水处理系统的处理效果【i 。 目前生物强化技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有高敛 降解能力的微生物【。高效微生物经过筛选、培育、驯化之后，投入到具有目 标降解物质的废水处理系统中，从而达到提高污染物处理效率的目的。冈此， 标降解物质的废水处理系统中，从而达到提高污染物处理效率的目的。冈此， 当原处理系统中只存在少量高效菌种时，投入一定量的高效菌种，可有针对性 地去除废水中的目标降解物；当原处理系统只存在少量高效菌种时，投加高效 菌种后，可大大缩短微生物驯化所需要的时间，在水力停留时间不变的情况 下，能达到较好的去除效果。 生物强化作用比一般的废水处理方法更能提高系统对5 d 生物需氧量 ( b o d 5 ) 、c o d 、总有机碳含量( t o c ) 或某种特定难降解物的去除效果。 生物强化技术可有效去除工业废水中有毒及难降解有机物质。y u 等【15 】利 用投加高效菌种强化法处理造纸废水，在序批式生物反应器( s b r ) 处理系统 中，提高了废水中最主要的有毒物质树脂酸的去除率，但对t o c 的去除效果 提高不明显。w a n g 等i l6 j 通过在厌氧一缺氧一好氧( a 1 一a 2 一o ) 系统中投加高效菌 处理焦化废水，厌氧、缺氧、好氧各阶段c o d 去除率分别为2 5 、1 6 、 5 9 。宋志文【l ”将具有降解甲醇能力强的微生物固定于颗粒活性炭，组成固定 化微生物反应器，考察其对甲醇废水的处理效果，在p h = 7 8 ，温度为 2 0 3 0 条件下，甲醇去除率在9 0 以上。z h a n g 等【1 8 】以蜂窝陶瓷作为载体， 将热带假丝酵母( c a n d i d at r o p i c a l i s j 固定于气升式内环流反应器系统，处理 高碳水化合物废水，连续运行时进水有机负荷为1 5 k g c o d ( m s d ) 。 在传统活性污泥系统中进行生物强化可改善废水处理工艺，提高出水水 质，增强系统稳定性及抗冲击负荷能力，尤其对于废水中难降解有机物有较好 去除效果。q u a n 等通过混合培养在活性污泥中投加高效菌，增强2 ，4 - 二羟 二氯二苯甲烷( d c p ) 叫、4 一氧酚( 4 m c p ) 、2 , 4 ，5 三氯苯酚( 2 ，4 ，5 t c p ) 2 0 】的降 解，同时t o c 降解率为8 8 8 9 ，均比原系统去除能力增强。y a n g 等 2 1 对 采用连续发酵和活性污泥复合系统处理味精废水进行了研究。系统进水c o d 为2 5 0 0 0 m g l ，n h 4 + - n 为1 9 0 0 0 m g l ，发酵系统的出水保持8 0 c o d 去除 率，p h 由2 5 增至6 5 。运行2 个月后经扫描电镜观察，生物膜由两种主导酵 母菌组成。发酵出水悬浮固体浓度( s s ) 主要为酵母菌和发酵细菌，包含 5 5 8 蛋白质和1 8 种氨基酸，作为单细胞蛋白的来源可用于动物饲料添加剂。 发酵出水进入活性污泥，可去除5 0 7 0 c o d ，出水c o d 浓度及s s 浓度分别 为1 3 0 0 m g l 、7 0 m g l 。整个复合系统c o d 去除率达9 5 ，之后加入f e c l 3 进 行混凝沉淀c o d 可降至3 6 0 m g l 以下。 除传统活性污泥处理工艺与生物强化技术的复合，许多研究集中在 s b r 1 5 0 2 , 2 3 】、膜生物反应器( m b r ) 1 2 4 、氧化沟2 5 1 、生物膜2 6 0 刀等反应器中进 行生物强化。n i c o l e l l a 等【2 副将杀虫剂及致癌有机物作为唯一碳源，富集培养 活性污泥系统中的混合菌，接种至气提式生物流化床反应器( b a s ) 。微生物 第卜学绪论 附着于颗粒载体上，形成稳定及均一的生物膜。有机负荷率为8 7 k g c o d m j d 时，污泥浓度高达1 2 9 l ，c o d 降解率为7 0 o 但大部分污水处理厂均已采用 传统污水处理系统，更希望对原有工艺及设备不改动的基础上，增加生物活 性，增强系统生化处理能力。 生物强化作用不仅可以有效地消除污泥膨胀，增强污泥沉降眭能，而且可 减少污泥产量，一般可使污泥容积降低1 7 3 0 。这不仅可改善出水水质，而 且可减少污泥排放和污泥处理的能耗。c h a m b e 一”j 的研究结果表明，在延时曝 气系统中，接种生物强化剂，运行3 周就可消除污泥膨胀现象；在氧化沟系统 中，运行4 周就可消除膨胀