饮用水生物滤池的生物量与有机物去除的关系

饮用水生物滤池的生物量与有机物去除的关系*摘要：以脂磷法测定了三种不同填料的饮用水生物滤池中的生物量分布，并讨论了生物量与有机物去除之间的关系。受填料表面性质和比表面积的影响，三个滤池之间的生物量差异很大，顺序是不规则GAC滤池>柱状GAC滤池>不规则陶粒滤池；但不同反应器对有机物的去除效率几乎没有区别，说明至少两个GAC滤池的生物量是过量的。生物量的过量可以解释反应器的抗冲击负荷能力，其本身可以用微生物的繁殖策略为r选择解释。关键词：饮用水；生物滤池；生物量；有机物；繁殖策略RelationshipbetweentheBiomassandtheRemovalofOrganicMattersinThreeDrinkingWaterBiofilters*Abstract:Thebiomassdistributioninthreebiofilterswithdifferentmediawasinvestigatedusinglipid-Panalysis.Thereweresubstantiallyvarianceinthebiomassduetothesurfacecharacteristicsandspecificsurfaceareaofthemedia.TheirregularGACfilterhadthelargestbiomass,thecolumn-shapedGACfilterhadthesmaller,andtheirregularceramicgranularfilterhadthesmallest.However,therewerealmostnodifferencesamongtheremovaloftheorganicmatterofthethreefilters,whichsuggestedthatatleastthebiomassintwoGACfilterswereexcessive.Thisphenomenoncouldexplaintheabilityofanti-shockloadofthebiofiltersandbeexplainedastheresultthatthemicrobialreproducingstrategywasr-choice.KeyWords:drinkingwater;biofilter;biomass;organicmatters;reproducingstrategy在饮用水的生物处理中，生物滤池是一种普遍采用的工艺，如生物陶粒预处理滤池、可以取代常规砂滤池的生物活性滤池，以及作为深度处理工艺的O3-BAC等[1-6]。除了普通滤池的过滤功能之外，它主要依靠在填料表面附着生长的生物膜的生物氧化作用去除可生物降解的溶解性有机物和NH4+-N、NO2--N等污染物质；另外，生物膜絮体（细胞和以多糖为主的胞外多聚物）的生物吸附作用可能也对有机物的去除发挥一定作用。因此生物量是生物滤池工艺的重要参数。本研究以脂磷法测定并分析了三个小试饮用水生物滤池中的生物量分布规律，并对生物量与反应器对有机物去除效率的关系以及反应器中生物量过量的原因进行了探讨。1材料与方法1.1实验装置 在X市地面水厂内建立起两套饮用水生物过滤小试装置，其中一套为两个并联的颗粒活性炭(GAC)-石英砂双层滤料生物滤池（BF1和BF2），分别填装有55cm不规则状PJ-09型GAC，35cm石英砂（BF1）和55cm柱状ZJ-15型GAC，35cm石英砂（BF2），两者的滤速均为7.5~8.5m/h，进水为该厂生产性沉淀池的出水，下向流，不曝气。另外一套为陶粒生物预处理滤池（BPF），填装有170cm的不规则状、粒径2~3mm的页岩陶粒，滤速为4m/h左右，进水为未经处理的该厂原水，下向流，曝气，气水比<1:1。实验期间各反应器的进水水质见表1。表1实验期间三个生物滤池的进水水质*反应器CODMn/mg·L-11NH4+-N/mg·L-11NO2--N/mg·L-11浊度/ntuDO/mg·L-11温度/℃BF1和BF2最高7.230.700.09916.4011.2031.5最低2.250.070.0011.734.019.7平均4.480.260.0235.528.1122.2BPF最高6.851.090.105123.0012.0031.7最低3.120.050.0013.703.989.5平均5.090.290.02635.148.0822.3*：表中涉及的水质指标均采用国家标准方法测定[7][8]。1.2生物量的测定天然环境中的大部分微生物属于有活性但不可培养型，很难在人工培养基上生长繁殖，所以基于培养的测定结果实际上远远低估了样品中的实际生物量[9]。磷脂是所有微生物细胞膜的主要成分之一，且在细胞中含量稳定，在不同的生理条件下波动相对较小，其中的磷酸盐用比色法很容易测定，是一种理想的生物量标志物。本文按照参考文献[10]采用脂磷法测定样品的生物量，以磷脂中的含P量表示生物量，1nmol-P相当于108个E.coli大小的细胞。2结果与讨论2.1三个生物滤池的生物量分布规律三个生物滤池均从2000年11月底开始进水运行，至2001年4月初生物膜已基本发育成熟，对各种污染物的去除趋于稳定，这时BF1、BF2和BPF填料表面下5cm处的生物量已经分别达到95.45、27.73和11.69nmol-P·(cm3)-1，如图1所示，此后的几个月里生物量的变化幅度不大，说明三个反应器自这时开始已经进入生物量的生成量与衰亡量大致相当，总量基本恒定的假稳态（pseudo-steady）时期。图1三个生物滤池填料表面下5cm处的生物量随时间的变化图2三个生物滤池中的生物量沿程分布 三个生物滤池中生物量的沿程分布见图2。不同反应器之间生物量的差异十分明显，如在1＃取样口，三个反应器的生物量之比为6.33:2.11:1；在同样距填料表面45cm处的BF1、BF2的3＃和BPF的2＃取样口，三者的生物量比为5.02:2.02:1。比较这三种反应器，三者的填料互不相同；BF1和BF2的进水和运行条件完全相同；BPF的进水中各种基质的浓度稍高一些，但滤速只有前两者的1/2，相应地，其基质负荷也只有前两者的一半左右。因为BF1和BF2之间的生物量差异要远远大于BF2和BPF之间的差异，所以可以认为造成三者生物量差异很大的原因主要是填料而不是基质负荷。饮用水原水属于贫营养系统，生物膜主要靠原水中的微生物细胞吸附在填料上并生长繁殖而成，因此填料是否拥有对微生物细胞优越的吸附功能和给微生物提供生长繁殖的良好微环境是反应器具有较高生物量的关键所在。三个生物滤池的填料分别是不规则状GAC和石英砂、柱状GAC和石英砂以及不规则状页岩陶粒，由于两种GAC的粒径远小于陶粒，而且具有发达的微孔结构，它们能为微生物细胞挂膜提供的比表面积就要远远大于后者，同时GAC的吸附性能又是陶粒所不具备的；而在两种GAC中，前者不规则的形状很显然还能提供更多的比表面积和更适合微生物生长繁殖的微环境。因此，三种填料挂膜性能优劣及生物量的排序是：不规则GAC>柱状GAC>不规则陶粒。从图2中还可以发现：随着取样口深度的增加，各个反应器的生物量呈明显的递减趋势。BF1、BF2和BPF最高和最低两个取样口生物量的比值分别为3.75、2.10和3.12，这显然和三个反应器均采用下向流方式，基质由上到下不断被生物膜氧化分解，营养水平沿填料深度递减有关。BF1和BF2的生物量在4＃取样口出现了较为明显的反弹，这是由于该取样口位于GAC和石英砂两种填料的交界稍偏下处，由于石英砂的平均粒径小于GAC，孔隙率小，截留了GAC层脱落的悬浮生物量所致，并不能说明石英砂的挂膜性能优于前者。2.2三个不同生物滤池对有机物的去除效果的比较 三个生物滤池对以CODMn表示的有机物的去除作用见图3和表2。BF1和BF2对有机物的去除效果非常接近，分别为18.30%和17.01%，BPF的去除率稍低于前两者，为15.92%；三者进出水平均浓度差，即去除量分别为0.86mg·L-1、0.78mg·L-1、0.79mg·L-1。可以看出，三者对有机物的去除作用之间的差异要远远小于生物量之间的差异，BF1数倍于BF2和BPF的生物量并未使它具有去除数倍于后两者的有机物的能力，BF2的生物量约为BPF的两倍，但是两者去除有机物的量却基本相等，这说明当反应器内的生物量达到一定水平后，有机物的去除作用将达到饱和，生物量不再是有机物去除的限制因子，高于此水平的生物量实际上是过量的，如在本研究中，至少BF1和BF2的生物量就是这样。Liu和Huck等人的工作[5]表明，在反应器的生物量处于从无到有的挂膜阶段时，有机物的去除率随生物量的增加而提高，而当生物膜进入假稳态后，GAC滤池中的生物量明显高于无烟煤滤池的生物量，但后者对可生物降解有机物（BOM）的去除却与前者接近，Urfer和Huck等的其它研究[4]也有类似结果，这些都可以印证本文生物滤池内生物量过量的观点。图3三个生物滤池对CODMn的去除作用表2三个生物滤池对CODMn的去除作用项目BF1和BF2BPF进水/mg·L-1BF1出水/mg·L-1BF2出水/mg·L-1BF1去除率/%BF2去除率/%进水/mg·L-11出水/mg·L-11去除率/%最高7.234.885.3638.6745.926.855.6539.65最低2.251.891.653.642.913.122.543.02平均4.483.623.7018.3017.015.094.3015.92相差数倍或更多的生物量处理着同样水平的基质，可以知道，生物量越多，其中的微生物细胞个体平均获得的能量物质和合成代谢的原料物质就越少，其代谢水平就越低，即细胞的生化活性会很低，这样一旦遇到冲击负荷的情况，微生物细胞依然可以通过提高活性加以应对，所以生物量的过量可能是一些生物滤池具有一定的抗冲击符合能力的原因所在。2.3生物量过量的生态学解释 反应器内形成一定规模的生物量是生物膜微生物细胞繁殖的结果。自然界中，从鲸到细菌的各种生物的繁殖策略基本可以分为r选择和K选择两类。一般认为，在稳定的环境中，能更好的利用环境承载力，达到接近逻辑斯谛方程中的饱和密度K的物种在自然选择中更为有利，其繁殖策略可以称为K选择，这些物种可称为K策略者；而在不稳定的环境中，具有较高繁殖力以补偿灾害所造成的损失的物种在自然选择中更为有利，通常表达繁殖力的测度之一是内禀增长率rm，因此这种繁殖策略可称为r选择，这些物种可称为r策略者[11]。这两种策略的一些典型特征见表7。实际上，r－K选择只是各种生物自然选择模式的两个极端，多数物种是以一个、几个或大部分特征居于这两者之间。而微生物微小的个体、极短的世代时间正是r策略者的典型特征；生物滤池进水水质和流量的波动足以造成对它们而言生境的不稳定；微生物物种和功能的多样性使它们的种内、种间竞争不会处于很激烈的状态，因此各反应器中的微生物将采取r-选择的繁殖策略，即在环境条件允许下以尽可能高的繁殖力去适应反应器内的微环境，从而造成了反应器中生物量的过量。表7r-策略者和K-策略者的某些特征[11]影响因素r-策略者K-策略者环境条件难以预测稳定，可预测死亡非密度制约密度制约存活存活率低存活率高数量低于环境承载力通常临近K值竞争通常不紧张经常保持紧张体形小大生长发育快慢繁殖一次多次寿命短长最终结果高繁殖力高存活率3结论（1）生物膜发育成熟之后，生物滤池中的生物量基本保持不变，进入生成量与衰亡量大致相当的假稳态阶段。（2）不同生物滤池间生物量差异很大，不规则GAC滤池>柱状GAC滤池>不规则陶粒滤池，这种差异主要由填料性质（吸附性能和比表面积）决定。（3）不同生物滤池对有机物的去除效果差别不明显，说明至少两个GAC滤池中的生物量是过量的。这一现象可以解释反应器的抗冲击负荷能力。生物量过量本身可以用生态学中的繁殖策略理论解释，滤池中的微生物属于r-策略者，会通过高繁殖力的对策来适应反应器内的环境。参考文献[1]BouwerE.J.andCroweP.B.Biologicalprocessesindrinkingwatertreatment[J].J.AWWA,1988,80(9):82-93[2]HuckP.M.,ZhangS.andPriceM.L.BOMremovalduringbiologicaltreatment:afirst-ordermodel[J].J.AWWA,1994,86(6):61-71[3]WangJ.Z.,SummersR.S.,MiltnerR.J.Biofiltrationperformance:part1,relationshiptobiomass[J].J.AWWA,1995,87(12):55-63[4]UrferD.,HuckP.M.,BoothS.D.J.andCoffeyB.M.BiologicalfiltrationforBOMand