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进水负荷对曝气生物滤池内微生物的影响 * 张真江李继董文艺 哈尔滨工业大学深圳研究生院环境科学与工程研究中心， 广东 深圳518055 摘要 曝气生物滤池 BAF 技术集生物降解与固体截留于一体， 抗冲击负荷能力强。通过提高滤速， 可以增加处理容 量并节省空间与成本。综述进水负荷对 BAF 中生物膜形成、 生物的空间分布、 生物量、 生物活性等方面的影响， 指出 今后的发展应集中于研究生物膜的特点、 稳定高效的运行方式及处理效率与反应器微生物特征的相关性等方面。 关键词 曝气生物滤池; 进水负荷; 生物膜; 空间分布; 生物活性 INFLUENCE OF APPLIED LOADING ON MICROORGANISMS IN BIOLOGICAL AERATED FILTER Zhang ZhenjiangLi JiDong Wenyi Environment Science and Engineering Research Center， Harbin Institute of Technology， Shenzhen Graduate School， Shenzhen 518055， China AbstractBiological Aerated Filter BAFis a technology which is capable of biodegradation and solid separation in one stage with strong ability of anti-shocking loading. Increasing filtration rate can increase treatment capacity，thus saving space and cost. The influence of applied loading on the biofilm，spatial distribution，biomass and biological activity were summarized in this paper. Future study should be focused on stable and efficient running，the correlation between efficiency of reactor， microbial characteristics and so on. Keywordsbiological aerated filter;applied loading;biofilm;spatial distribution;biological activity * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2008ZX07317- 02 ; 深圳市 南山 区 科 技 研 发 资 金 南 科 院 2008006 ; 深 圳 市 科 技 计 划 项 目 SG200810130012A 。 0引言 曝气生物滤池 BAF 以其高效、 节能、 占地面积 小等特点在实际 中的应 用 不 断 增 加， 成 为 研 究 热 点 ［ 1- 2］。目前关于 BAF 的研究主要集中于处理效能、 工艺特性、 填料的选择等方面， 而有关进水负荷对生 物膜特性、 微生物种群组成、 空间分布、 活性等机理研 究却一直进展缓慢 ［ 3］。Cao 等［ 4］的研究表明， 生物膜 中微生物的群落构成与进水水质有关。受进水水质 和水力剪切力等流态特征的影响， BAF 生物膜的形 态和结构、 生物量、 生物活性以及微生物种群组成等 方面都各具特点 ［ 5］。进水负荷的影响， 加上硝化菌 的增长速率较慢以及异养菌对其空间和溶解氧的竞 争， 使得硝化作用并不是十分稳定 ［ 6］。在实际应用 中， 也存在有机碳严重限制硝化细菌进行生化反应的 问题 ［ 7- 8］。本文综述了进水负荷对 BAF 中微生物的 影响， 探讨了反应器内生物膜特征和微生物种群的变 化规律， 以期为深入研究提供参考。 1进水负荷对生物膜结构的影响 1. 1生物膜结构研究的重要性 生物膜结构是生物膜中传质机理与传质速率的 关键性因素 ［ 9］。对于生物膜结构的研究， 早期的数 学模型都假定生物膜是二维并且均质的。对整个工 艺过程分析不合理， 对某些机理的认识存在误区。在 没有考虑生物膜结构的情况下， 不能对系统整个过程 中的生物膜更替有一个正确的了解。 1. 2生物膜的形态和结构特征 邱立平等 ［ 10］通过扫描电镜观察发现， 稳态运行 时 BAF 生物膜在填料表面散乱分布， 表层有绒状随 机伸展结构; 部分生物膜表面有丝状菌体分布， 呈束 状缠绕。BAF 反应器中的生物膜厚度沿水流方向减 小， 表面粗糙度和伸展起伏程度下降。进水端至中间 部分的生物膜颜色为深灰色， 此后渐变为浅褐色至褐 色。孙文鹏等 ［ 11］的研究也得出与以上基本相同的生 04 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 物膜形态与结构。 1. 3不同负荷下生物膜结构的形成 赵玉晓等 ［ 12］分析了生物膜的形成过程， 得出载 体上的生物膜是固着态微生物自身生长的结果， 而非 悬浮态微生物的黏附作用的结果。可以通过控制进 水负荷使固着态微生物快速繁殖， 来达到快速挂膜的 目的。Suren Wijeyekoon 等通过 FISH 等技术手段对 生物膜的跟踪研究发现 在装置运行初期， 随着负荷 增大， 生物膜厚度增大。低负荷下， 细胞密度低且具 有多孔性， 形成了非常不规则的表面结构， 而在高负 荷下生物膜呈现出很密实的状态， 形成了连续体; 运 行 1 个月左右以后， 低负荷条件下的生物膜厚度超过 高、 中负荷条件下的生物膜且表面依然多孔， 而高负 荷反应器中的生物膜密实， 表面光滑， 没有可见的孔， 这一研究结果与模型的预测 ［ 13- 16］相符。作者认为， 在高基质负荷条件下， 区域达到生物饱和， 产生了低 孔、 高细胞密度的生物膜结构。低负荷条件下， 基质 通量相对较小， 很快被最初形成的生物膜消耗， 生物 膜细胞间的竞争激烈， 生物膜生长因基质缺乏受到阻 滞， 形成多孔结构。细胞密度的明显差异， 显示了在 不同的基质负荷条件下， 存在不同的生长速率， 提高 基质负荷对生长率有积极的作用。 2进水负荷对微生物空间分布的影响 对氨 氧 化 菌 与 硝 化 菌 的 沿 程 活 性 研 究 表 明 ［ 17- 19］， 异养菌在反应器的进口端生长较快并占据 优势。有些 BAF 要求生物膜在纵向上有相对稳定的 好氧区域和厌氧区域， 好氧硝化和厌氧反硝化得以渐 次进行， 实现生物脱氮。邱立平等 ［ 20］的研究表明在 不同进水负荷条件下 控制 HRT ， 曝气生物滤池总 氮去除率可达 60 ， 反应器内的好氧异养菌、 氨化细 菌、 硝化细菌、 反硝化细菌、 原生动物以及其他微生物 的种类和数量相对稳定， 生态结构在生物膜内部和沿 水流方向的空间分布上保持着较稳定的动态平衡。 氨氧化细菌和硝化细菌的比增殖速率和氧饱和常数 不同， 所以生物膜中空间位置不同， 在一定条件下反 应器中会出现亚硝酸盐积累。Sharma 等 ［ 21］认为， 进 水有机负荷对亚硝态氮氧化细菌的活性有抑制作用。 田文华等 ［ 22］对沿程滤料样品进行生物膜微生物相观 察发现 滤池内生物相非常丰富， 其中固着型纤毛虫 种类丰富、 数量众多， 以其数量明显变化的位置作为 区分 C/N 区和 N 区的标志。C/N 区的高度与进水 COD 负荷有关， 进水负荷升高， C/N 区和 N 区的分界 线也相应上移， NH3-N 去除率下降。因此为了保证 NH3-N 去除率， 反应器必须有足够的高度或者停留 时间。 李子敬等 ［ 23］认为反应器内不同微生物群落总是 趋向于分布在其各自具有最大竞争优势的区域。一 旦水力负荷增加， 原先保持的平衡将被打破， 异养菌 群凭借其较大的比增长速率将在空间竞争的过程中 占有优势， 使硝化菌群聚居的空间逐渐上移、 缩小， 并 在负荷足够大时被竞争出反应器， 即在反应器中发生 了微生物群落的演替。 3进水负荷对生物量与生物膜活性的影响 有机物的氧化与氨氮的硝化之间存在着相互影 响的关系， 这体现在微生物上即表现为反应器不同高 度处的生物量及其活性存在差异。邱立平等对反应 器中比较有代表性的区域进行了生物量和生物活性 分析。分析表明， 反应器内的生物量呈现沿水流方向 逐步递减的趋势， BAF 系统的生物量分布与单位生 物活性分布并不一致。杜尔登等 ［ 24］的研究也得出相 同的结论。 3. 1生物量的变化 BAF 中生物膜厚度与基质负荷及反冲洗强度有 关。朱小彪等 ［ 25］用脂磷法测定活性生物量， 表明活 性生物量受基质负荷的影响较大， 在有机物浓度较高 的进水端生物量丰富， 出水口附近生物量较少。 有研究表明 ［ 26］， 在同时除碳与除氮系统中， 生物 膜厚度不要超过 120 μm， 过厚会导致堵塞。根据传 统的生物膜理论， 过多的生物量对出水水质并没有贡 献， 因为活性生物膜厚度是有限的。研究中发现 ［ 27］， 进水负荷越高， 生物膜密度越大。高负荷滤池中单位 生物量分布变化不大， 这与相对较低负荷滤池中变化 明显的单位生物量分布相反。这是因为， 在较短的水 力停留时间下， 进料端的底物没有完全氧化， 降解的 发生贯穿于整个池体， 导致沿程单位生物量几乎相 同。而在相对较长的水力停留时间下， 大部分的基质 在进水端被氧化， 进水端有较高的生物浓度。因此， 不同的生物量分布可能是由于滤速所引起。 3. 2生物膜活性变化 Suren Wijeyekoon 等通过基质摄取率， 考察了生 物膜的活性。发现生物膜的代谢活性并不直接受进 水负荷的影响， 但是受与进水负荷相关的物理及生物 因素影响。一方面高的基质负荷通过增加基质通量 增加了活性， 另一方面， 高的基质通量又形成了密实 14 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 而低孔的生物膜， 阻滞了底物向内部的扩散。随着有 机物浓度的升高， 生物量快速升高， 异养菌在竞争中 占优势， 导致硝化细菌被推向生物膜内并远离进水 端 ［ 28］， 单位生物活性降低。这种生物量与单位生物 活性呈负相关的情况， 可能与较密实的生物膜结构分 布有关， 因为随着生物膜的生长， 内部细胞逐渐缺少 基质， 活性降低， 甚至失活。有研究表明 ［ 29］， 下层进 水端生物膜内部的微生物得到的基质和氧气量要小 于膜表面的微生物， 相应地它们的活性就要小一些， 这样整个生物膜的平均活性就要降低; 而上层出水端 生物膜厚度变小， 传质距离缩短， 膜内部和表面的差 距没有下层进水端的差距大， 这可能是单位生物量 SOUR 值在下层进水端低于上层出水端的原因之一。 日常运行中， 上层生物膜的活性会低于最大值， 实际 上处于一种 “饥饿” 的状态 ［ 30］， 因此反应器具有一定 的抗冲击负荷能力。 4进水负荷 C/N 对生物竞争关系的影响 当碳氧化和氮硝化处于同一反应器中时， 氧化有 机物的异养菌和硝化氨氮的自养菌之间存在着空间、 溶解氧和营养物质的竞争。特别是可生物降解的有 机物与含氮物质的浓度之比， 是影响生物硝化速率过 程的重要因素 ［ 31- 33］。 C /N 的变化会导致不同生物种群之间的生长竞 争， 并根据这种竞争定义了生物膜的组成 ［ 34- 35］， 这就 可能导致不良的硝化抑制作用。这种抑制作用可能 有两种原因 一种是生物膜中异养菌的数量增加， 二 是在固定生物膜中氧的传递问题。硝化细菌的生长 也需要碳源， 但是高浓度碳源， 会使异养菌快速生长， 从而限制自养菌 的生长， 进 而 导 致 硝 化 效 果 的 降 低 ［ 36］。当有机负荷升高时， 即使 C /N 不变， 硝化效 率也会下降 ［ 37］。硝化容量可以通过测定硝化速率或 硝化细菌的比例进行， Julin Carrera 等研究发现， 这 两种量化方式效果大致相同， 而 C/N 对两种方式的 影响也相似。S J Ballinger 等 ［ 38］通过 DGGE 变性梯 度凝胶电泳法 定性 C/N 对氨氧化菌群的影响并利 用荧光原位杂交 FISH 来量化菌群的变化， 结果表 明， 系统中的硝化菌群会对进水的 C/N 产生回应， 当 C /N 由 2 增加到 5 时， 原有的菌群消失， 被一类近似 的菌群 也会发生硝化作用 取代。当 132 d 后 C /N 恢复到 2 时， 原始的菌群并没有恢复， 但是硝化效果 提高很快， 一段时间后效果与初始时相当。可以看出 进水 C/N 对反应器中的微生物及处理效果有很大的 影响。因此， 在适当负荷条件下， 应尽量降低 C/N。 5进水负荷对自养硝化菌的影响 氮的去除很大程度上取决于硝化过程， 而自养硝 化菌是硝化过程的关键因素。已有的研究表明， 通过 合理的运行调控， 曝气生物滤池可以取得很好的除氨 效果， 其硝化效能可以接近 100 。早期的曝气生物 滤池均采用较低的负荷值， 但随着对曝气生物滤池研 究的深入和认识水平的提高， 负荷值近几年有逐渐加 大的趋势 ［ 39］。 5. 1水力负荷对自养硝化菌的影响 水力负荷对硝化菌的影响是双方面的， 一方面增 加了底物、 溶解氧的传质速率， 另一方面制约了底物 的停留时间。不同水力负荷下硝化效果的变化可以 间接反映出对硝化菌的影响。T schui［ 40］等人证实提 高水力负荷会增加反应器的硝化能力。R Pujol 等通 过对法国巴黎 Achresh 处理厂的上向流曝气生物滤 池两年的研究， 在水力负荷分别为 4 ～ 6 m/h， 6 ～ 8 m/h， 8 ～ 10 m/h 的运行条件下， 曝气生物滤池氨氮去 除率始终保持在 80 ～ 100 ， 认为提高水力负荷会 对硝化有积极的作用。J Cromphout［ 41］利用上向流曝 气生物滤池处理含氨的富营养化水源水， 也发现水力 负荷对硝化效率没有影响。黄晓东等 ［ 42］在进行了生 物活性滤池强化过滤动态试验时发现， 在 6 ～ 14 m/h 的水力负荷范围内， 对氨氮的去除效果不明显。目前 的研究表明， 水力负荷对曝气生物滤池内硝化菌生长 及空间分布的影响， 在很大程度上具有积极作用。但 是李思敏等 ［ 43］的研究表明随着水力负荷的提高， UBAF 的硝化性能下降， 且水力负荷越大硝化性能下 降的幅度越大。这可能与实验中的水质条件与填料 层的高度有关。在水力负荷相同的情况下， 低的有机 物浓度与高的填料层能够保证硝化菌的生长空间， 也 就能提高硝化效果。 5. 2容积负荷对自养硝化菌的影响 污水中基质质量浓度是影响硝化反应的重要因 素。异养菌以较高的生长速率及对溶解氧和生存空 间的竞争优势， 使得污水的硝化效果在一定程度上受 容积 负 荷 的 影 响。 Fdz-Polanco 等 研 究 发 现 进 水 ρ COD 低于 200 mg/L 时不影响硝化效能; 当进水 ρ COD 200mg/L 时，硝 化 效 能 将 下 降;当 ρ COD /ρ NH3-N 4 时， 生物膜内将出现不同的 功能分区， 硝化菌空间分布减小， 硝化效果变差。闫 立 龙 等 ［ 44］ 的 试 验 中 进 水 容 积 负 荷 为 4. 24 24 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 kg/ m3d 时， 去除效果仍可达到 70 以上。王海东 等在二级串联 BAF 中研究了容积负荷的影响， 结果 表明C /N柱的 COD 容积负荷可达 9. 4 kg/ m3d ; 当 进水 COD 负荷 0. 45， 表现出较好的生化性， 可以用生物法 进一步的去除， 使 COD、 TN 进一步降低。 参考文献 ［1 ］ ModellM.Treatmentforoxidationoforganicmaterialin supercritical water. 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