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中国预防医学杂志2仅)I年3月第2卷第l期伍innervM司,MaIChZ印1.vol.ZoN【实验研究】充氧载体改良生物膜结构的研究刘贯一利用充氧载体得到的生物膜(以下简称改良生物膜)可以在去除污水中的BOD的同时进行硝化已经得到实验验证。然而能否进行反硝化却未得到验证。能否进行反硝化的关键在于生长在充氧载体表面的改良生物膜外侧是否有生长良好的反硝化微生物。经初步分析可知,经过生物膜中的好氧微生物的消耗之后,最终在生物膜的表面OD值将等于O,所以如果没有其他的途径向污水充氧,那么生物膜的表面和污水中应呈无氧的条件。这里的污水中有足够的有机污染物作为反硝化微生物生长的碳源,这就为厌氧微生物,特别是反硝化微生物的生长提供了基本条件。众所周知,微生物需要附着在固体载体上才能聚集生存。此时如果没有其他的载体,厌氧微生物只能以生物膜的表面作为“载体”。但是,这个载体本身就是生物体,它能否满足厌氧微生物生长所需要的条件则要经过实验的验证。为此有必要研究生长成熟的改良生物膜的结构。材料和方法1.1试验原理:制造两个各种条件完全相同的一对反应器,各自放置一个用疏水性的中空纤维微孔膜制成的组件。两个组件的体积(即生物膜载体堆积体积,下同)、中空纤维间距、膜面积(即充氧载体面积)等完全相同,唯一不同之处是其中一个组件的中空纤维之间的空隙之中附上了筛网作为厌氧微生物的常规载体(此反应器暂称反应器B,另一暂称为反应器A下同)。让两个反应器在完全相同的条件下处理相同的污水,此时,生长在中空纤维微孔膜表面的硝化微生物的生长条件是一样的,硝化的能力自然相同,产生的N伍一N和Nq一N的浓度肯定相同,然后测定二者进、出水中的N仇一N和N仇一N的浓度变化,如果反应器A中的生物膜表面上有生长良好的反硝化微生物层,可以将硝化阶段产生的N几一N和N仇一N分解掉,则二者的变化就是一致的。反之,因为反应器B中有厌氧微生物的常规载体,其厌氧微生物的生物量较反应器大一些,不能被生物膜分解掉的部分N仇一N和N仇一N可以被这部分厌氧微生物分解,所以反应器B出水中的NO3一N和NO:一N浓度将比反应器A的要低一些。由此,分析出改良生物膜的结构形式。1.2试验材料:聚丙烯中空纤维微孔膜,购自国家海洋局海水淡化所。1.3试验水质:利用葡萄糖、可湿性淀粉、少量肉汁及M朗仇、eFclZ、咬HI〕O4和KH21仪等营养盐再加人适量的N践lC配制的人工污水。其中加入肉汁除了为模拟实际生活污水,丰富水中营养成分之外,也是为了使人工污水中含有少量的有机氮。N氏lC用来产生水中的N玩。人工污水基本指标:COcDr二3001琪少L、BO几二180nlg/L、NT、40nl留L、N姚二40m酬L,pH二7.5。N仇一N和Nq一N浓度为o01.4测试项目和方法:cOcDr:重铬酸钾法。BODS:标准稀释法。N场、NO3一N和N02一N:美国ADREN公司流动水质分析仪。oD:cy一2测氧仪。pH值:SH一2型氢离子浓度计。1.5试验流程及装置:每个反应器的容积为4.28L,中空纤维膜组件的体积:.000328衬;膜面积:0.的38时;折算比表面积:28.6时/耐。1.6试验过程:首先检查中空纤维微孔膜组件是否漏气,漏水。检查无误后,装配试验装置,装配完毕后精细调节,使两个反应器的各项条件(水、气压力,流量等)严格一致。然后,向定水压污水水箱中注入配制好的人工污水,启动整个试验装置,开始培养生物膜。为了加快生物膜的培养,成熟速度,在每个反应器中等量地投加了从污水处理厂的曝气池中取来的活性污泥,并且将人工污水的浓度配制的比较大。经过一周的培养,载体表面开始出现生物膜时即着手测定反应器内各点的OD值,监测培养过程中水中DO的变化。同时初步测定进水、出水BOD、COD等项指标。经过3周的培养,出水的各项指标已趋于稳定,生物膜的厚度基本稳定的时候。可以认为生物膜的培养已经完成,从备用放空管放出培养时落下的污泥,更换正式试验所用的人工污水,让生物膜适应1周,开始正式测定。作者单位:河北理工学院土木工程系,唐山肠3以为2结果2.1脱氮:脱氮的试验结果见附表。中国预防医学杂志2X(j1年3月第2卷第1期Chinp比vM司,M毗hZX()1,V.ol2哑1附表改良生物膜的脱氮结果取样时间(d)进水(栩岁L)出水(m以)L试样编号Nq一NN马一NNH3N场一NN仇一N反应器A去除率(%)反应器B去除率(%)反应器A反应器B反应器A反应器B拼斑00OCé20202523343332313132333838383433l0]210l2433220l54020巧l03837323ll3l4l4l42520呢仿lll243483738323214l4l5l42D25l3l4535839.10033.215.133215.10.25002()38.40032.615.132.714.80.2()00.20注:表中浓度为O者,其在仪器上有微弱的显示,但与仪器自身的背景噪声相混,不能分辨,故视其为O2.2去除BOD,COD:改良膜去除BOD,COD的能力已经在其他的试验中得到了验证,本次研究中不再重复。基本指标:在本次试验的条件下BOD的去除率约为75%,COD的去除率约为65%。2、3溶解氧oD沿浓度的分布:试验中利用测氧仪测定了反应器中DO沿深度的分布状况。测定结果表明常温下反应器中水面处的Do值大约为3一4ing/L,然后沿深度急剧下降,在水面以下or一巧cm处即接近于0,以下全部为无氧状态。2.4反应器上部及出水中的原生动物:在反应器上部及出水中可观察到大量水生动物。其中包含蚊子的幼虫、线虫等。显微镜观察后发现出水和反应器上部的生物膜上生长着大量的草履虫、游仆虫等原生动物。3讨论3.1关于改良生物膜的结构:从附表所列数据中进、出水的N姚和N仇一N及N仇一N的浓度变化可以发现,两个反应器都有较强的硝化、反硝化能力。因为反应器A的中空纤维微孔膜组件空隙中未为厌氧微生物设置常规载体,所以厌氧的反硝化微生物只能生长在改良生物膜的表层,由此说明改良生物膜的表面确实存在着一个反硝化微生物层。从表面到载体,按微生物种类来划分改良生物膜的结构为:厌氧层;好氧层。按功能划分则是:反硝化层;去除有机物功能层;硝化层。3.2改良生物膜的脱氮能力:附表中两个反应器的出水各项数据显示反应器A的脱氮能力低于反应器B。出水中仍有少量N仇一N及N仇一N,这说明改良生物膜的脱氮能力要弱于其硝化能力。笔者认为原因有二:①反应器A的厌氧微生物的生物量小于反应器oB②水中的原生动物对于改良生物膜的破坏作用。据观察,在反应器的上部水中有许多水生原生动物,其中还有一些较大的种类如孑不等。这些原生动物大多以水中的细菌之类浮游生物为食物来源,难免要在生物膜上活动,采食。它们的活动也不仅局限于接近水面的有氧区域,因某种原因如受到惊扰等,会沉入较深的无氧区域内,这些原生动物在缺氧的环境里也能数小时不死。在无氧区域上部的生物膜上曾观察到有原生动物的活动。这必然会对改良生物膜的状态造成影响。直接的后果就是将改良生物膜的反硝化层削弱甚至造成局部的破坏,导致反硝化能力的降低。而硝化层较为坚固,受破坏的程度较低,故硝化能力不受影响。据此分析,解决这一问题除了如反应器B的方案之外,还可以将整个反应器封闭,消除蚊虫等昆虫在反应器内产卵的途径。并切断大气对水体表面的充氧途径,使整个反应器内处于无氧状态,造成不利于其他原生动物生存的条件,从而抑制或制止其生存或生长。这样作的另外一个好处就是增加了厌氧的反硝化生物量。3,3改良生物膜结构的稳定性:改良生物膜的结构稳定性是比较好的,在无氧区下部,因为没有原生动物的影响,改良生物膜的生长状况非常的稳定。试验后期为了验证这一点,曾大幅度调整人工污水的各项污染浓度,其结果是生物膜外观几乎没有改变。(收稿日期:2X()l一01一02)