序批式生物膜法除磷生物膜试验研究

李军　　　　　 聂梅生　　　　　　　　　　　　　　 王宝贞　　　　　　　　 赵琦
（北京工业大学建筑工程学院）（哈尔滨工业大学市政与环境工程学院）（首都师范大学生物系）

　　前言

　　水体的富营养化现象已成为人类所面临的严重的水环境问题之一，降低废水中的氮尤其是磷含量是防止水体富营养化的主要任务。填料载体上生物膜是处理系统发挥作用的主体，研究序批式除磷反应器中生物膜的特性和主要微生物组成、探讨究竟是哪些微生物在生物膜除磷过程中起主要作用，是探明序批式生物膜除磷机理的重要课题。

　　1　序批式生物膜除磷反应器中生物量的测定

　　1.1测定方法
　　（1）从笔者稳态试验运行的序批式生物膜法除磷反应器中^［1］取出有代表性的填料，将填料放入容器中加入一定量的蒸馏水搓洗，把含洗脱膜的水转入2000ml量筒中，重复搓洗3-5次，直至填料上的膜全部洗脱下来而填料变成白色为止，再往盛洗脱膜的量筒中加蒸馏水至满刻度；
　　（2）取混匀的洗脱液200ml，测定103℃-105℃烘干的总残渣；取混匀的洗脱液200 ml，用定量滤纸抽滤，然后取所得滤液，测定103℃-105℃烘干的总可滤残渣，得悬浮固体M_S’=总残渣-总可滤残渣；
　　（3）把经过（2）测得的总残渣和总可滤残渣分别在550℃的马福炉中灼烧30分钟，取出在干燥器内冷却后称量至恒重，得总残渣和总可滤残渣的灼烧残渣，则挥发性悬浮固体M_VS’=（总残渣-总残渣的灼烧残渣）-（总可滤残渣-总可滤残渣的灼烧残渣）；
　　（4）在取走填料的反应器中立即取混合液200ml，同步骤2）、3）分别测出反应器中混合液的悬浮固体M_S”和挥发性悬浮固体M_VS”，则得反应器中悬浮固体M_S和挥发性悬浮固体M_VS的计算公式：

　　

　　反应器中MLVSS和MLSS的表达式：MLSS＝1000 M_S/V （mg/l）
　　MLVSS＝1000 M_VS/V（mg/l）
　　　式中：M_Sｉ’－第ｉ种代表性填料的悬浮固体，g
　　　　　　M_VSｉ’－第ｉ种代表性填料的挥发性悬浮固体，g
　　　　　　N_ｉ －第ｉ种代表性填料相同或相似的填料数
　　　　　　ｎ －代表性填料的种类数
　　　　　　M_S”－混合液的悬浮固体，g
　　　　　　M_VS” －混合液的挥发性悬浮固体，g
　　　　　　Ｖ －反应器容积，ｌ
　　1.2　测定过程及结果
　　将所取代表性填料分成上、下两段，每段长度均为55cm，然后把每段作为单独的有代表性的填料，按上述测定方法进行测定，反应器中有８根相同填料，结果如表１。

表１ SBR生物膜反应器中生物量测定结果 填料位置 M_si’
(g) M_vsi’
(g) M_vsi’/M_si’
(%) 反应器混合液
(g) 总SS
(g) 总VSS
(g) MLSS
(mg/l) MLVSS
(mg/l) 上部 1.2423 0.8125 65.40 M_S”=0.002965
M_VS”=0.001425 194.8072 121.6928 8854.9 5531.7 下部 1.5360 0.9238 60.14

　　由表１知，SBR生物膜反应器中生物量非常大，超过淹没式软填料生物膜工艺^［2］、SBR除磷活性污泥系统^［3］和A²/O活性污泥系统中的生物量^［4］，反应器中上部生物膜活性高于下部。

　　2　生物膜污泥产率及污泥含磷量

　　2.1污泥产率
　　由于SBR生物膜除磷工艺的特殊性，可较方便地测出运行一个周期后的污泥产量。在进水负荷为１.00kgCOD/m³/d时，将一周期后脱落的污泥取出，过滤后于103℃-105℃烘干，称得MLSS＝1.0733g，产泥率为0.1996kg干泥/kgCOD，介于传统生物膜法和传统活性污泥法的产泥率之间，与以消化为目的延时曝气活性污泥法的产泥率接近^［4］。
　　2.2污泥含磷量
　　准确称取污泥风干样品0.0744 g，在样品上下各铺一层NaOH于镍坩埚中，将坩埚放在酒精喷灯上到样品处于熔融状态，用铁夹将坩埚取出在水中急冷，用蒸馏水多次洗涤坩埚，用(1+1)H₂SO₄中和至pH<７，定容至1000ml^［5］。
　　将上述溶液再稀释20倍后取50ｍl于比色管中，加入5ml钼酸铵溶液混匀，加入0.25ml氯化亚锡溶液，充分混匀，室温放置15min后，于700nm波长处以零浓度空白为参比，测定吸光度，在标准曲线上查得相应的含磷量为0.2108mg/l，污泥中磷含量为5.67%。

　　3　生物膜沉降特性

　　计时进行静止沉淀。把量筒中洗脱液混均,然后让其进行静置沉淀，分别记下静沉时间及污泥沉淀层容积. 实验结果如图1，可见纤维填料上生物膜上、下部都具有良好的沉降性，有利于脱落生物膜沉淀，使出水水质稳定。

　　4　除磷微生物特性研究

　　4.1试验材料
　　生物膜样品
　　本试验所用生物膜混合液取自笔者试验中稳态运行的序批式生物膜反应器中填料载体上的生物膜^[1]。
　　检样1为生物膜反应器除磷试验的前期（反应器运行第四个月）样品，检样2为中期（反应器运行第六个月）样品。
　　培养基
　　牛肉膏蛋白胨培养基(营养琼脂)。
　　4.2试验方法
　　（1）检样处理
　　无菌操作取出生物膜，测量表面积。检样1，0.2217 cm²；检样2，0.2165 cm²。然后用灭菌剪刀将生物膜剪碎，放入装有灭菌生理盐水玻璃珠的三角烧瓶中，充分振荡，将生物膜上细菌洗下，以此生理盐水悬液作为菌落总数测定，细菌计数按标准平板法进行^[6]。
　　（2）菌落总数确定
　　将上述生理盐水悬液进行适当的10倍递增稀释，然后取各稀释度悬液0.1ml进入营养琼脂平皿上，用灭菌“L”形玻璃棒将其涂布均匀，放入36℃温箱中培养24h，然后连续观察3天。
　　（3）菌相分析
　　取上述各稀释度菌悬液0.1 ml加入普通营养琼脂平皿上，用“L”玻璃棒将涂布均匀的一组放在36℃温箱培养，另一组放入厌氧罐中，36℃培养，连续培养72h，取出并观察结果，选30－300个的平皿，进行菌相分析，选取菌落形态一致的菌为一组菌，然后进行革兰氏染色，做八项常规试验和十项常规试验确定其为哪个菌属的细菌。其中，八项常规试验包括：形态、动力、需氧生长、接触酶、氧化酶、葡萄糖利用试验、OF试验，十项常规试验包括：抗酸染色、形态、芽孢试验、动力、需氧生长、厌氧生长、接触酶、氧化酶、葡萄糖利用试验、OF试验。试验结果根据《伯杰氏系统细菌鉴定手册》所述的方法进行^[7]。
　　4.3试验结果
　　（1）菌落总数

表1 菌落总数 检样1 检样2 稀释度 10^-3 10^-4 10^-5 10^-4 10^-5 10^-6 菌落数 >300 210 17 >300 127 14

　　由上表得出：检样1的菌落总数：2.52×10⁸个/ml
　　检样2的菌落总数：1.56×10⁹个/ml
　　（2）菌相分析结果
　　普通营养琼脂平板在36℃下培养24h
　　需氧培养：检样1在10^-4稀释度平板上长出210株菌落
　　检样2在10^-5稀释度平板上长出127株菌落
　　厌氧培养：检样1、检样2均无细菌生长
　　菌相分析结果见表2。由表2可见优势菌属为假单胞菌属，其次依顺序为气单胞菌属、芽孢杆菌属、微球菌属、硝化杆菌属。

表2 菌相构成分析表 菌属 检样1 检样2 菌群 菌相构成比(%) 菌群 菌相构成比(%) 假单胞菌属 98 46.67 64 >50.39 气单胞菌属 70 33.33 36 >28.35 芽孢杆菌属 34 16.19 18 >14.17 微球菌属 6 2.86 5 >3.94 硝化杆菌属 2 0.95 4 >3.15 合计 210 100 127 >100

　　4.4讨论
　　4.4.1序批式生物膜反应器不同运行期生物比较
　　（1）细菌总数
　　在除磷试验的中期生物膜中细菌数量远超过初期，约为初期的5倍，这是因为生物膜不断驯化培养后，逐步成熟的原因。
　　（2）菌相组成
　　由表2知，在运行中期假单胞菌的构成比例超过初期。同时，气单胞菌属、芽孢杆菌属的构成比却低于初期。这说明，假单胞菌属为本系统的优势菌属，且随着运行时间的延长，而更加稳定。另外，硝化杆菌的比例在运行中期也高于初期，说明，随着运行时间的延长，本系统的硝化功能趋于提高。
　　4.4.2与除磷工艺中活性污泥混合液菌相构成比较
　　以往人们认为不动杆菌属在活性污泥除磷过程中起着最主要的作用。但是，在本试验中却没有发现不动杆菌属。Hascoet^[8]发现，运行良好的间歇式生物脱氮除磷试验装置的污泥混合液中几乎找不到不动杆菌，清华大学周溪岳^[3]、华东师范大学朱怀兰^[9]的间歇式污泥除磷试验装置中，也没有找到不动杆菌。此外，即使在一些装置中，不动杆菌属相当多，但它在除磷过程中所起的作用都不大。当然由于所采取工艺、原水水质、运行条件不同，活性污泥混合液内微生物组成和数量会有差异，但是这说明了以往的废水生物除磷主要是由不动杆菌属完成的观点是不够全面的。
　　另外，同样是间歇式除磷工艺，本试验采用的序批式生物膜与序批式活性污泥的菌相构成有相似也有不同，其比较见表3。由表3知，两者最大的不同是在淹没式生物膜除磷系统中有硝化杆菌属，而序批式活性污泥系统中没有。

表3 序批式生物膜与序批式活性污泥菌相构成比较表 菌属 生物膜菌相构成比
(%) 菌属 活性污泥^[3，9] 菌相构成比(%) 1 2 假单胞菌属 50.39 假单胞菌属 51.3 44.6 气单胞菌属 28.35 气单胞菌属 芽孢杆菌属 14.17 棒杆菌属 25.1 21.5 微球菌属 1.94 不动杆菌属 18.4 27.7 硝化杆菌属 23.15 肠杆菌属 1.1 6.2 合计 100 合计 100 100

　　4.4.3主要菌群的功能
　　Cloete等人^[10]的研究认为，假单胞菌属、气单胞菌属、不动杆菌属等都不仅能有效地降解有机物，而且能过量摄取废水中的磷以聚磷酸盐颗粒的形式贮存于细胞内，同时还能还原硝酸盐进行反硝化脱氮。另外芽孢杆菌属、微球菌属、肠杆菌属等，也具备上述功能，这与本试验研究是基本一致的。气单胞菌的另一主要功能是发酵产酸作用，即在厌氧段将合成废水中的蛋白质之类的大分子物质发酵成小分子的挥发性脂肪酸，而一般硝化杆菌的作用是进行硝化。本试验在稳定运行期有很好的硝化以及去除COD、氮和磷的效果^[1，11]，从而进一步验证了上述观点。
　　4.4.4细菌总数比较
　　本试验稳定运行期细菌总数为1.56×10⁹个/ml，是稳定运行期SBR活性污泥系统细菌总数(4.6×10⁸个/ml)的3倍多^[3]，从而使得序批式生物膜除磷系统从除磷菌数上更有利于除磷。

　　5　除磷生物膜生物相

　　5.1原生动物和后生动物的特征
　　序批式生物膜反应器从进水到出水，有机物浓度变化很大，然而其中的微生物相却比较稳定，而且在数量上也没有出现大起大落的情况。原生动物主要为纤毛虫类，其中出现频率最多的是固着型纤毛虫类，有钟虫、累枝虫和盖虫；其次是游泳型纤毛虫，有草履虫（主要在进水时出现）、贤形虫和漫游虫。另外，生物膜中也有少量的绿眼虫和变形虫。生物膜中出现的后生动物有线虫类、轮虫类、甲壳虫类等。甲壳虫动物主要为水蚤类。
　　值得指出的是序批式反应器生物膜上的生物相并没有象传统的生物膜法那样，随着从进水到出水而改变，相反在整个处理过程中，象钟虫、累枝虫、线虫等一致生长良好，而且在数量上没有出现大起大落，这些适于在低污染度条件下生活的微生物仍能存活，只是随环境条件的改变，原生动物和后生动物的形态也随之变化，因此，在同一周期内，淹没式生物膜反应器中的原生动物和后生动物种属不宜用来指示水质，而只能从原生动物的形态来指示水质。
　　5.2原生动物和后生动物的作用
　　原生动物可直接利用水中有机物质，对水中有机物的净化起一定的积极作用，更主要是原生动物是以吃细菌为主，而后生生物是以细菌、小的原生动物和有机颗粒等为食物，从而形成食物链和不同营养级的消费者生物，与反应器环境形成一个生态系统。
　　细菌、原生动物和后生动物的活性在好氧条件下要比无氧条件下大大提高，所以序批式生物膜除磷反应器在从厌氧转为好氧时，除磷菌的繁殖速度将大大加快，而原生动物、后生动物的捕食能力也逐渐增强，而这时被吞食的除磷菌大都是过量摄取了磷的细菌，因此，原生动物、后生动物在体内富集了磷，而这些磷将随同其死亡尸体转入污泥，从而有利于提高序批式生物膜反应器中脱落污泥的磷含量；其次，在好氧段由于原生动物、后生动物的活动可软化生物膜，促使生物膜松动、脱落，并提高氧转移率，从而能使生物膜保持经常活性和良好的净化功能，既有利于去除有机物也有利于除磷。

　　6　结论

　　（1）序批式生物膜除磷反应器中，生物量大，MLVSS达5531.7mg/l；细菌总数多，为1.56×10⁹个/ml，从而为生物除磷在菌数上奠定了基础。
　　（2）脱落污泥沉降性好、含磷量高，污泥产率为0.1996kg干泥/kgCOD。
　　（3）生物相稳定，对序批式生物膜除磷工艺而言，原生动物和后生动物的种属不宜用来指示水质，而只能从原生动物的形态指示水质。
　　（4）序批式生物膜除磷工艺中优势菌属为假单胞菌属，其次依顺序为气单胞菌属、芽孢杆菌属、微球菌属、硝化杆菌属。

　　参考文献

　　1　李军、王宝贞、聂梅生, 序批式生物膜法除磷工艺试验研究，2001
　　2 Wang B., Li G., Yang Q. And Liu R, Nitrogen Removal by a Submerged Biofilm Process with Fibrous Carrier, Wat. Sci. Tech. ,1992，26(9-11), 2037-2089
　　3　周溪岳，废水生物除磷机理及间歇式生物处理工艺的研究，清华大学博士论文，1990
　　4　兰淑澄等，A²/O生物处理系统污泥特性的研究，北京市环境保护研究院，1994
　　5　国家环保局编，水和废水监测分析方法（第三版），中国环境科学出版社，1988
　　6　罗雪云主编，食品卫生微生物检验标准手册，中国标准出版社，1995
　　7　Krige.N.R., J.G.Holt etal. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology Vol.1. London: Williams & Wilkins Baltimore,1986
　　8　Hascoet.M.C., et al. Biochemical Aspects of Enhanced Biological Phosphorus Removal from Wastewater. Wat.Sci.Tech., 1985, Vol.17, No.11/12
　　9　朱怀兰，SBR除磷系统中的积磷细菌。给水排水技术动态，1994，No.2
　　10　Cloete,T.E.and P.L.Steyn.The Role of Acinetobacter as a Phosphorus Removing agent in Activated Sludge . Wat.Res, 1988, Vol.22, No.8
　　11　Wang Baozhen and Li Jun, Simultaneous Phosphorus and Partial Nitrogen Removal by Submerged Biofilm SBR System，1st World Water Congress of the International Water Association (IWA)，2000, July