張軍1，聶梅生2，王寶貞3?
(1.南京工業(yè)大學(xué)城建系，江蘇南京210009；2.建設(shè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，北京100835；
3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：投加載體的膜生物反應(yīng)器中同時(shí)存在附著生長(zhǎng)和懸浮生長(zhǎng)的微生物，對(duì)HSMBR系統(tǒng)的生物相進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)懸浮生長(zhǎng)微生物中的大多數(shù)菌屬在生物膜中也同樣存在，這為微生物在附著相和懸浮相之間的轉(zhuǎn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物之間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，對(duì)微生物的構(gòu)成進(jìn)行了探討。
　　關(guān)鍵詞：復(fù)合膜生物反應(yīng)器；生物相；泡沫填料?
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)02-0053-03

1　HSMBR系統(tǒng)

　　帶有泡沫填料的復(fù)合淹沒(méi)式膜生物反應(yīng)器(HSMBR)系統(tǒng)將多種污水處理工藝整合在極其簡(jiǎn)單的裝置中，使系統(tǒng)兼具生物膜法、活性污泥法和膜分離的特點(diǎn)^［1］。HSMBR系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。原水經(jīng)前置反硝化A段進(jìn)入好氧生物反應(yīng)器，在出水泵的抽吸作用下得到膜過(guò)濾出水。?

　　好氧生物反應(yīng)器采用的泡沫填料是具有海綿蜂窩狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，孔隙率為90%，掛膜后其密度略大于水。填料的孔徑為0.5～1.5mm，有利于0.01mm的 細(xì)菌和0.1mm的原生動(dòng)物進(jìn)出。將填料串聯(lián)，上端固定在反應(yīng)器內(nèi)的支架上，另一端懸浮于水中，使其在反應(yīng)器內(nèi)能有束縛地漂動(dòng)。填料的介入為微生物提供了更加有利的生存環(huán)境，附著相和懸浮相微生物協(xié)作完成了對(duì)污染物的降解過(guò)程。?
　　HSMBR系統(tǒng)對(duì)污染物的去除主要由生物反應(yīng)器來(lái)完成，但過(guò)濾膜能使大分子難降解物質(zhì)在體積有限的反應(yīng)器中獲得足夠的停留時(shí)間而被去除。同時(shí)，過(guò)濾膜還能將幾乎所有的生物量截留在反應(yīng)器內(nèi)，使反應(yīng)器內(nèi)的總生物量維持在較高的水平，從而以緊湊的系統(tǒng)布置獲得較高的去除率。

2 生物量的測(cè)定

　　反應(yīng)器內(nèi)生物量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。 表1　　生物量測(cè)定結(jié)果 指標(biāo) 懸浮相生物量(mg/L) 附著相生物量(mg/g填料) 上部填料 中部填料 下部填料 外 內(nèi) 外 內(nèi) 外 內(nèi) O段反應(yīng)器 SS 4175 4290 1473 6227 1653 5778 1793 VSS 3465 3484 1109 5155 1125 4776 1245 VSS/SS 0.83 0.81 0.75 0.83 0.68 0.83 0.69 A段反應(yīng)器 SS 9153 5.9 3.8 2.5 VSS 6706 4.3 2.4 1.2 VSS/SS 0.73 0.73 0.61 0.50

　　從表1可以看出，A段反應(yīng)器中以懸浮生長(zhǎng)的微生物為主(占總生物量的99%以上)，由于陶粒填料填充率大(54%)，也可認(rèn)為這些微生物是松散地附著在陶粒表面的。VSS/SS沿水流方向有減小的趨勢(shì)，說(shuō)明生物活性有所下降。
　　在O段反應(yīng)器中懸浮相與附著相共存，并以附著生長(zhǎng)的微生物為主(約占總生物量的72%)。中部填料表面的生物量最多(7.88g污泥/g填料)，上部填料上的生物量相對(duì)較少(5.763g污泥/g填料)，下部填料上的生物量為7.571g污泥/g填料，這是由反應(yīng)器內(nèi)的底物濃度和曝氣強(qiáng)度等條件所決定的。填料內(nèi)部的厭氧污泥所占比例從上至下分別為25%、21%和24%。填料上VSS/SS值從上至下并無(wú)變化(均為0.8)，如圖2所示。?

　　填料表層生物膜的VSS/SS值比填料內(nèi)部的高，這種差異在中、下部填料較為明顯，而上部填料內(nèi)、外的VSS/SS值較為接近(如圖3所示)。?

　　圖3說(shuō)明在生物反應(yīng)器內(nèi)，DO充足的區(qū)域好氧附著微生物的活性較高，而在DO濃度相對(duì)較低的區(qū)域則厭氧附著微生物的活性較高。

3　生物相組成

　　從O段反應(yīng)器的中間取樣口取出一定的混合液及帶生物膜的填料，將其溶于無(wú)菌水中，充分振蕩以使生物膜脫離填料，然后用基礎(chǔ)培養(yǎng)基進(jìn)行平板稀釋分離，在37℃下培養(yǎng)24h，經(jīng)反復(fù)分離純化后對(duì)其進(jìn)行細(xì)菌單體、菌落形態(tài)的觀察及生理生化試驗(yàn)(鑒定到屬)^［2］，最終分離出6種菌屬：假單胞菌屬(Pseudomonas)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、微球菌屬(Micrococcus)、動(dòng)膠菌屬(Zoogleea Ltzigsohn)、氣單胞菌屬(Aeromonas)和黃桿菌屬(Havobacterium)，其中的優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬、葡萄球菌 屬和黃桿菌屬。從懸浮生長(zhǎng)的微生物中也分離出6種菌屬：假單胞菌屬、葡萄球菌屬、巨大芽孢桿菌屬(Bacillus Megaterium)、黃桿菌屬和鄰單胞菌屬(Plesiomonas)，其中假單胞菌屬和黃桿菌屬為優(yōu)勢(shì)菌種。除上述通過(guò)培養(yǎng)基分離鑒定出的菌膠團(tuán)細(xì)菌外，系統(tǒng)中 還存在大量的絲狀菌和放線菌。?
　　好氧反應(yīng)器內(nèi)還有種類(lèi)豐富的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，懸浮生長(zhǎng)的主要有前口蟲(chóng)、裸口蟲(chóng)、漠口蟲(chóng)、腎形蟲(chóng)、裂口蟲(chóng)、袋口蟲(chóng)、草履蟲(chóng)、長(zhǎng)頸蟲(chóng)和漫游蟲(chóng)等游泳型原生動(dòng)物及輪蟲(chóng)；附著生長(zhǎng)的主要有帶柄鐘蟲(chóng)、固著足吸管蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)、線蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、螵體蟲(chóng)等。鏡檢時(shí)還發(fā)現(xiàn)游 泳型原生動(dòng)物多聚集在生物膜及菌膠團(tuán)周?chē)妒秤坞x細(xì)菌。?
　　采用同樣方法測(cè)定缺氧反硝化A段生物膜中的異養(yǎng)型細(xì)菌，共檢出5種菌屬：假單胞菌屬、埃希氏菌屬(Echerichia)、微球菌屬、不動(dòng)細(xì)菌屬(Acinetobacter)和巨大芽孢桿菌屬。?

4　微生物的構(gòu)成

　　由于反應(yīng)器內(nèi)生態(tài)環(huán)境的不同，微生物的種類(lèi)、數(shù)量和代謝活性等也不相同，從而在微生物間形成相互聯(lián)系、相互制約的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，這種動(dòng)態(tài)平衡的形成和維持將直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果^［3］。?
　　投加載體的生物反應(yīng)器中同時(shí)存在附著相和懸浮相，懸浮微生物的大多數(shù)菌屬在生物膜中也同樣存在，這種共性為微生物在兩相之間的轉(zhuǎn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。無(wú)論是附著相還是懸浮相，都要通過(guò)吸附作用將污水中的污染物及DO吸附到微生物表面后才能進(jìn)行生物降解。生物膜外的DO在向內(nèi)層轉(zhuǎn)移的過(guò)程中不斷被膜內(nèi)的微生物消耗，使內(nèi)層處于缺氧或厭氧狀態(tài)。缺氧微環(huán)境的存在使兼性菌可以直接利用硝態(tài)氮進(jìn)行呼吸代謝，實(shí)現(xiàn)同步反硝化，厭氧微環(huán)境的存在使生物膜中聚磷菌的厭氧放磷和好氧吸磷過(guò)程同時(shí)存在。?
　　在好氧生物反應(yīng)器的生物膜或懸浮污泥絮體外層中好氧硝化菌和氨化菌占優(yōu)勢(shì)，能迅速吸附和降解含氮化合物；內(nèi)層則棲居著大量的厭氧反硝化菌和氨氧化細(xì)菌，它們利用外層優(yōu)勢(shì)菌產(chǎn)生的NO₃^-、NH+4等進(jìn)行反硝化反應(yīng)。另外，膜生物反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)負(fù)荷和其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)能力均較低，氨化菌、硝化菌、反硝化菌、厭氧氨化菌更容易成為優(yōu)勢(shì)菌，從而可取得穩(wěn)定、高效的脫氮效果。?
　　研究表明，硝化菌會(huì)優(yōu)先附著生長(zhǎng)在載體上^［4］。填料的介入為微生物提供了更有利的生存環(huán)境，所構(gòu)成的新生態(tài)系統(tǒng)在縱橫兩個(gè)方向上互相關(guān)聯(lián)。在縱向上微生物構(gòu)成一個(gè)由細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等多個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其中每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量都受到環(huán)境和其他營(yíng)養(yǎng)級(jí)的制約，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；在橫向上沿著水流到載體的方向構(gòu)成了一個(gè)懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動(dòng)能力、呼吸類(lèi)型、營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的微生物系統(tǒng)，從而大大提高了反應(yīng)器的處理能力和穩(wěn)定性。從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其穩(wěn)定性越強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境變化的能力也越強(qiáng)。同時(shí)由于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在特定的微環(huán)境中形成特定的優(yōu)勢(shì)菌屬使復(fù)合系統(tǒng)具有脫氮除磷的功效^［5］。?
　　對(duì)于懸浮生長(zhǎng)的生物相，根據(jù)懸浮污泥絮體大小、反應(yīng)器的負(fù)荷及DO水平的不同，也存在與附著生長(zhǎng)生物相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)^［6］。由于氧擴(kuò)散的限制，在微生物絮體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生DO梯度。在懸浮污泥絮體的外表面DO濃度較高，以好氧菌和硝化菌為主；在污泥絮體內(nèi)部則由于氧傳遞受阻和外部氧的大量消耗而產(chǎn)生缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢(shì)。反應(yīng)器內(nèi)的缺氧微環(huán)境是形成同步反硝化的主要原因。
　　在生物膜的多層結(jié)構(gòu)中，好氧區(qū)微生物的合成作用與活性污泥類(lèi)似，通過(guò)增殖可以使生物膜增厚，生物膜的加厚反過(guò)來(lái)又會(huì)影響DO和底物的擴(kuò)散傳質(zhì)，使一部分好氧微生物在轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)時(shí)死亡解體，溶出的細(xì)胞物質(zhì)則作為內(nèi)層其他厭氧菌的營(yíng)養(yǎng)源。由于生物膜內(nèi)有較 多營(yíng)養(yǎng)級(jí)較高的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物存在，它們對(duì)游離細(xì)菌和菌膠團(tuán)的捕食使生物量的增殖得到了控制，這兩方面的作用維持了附著生物量的動(dòng)態(tài)平衡。在復(fù)合系統(tǒng)中雖然存在兩相微生物，但附著相占優(yōu)勢(shì)地位，使系統(tǒng)內(nèi)的生物量能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5　結(jié)論　

　　在HSMBR系統(tǒng)中，填料的介入為微生物提供了更加有利的生存環(huán)境，附著和懸浮生長(zhǎng)的微生物協(xié)作完成對(duì)污染物的降解過(guò)程，其中附著生長(zhǎng)微生物占多數(shù)。兩相之間的可轉(zhuǎn)化性增強(qiáng) 了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制，使復(fù)合系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的復(fù)雜生態(tài)結(jié)構(gòu)使其具備了較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。
　　HSMBR系統(tǒng)通過(guò)生長(zhǎng)在生物膜中豐富的微生物種群的降解作用，可以有效去除有機(jī)物和氮。在反應(yīng)器內(nèi)沿著水流到載體的方向，構(gòu)成一個(gè)懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動(dòng)能力、呼吸類(lèi)型、營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的微生物系統(tǒng)。微生物之間形成了互相聯(lián)系、互相制約的動(dòng)態(tài)平衡體系。對(duì)污染物的去除由多種微生物協(xié)作完成。?
　　在反應(yīng)器內(nèi)特定的微環(huán)境中會(huì)形成特定的優(yōu)勢(shì)菌種，從而增強(qiáng)了反應(yīng)器的處理能力和適應(yīng)性。由于厭氧和缺氧微環(huán)境的存在，系統(tǒng)內(nèi)存在同步硝化和反硝化現(xiàn)象，聚磷菌的厭氧釋磷和好氧攝磷過(guò)程也同時(shí)存在，因此HSMBR系統(tǒng)在去除有機(jī)物的同時(shí)兼具脫氮除磷功效。?

參考文獻(xiàn)：

　　［1］張軍，王寶貞，聶梅生.復(fù)合淹沒(méi)式中空膜生物反應(yīng)器處理生活污水的特性研究［J］.中國(guó)給水排水，1999，15(9)：13-16.
　?。?］任南琪.水污染控制微生物學(xué)［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1993.
　?。?］林剛，何強(qiáng).廢水處理中微生物間相互作用初探［J］.給水排水，1998，24(12)：10-12.
　?。?］王建龍.復(fù)合生物反應(yīng)器處理廢水特性的研究［J］.中國(guó)給水排水，1998，14(2)：29-32.
　?。?］Wang Baozhen,Yang Quanda,?et al?.A study on simultaneous organic and nitrogen removal by extended aeration submerged biofilm process［J］.Wat Sc i Tech,1991,24(5):197-213.
　　［6］高廷耀.生物脫氮工藝中的同步硝化反硝化現(xiàn)象［J］.給水排水，1998，24(12)：6-9.

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　　收稿日期：2001-07-20