生物流化床反应器生物膜特性研究进展
第3卷第9期2002年9月环境污染治理技术与设备
TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControlVol.3,No.9Sep.2002
生物流化床反应器生物膜特性研究进展
李 平 吴海珍 韦朝海
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2
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(1.华南理工大学环境科学研究所,广州510640;2.华南理工大学食品与生物工程学院,广州510640)
摘 要 生物流化床技术应用于废水处理领域具有广阔的发展前景。生物流化床反应器对污染物的降解主要依赖于活性生物膜,研究生物膜的特性是提高反应器效率的重要手段。本文对描述生物膜特性的主要参数进行了综述,其中,生物膜种群构成的差异是影响反应器效率的最重要因素,本文重点探讨了生物膜中微生物的种群分布特征、种群的生态演替过程与反应器性能的关系。在此基础上,提出了对生物流化床生物膜特性进行强化的几种手段。
关键词 生物流化床 生物膜特性 废水处理
Theprogressontheresearchofbiofilmcharacteristics
inbiologicalfluidizedbed
LiPing1 WuHaizhen2 WeiChaohai1
(1.EnvironmentalScienceInstitute,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2.CollegeofFoodandBioengineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640)
Abstract Biologicalfluidizedbed(BFB)willbegreatlydevelopedinwastewatertreatment.Thebiodegradationprocessdependsupontheactivebiofilm.Itisanimportantapproachtostudythebiofilmchar-acteristicstoimprovethebiodegradableabilityofBFBreactor.Severalkeyparametersofthebiofilmcharac-teristicsarereviewedinthispaper.ThemicrobialcommunitystructureisthemostimportantfactoreffectingtheefficiencyofBFB.Therefore,therelationbetweenthemicrobialcommunitydistribution,ecologicalsuc-cessionandtheBFBefficiencyisspeciallydiscussedinthisreview.Besides,severalmeasureshavebeenputforwardtoenhancethebiofilmcharacteristicsofBFBreactor.
Keywords biologicalfluidizedbed;biofilmcharacteristic;wastewatertreatment 废水的流化床生物处理是继流化床技术在化工领域广泛应用之后发展起来的。生物流化床技术是使废水通过流态化并附着生长有生物膜的颗粒床,使废水中的基质在床内同均匀分散的生物膜相接触而获得降解去除[1]。生物流化床处理污水的研究和应用始于20世纪70年代初的美国,20世纪70年代中后期,生物流化床处理城市污水和工业废水在工程上开始得到推广。从本质上讲,生物流化床是一类既有固着生长法特征又有悬浮生长法特征的反应器,具有容积负荷高、传质速度快、抗冲击能力强、占地面积小、运行稳定等优点,已越来越受到水处理界的重视。
生物流化床反应器对污染物的降解主要依赖于生物膜。已有的研究和产业化实践表明[2],生物流化床反应器对废水中有机污染物的降解效率还远没有达到理想的水平。迄今为止,生物膜还是一个 黑
匣子 ,人们对生物膜特性的认识还很粗浅,因此,阻碍了生物流化床应用于废水处理的产业化进程。研究生物流化床反应器中生物膜的特性是提高反应器处理效率的重要手段。本文将对生物流化床反应器中生物膜的结构、形成过程、影响其对有机物降解性能的因素及有关的研究进展作一综述,最后提出对生物膜特性进行强化的几种手段。
1 生物膜及其形成过程
生物膜是一种活跃地生长发育着的单一或混合的微生物群体,它不可逆地附着在一种活性的或非活性的载体表面,形成于自然环境或人工环境中,是由好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物和较高等动物组成的微生态体系。生物膜的形成过程大致为:当有机废水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体时,水中的悬浮物及微生物被吸附
[3]
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于固相表面上,其中的微生物利用有机底物而生长只是其中具有较强生物活性的生物量部分。研究发
繁殖,逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。现,在生物膜的线性增长阶段,生物膜量的增加并没这层生物膜具有生化活性,又进一步吸附、分解废水有贡献于底物去除率的提高,因此,这些增加的生物中呈悬浮、胶体和溶液状态的污染物。
量在生物代谢的角度来看不具有生物活性。基于此,很多学者提出生物膜的生物量可以按照生物活性划分为两类:活性生物量(Ma)和非活性生物量
(Mi)。前者主要负责降解进水底物,它处于新生菌落及已经存在菌落的表面和边缘部分;后者则代表在底物降解过程中不起任何作用的生物膜量,主要集中在菌落内部。生物膜中的活性物质在生物膜总量中占的比例很小,但正是这些活性物质担负着所有生化反应进行的任务。在生物膜研究中,生物膜的干重反映的是生物膜的总重量,可挥发性生物膜量反映了活性生物膜量的信息。一般采用550 马福炉灼烧的方法测定可挥发性生物膜量。此外,生物膜活性的测定也常采用ATP法、TTC法、DNA法、总蛋白质法以及耗氧率(OUR)等方法3.2.2 生物膜厚度
[6]
2 生物膜的结构及对有机物的降解机理
2.1 生物膜的结构
生物膜的结构对有机污染物的降解效率极其重要[2]。微生物细胞几乎能在水环境中的任何适宜的载体表面牢固地附着并生长繁殖。在生物流化床反应器中,通过微生物细胞分泌的各种胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠绕结构。它通常具有孔状结构并具很强的吸附性能,能吸附废水中大量的溶质和无机颗粒,因此,我们在反应器中常见的生物膜是由有生命的菌体细胞和无生命的无机颗粒所组成的复合体。学术界对生物膜的结构提出了不同的观点。有研究者认为,一些生物膜不再看作是连续的层状结构,而更多地看作是附着在一起由独立的堆体或群落的随机组合,这些堆体或群落周围存在很多通道,水和捕食的原生动物可以通过这些通道移动。
2.2 生物膜对有机物的降解机理
由于生物膜的吸附作用,在膜的表面存在一个很薄的水层(附着水层)。当废水流经已驯化好的生物流化床反应器时,废水中的有机物经附着水层向微生物膜内部扩散。膜内微生物在氧的参与下对有机物进行分解和机体新陈代谢。分解代谢产物沿底物扩散相反的方向从生物膜传递返回到水相和空气中,从而使废水中的有机物得以降解[3,4]。
[2]
。
生物膜厚度是研究生物膜增长动力学、底物去除动力学以及了解生物膜形态的实验基础。生物膜的厚度决定了反应器中微生物的浓度,因此,生物膜厚度是联系生物流化床流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数[8,9]。生物膜厚的测定采用直接显微法、微米计阻力法、微米计电导法、膜侧线法、
[6,8]
间接计算法等方法。3.2.3 脱氢酶活性
微生物脱氢酶活性直接与微生物对底物的代谢水平相关,是用来描述生物膜活性变化的重要参数。文献报道[8],采用INT法或TTC-脱氢酶活性测定法测定,通过相关数据的回归分析表明,脱氢酶活性测载体生物膜脱氢酶活性的办法对相应废水中有机物的处理效能进行预测。3.2.4 生物膜耗氧率
在有机物的好氧降解过程中,氧是微生物代谢的最终电子受体,耗氧率直接反映了微生物的代谢
3 生物膜的特性参数及对有机物降解性能
与底物去除负荷之间具有良好的相关性,可通过检
的影响
3.1 生物膜的特性参数
生物流化床反应器处理废水其效率直接取决于反应器内生物膜的特性。衡量生物膜对有机物降解效率的特性参数有[5 7]:挥发性生物膜量、生物膜
厚度、脱氢酶活性、生物膜耗氧率、生物膜总蛋白质、速率。因此,耗氧率是衡量好氧流化床反应器生物生物膜多聚糖、生物膜内微生物的种群分布等指标。膜特性和研究反应器动力学的重要参数,一般采用3.2 生物膜各特性参数简介及对有机物降解性能瓦勃氏呼吸仪测定。
的影响
3.2.1 挥发性生物膜量(活性生物膜)
在生物流化床反应器对水质进行净化的过程中,3.2.5 生物膜总蛋白质
蛋白质是生命体细胞的重要组成部分。它不仅反映了构成生物膜的微生物总量,更重要的是,它直
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法测定。
3.2.6 生物膜多聚糖[9]
多聚糖(polysaccherides)是细胞增长过程中的一种代谢物质,特别是细胞外多聚糖(exopolysac-charides)在细胞固定以及形成生物膜的过程中起着重要的作用。多聚糖在细胞的分泌、积累与细胞活性及数量有关,它在生物膜的研究中是经常测定的参数之一。多聚糖的测定可根据Dubois等人[6]提出的苯酚-硫酸比色法。
3.2.7 生物膜内微生物种群分布状况
生物膜内微生物的种群菌相构成决定了流化床反应器对有机物的降解效率,是反映生物膜特性的最重要的指标。目前主要采用扫描电镜及显微照相的方法进行分析。随着现代生物技术的发展,采用FISH(fluorescentinsitehybridization)技术、PCR技术或16SrDNA测序法可以对混合种群内的微生物进行直接鉴定而无需经过繁琐的常规培养过程
[10]
团组成,也有少量丝状菌,以钟虫为代表的原生动物固着生长在载体表面,线虫、轮虫等大量出现。当浓
度突然加大时(中浓度),需要经过10 15d的调整期,系统才能恢复正常。在此状态下,丝状菌的数量较低浓度下多得多,菌胶团包裹在载体表面,并有部分分枝状菌胶团向外发展。原生动物、后生动物种类及个数均减少。在高浓度下,表现为丝状菌异常发达,生物膜膨松,平均生物浓度增高,而菌胶团生物膜变薄。尹军等[8]对流化床反应器内生物膜采用显微照相,结果表明,在显微照片上能清楚地分辨出细菌、放线菌、霉菌、球衣细菌、原生动物(如钟虫)以及小型后生动物(如线虫)等。
在活性污泥体系中,微生物以悬浮状态存在,容易被水流冲出故其停留时间一般较短,世代时间较长的菌系(如硝化菌等)就很难生存。而在生物流化床中微生物以附着状态生长于多孔载体表面,其固
4 生物膜中微生物种群分布特征及研究
也能在反应器内生长繁殖,故流化床体系中生物种
进展
生物流化床反应器中微生物膜种群构成的差异是影响反应器效率的最重要的因素。对于混合种群的微生物膜,好氧菌群一般位于膜外部表层,而厌氧菌则集中于生物膜内部深层。增长率较高的菌群一般集中生长在膜的外表层,而增长率较低的菌群往往位于膜的内层[7]。生物膜作为一个功能化的有机体,其种群的分布是按照系统的各种功能需求而优化组成的。生物膜的种群分布不是种群间的一种简单组合,而是根据生物整体代谢功能最优化原则有机组成配置的[6]。
生物流化床废水处理系统生物膜中微生物的基本类群与常规活性污泥法处理系统中相类似。但两者生存环境不尽相同,因此存在差异。据文献报道[11],生物膜系统种群分布具有如下特征:厌氧和兼性厌氧菌的比例高;丝状微生物数量较多;存在较高等的微型动物;成层分布现象,即随着反应器内负荷的变化(污染物浓度的变化)出现优势菌分层分布现象。
对于生物膜系统中微生物的种群分布分析通常采用桔黄夹氮蒽染色 荧光显微镜观察法及扫描电镜观察法[6]。王世和、曾苏[12]采用扫描电镜对低中高污染物浓度下生物流化床反应器内生物膜进行扫,,类常常比活性污泥法为多。和活性污泥法相比,生物膜系统中出现了比较大型的生物,如营养水平较高的轮虫类、吸管虫类、寡毛虫类及线虫类等生物生长繁殖,因而食物链也比活性污泥法为长。根据生态学观点,环境因子对微生物个体的影响首先是影响某些敏感生物,然后通过微生物之间的相互作用逐步传递,最终当影响超过一定限度时才引起种群结构上的波动。正是因为生物流化床体系中生物相复杂、生物种类多,并按一定的结构组成了比较稳定的微生态群落,故当系统受到负荷冲击时,环境压力在逐级传递过程中受到削减,从而使流化床生物膜系统较活性污泥法具有明显的抗冲击负荷能力。
。体停留时间大大长于活性污泥法,生长缓慢但对出水水质影响较大的生物种类(如硝化菌、水蚯蚓等)
5 生物膜中菌群的演替过程
生物流化床反应器的挂膜菌种大多采用生活粪便污水或生活粪便污水和活性污泥的混合液,有时挂膜也可加入纯培养的特异菌种菌液[3]。通过底物的诱导作用,系统内混合微生物菌群会出现复杂的种群演替过程,产生针对目的分解底物的优势菌群(superobacteria)即出现在混合微生物群落中占优势的种属。笔者所在课题组的侯轶等人[13]曾对制药厂硝基苯苯胺类废水经过长期的驯化筛选分离出一株高效降解菌(Bacillussubilis,枯草芽孢杆菌),
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中,控制一定的反应器运行条件,可使某种或几种高效降解菌(优势菌群)在反应器内占优势,同时形成多种属混合菌系协同作用的稳定的生态体系。通过高效优势降解菌与混合菌系的协同作用,进水中的有机污染物得以高效率降解。韦朝海等[14]研究了多菌种、多基质条件下硝基苯的降解,从不同的菌源中筛选与驯化获得了硝基苯的高效降解菌枯草芽孢菌等,研究发现,各菌系之间存在协同降解作用,复合菌的降解作用明显优于单一菌株。
近年来,国际上对生物膜种群的研究已进入到微观领域,如采用氧化还原微电极技术研究生物膜中微生物过程的层化现象及其相关的氧化还原电位的变化规律。结果发现[15],氧化还原电位在生物膜中随膜深度的变化能够作为衡量生物膜中特定微生物过程存在的指示因子,生物膜氧化还原电位参数
来的群体动力学行为和硝化效率。Tijhuis,L等[20]研究了气升式生物膜反应器中硝化和异养生物量在培养基自纯硝化 异养培养 硝化的转换中生物膜的结构和群体动力学规律。研究发现,通过培养基类型的转换,生物膜的结构和功能发生了明显的变化,其硝化能力相应地发生由5 1 5kgN/m d的变化。另外,L.K.Sawyer和S.W.Hermanow-前提下,考察基质营养的消耗与生物膜脱膜速率的影响。研究表明,有望通过基质营养供应来控制生物膜的脱膜过程,以维持反应器中生物膜的高活性状态。
随着现代工业的发展,许多有毒有害的人工合成化合物排入到受纳水体中,这些人工合成的化合物难以被自然界固有的微生物菌系所降解。因此,采用常规的自然挂膜方法不能使流化床反应器适应
3
杆菌、门多萨假单胞菌、肺炎克雷伯式菌及人苍白杆icz[21]在研究实验中保持水力学等相关条件不变的
的变化与生物膜中微生物反应过程的更替相关联。种类迥异的废水基质。为了提高生物流化床反应器H.Satoh等[16]采用微电极技术和FISH技术研究了对有毒有害有机物的生物降解效率,必须对流化床基质C/N比对氨氧化菌的空间分布和活性的影响,评价了氨氧化菌和异养细菌之间对氧的种间竞争状况。研究结果清楚地阐明了生物膜内基质的变化对微生物空间层状分布的影响规律。以上研究表明,生物膜的微观分析技术(如微电极和FISH技术及其结合使用)为研究生物膜内多种属微生物的生态和种群动力学开拓了新的视野。
挂膜过程进行强化,使得经挂膜工艺后生成的生物膜针对待处理废水具有最佳生物降解活性。
笔者认为,可以通过如下几条途径对生物膜特性进行强化:(1)通过对生物流化床反应器挂膜期工艺条件进行优化,强化营养供给来刺激反应器内微生物菌群的生长,使生物膜对待处理废水的降解性能进一步提高。(2)在挂膜过程中向反应器内投加经自然选育的高效菌种。(3)采用基因工程手段,将针对特殊降解底物而构建的基因工程菌株投加到反应器中驯化,使之成为优势菌株以强化生物膜对底物的降解。(4)采用具有生物亲和性、孔隙结构发达的功能型新型载体强化生物膜对有机物降解的活性。
6 生物膜特性的影响因素及其强化途径
生物膜反应器中生物膜的形成其实质是微生物的生长。因此,从生物学角度来看凡是影响微生物生长与代谢的因素都会对生物膜的形态结构及其功能特性产生不同程度的效应。近年来,国际上对生
物膜特性的研究主要集中在基质组成、载体类型、反应器运行条件等因素对生物膜的形态结构、传质特性及各种功能特性的影响上。其中氧和基质供应对生物膜的特性有着重要的影响作用。研究表明,氧和基质传递以及微生物种间相互作用是产生生物膜结构和功能多样性的主要原因。J.C.Vuasenor
[18]
[17]
7 问题与讨论
目前对于生物流化床反应器应用于废水处理方面的研究相当活跃,国内对生物膜的研究较多集中在载体选择、反应器传质特性、优化控制等方面,是一种典型的 黑匣子 操作法,即只问结果不究过程
等人研究了不同碳源基质对生物膜形成的影响。(抑或是难究过程),对生物膜的研究都停留在宏观
研究发现,生物膜的结构决定于培养基质的类型。领域。真正对于有机物降解的关键 生物膜特性Okabe,S.等[19]研究了不同C/N比下非限制性混合群体生物膜中硝化细菌和异养细菌的群体动力学和硝化效率之间的关系后发现,生物膜中最初的微生)的研究很少。生物流化床反应器在废水处理领域的应用产业化的障碍在于其对各种有机废水的适应性及其降解效率上。因此,如何通过对流化床生物膜,
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特定类别废水微生物菌群的种群分布、生态演替方面的规律以强化反应器的处理效能,这将对推动生物流化床反应器在废水处理领域的产业化应用有着重大的意义。对于生物膜微生态系统中种群分布的研究将有助于阐明各菌系之间的协作机制,其普遍性规律的发现有可能使污水生物处理的理论与实践获得重大突破,也将使得流化床生物反应器的生物强化取得实质性的进展。
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(责任编辑:郑晓梅)