基于陶瓷载体的生物膜与废水处理效果之间关系的研究 66页

中文摘要随着我国工农业的快速发展，许多湖泊、水库、城市河道由于氮素超标引起的富营养化导致蓝藻的频繁暴发。因此氮素污染等所造成的环境问题已同益引起人们的关注。针对氮素超标所引起的水环境污染，人们采用了多种生物方法进行处理，其中生物膜法是一种有效的方法。可是在载体上生长的生物膜的结构，与废水降解反应之间是一个极为复杂的体系。如果能深入了解并掌握生物膜结构的状态和变化，这将在生物膜法处理废水技术上，对于改善其性能、提高其处理效果具有重大意义，然而目前对于这方面的理论研究却相当的缺乏。本文就陶瓷载体上的生物膜的生长情况及其一些影响因素进行了分析讨论，讨论的内容分为三个部分：第一部分利用微电极技术，检测了不同生长阶段生物膜的内部溶解氧浓度，研究了生物膜生长过程及生物膜活性。生物膜的生长过程是随着其厚度的增加，生物膜由致密结构变为疏松结构，溶解氧的渗透速率发生变化。根据测得的数据建立扩散反应方程，拟合发现零级动力学方程更符合所测数据。第二部分探讨了有机物在生物膜不同生长条件下降解的规律以及生物膜的内部结构的变化，主要讨论了反应器中不同位置、不同流速、不同碳源的条件下，生物膜的内部结构所受到的影响。在流速较慢，停留时间较长，负荷较低的情况下，反应器内的生物膜形态复杂，既有致密的生物膜又有疏松的生物膜。不同碳源的生物膜其结构不同，适宜生长的菌种也就会不同，微生物分布也会不同，导致生物膜的活性不同，氧传递效率也不一样，生物膜废水处理的效果也发生变化。第三部分讨论了生物膜在电镀废水处理中的应用情况，在处理时添加适量葡萄糖促进生物膜的生长，利用微电极测得在生物膜lmm处其溶解氧为4．7mg／L，此时氨氮去除效果明显。但当以甲醇为碳源时，生物膜表面致密，外观观察不到孔隙，在约0．5mm部分溶解氧浓度趋向零，氨氮的去除效果不佳。生物膜内溶解氧数据能够表征生物膜的结构状态。通过微电极对基于陶瓷载体上的生物膜内溶解氧浓度的监测，并据此研究生物膜中的微观反应动力学，研究结果表明过于致密或过于疏松的生物膜都不是活性最好的生物膜，外部疏松内部致密的生物膜菌种分布更为合理，可达到较好的废水处理效果。关键词：生物膜；内部结构；溶解氧微电极；废水处理nAbstractWiththerapiddevelopmentofindustrialandagriculturalproduction，manylakes，reservoirandurbanriverposeasevereriskofeutrophicationcausedbyexcessivenitrogenlevels，whichledtocyanobacteriabloomfrequently．Thustheenvironmentalproblemcausedbythenitrogencontaminationhasarousedpeople’Sattentionincreasingly．Aimingatwaterpollutioncausedbyexcessivenitrogenlevels，variouskindsofbiologicalmethodsarecardedfortreatment，amongwhichbiofilmtechnologyisaneffectivemethod．ItisnecessaryforUStoleamregularityofbiofilminordertoimprovethetechnologyofwastewatertreatment，althoughitisacomplexsystembetweenbiofilm’Sstructureandwastewatertreatment，andlackofstudiesonbiofilmconcemed．Situationofbiofilmontheceramiccarriersandsomeeffectfactorswerediscussedinthisarticleinthreeparts．Partone：Microelectrodewasusedtomeasureoxygenconcentrationinsidethebiofilmunderdifferentgrowthstages，andtheninvestigatebiofilm’Sgrowthprocedureaswellasitsbioactivity．Withtheincreasingofbiofilmthickness，biofilm’Smicro—structureloosedfromdensificationtoberesultedinthatDOpermeationratechange．Basedonthedata,diffusionreactionequationWasestablished，whichwasidenticaltozeroorderkineticequation．Parttwo：Regularitiesoforganiccompounddegradationwerediscussedunderdifferentconditionswithbiofilm’Sinner-structurevariation．ItWasdiscussedmainlythattheinnerstructureofbiofilmWasaffectedbydifferentpositioninthereactor,differentsubstrateflowvelocities，anddifferentcarbonrecourses．Biofilmhadcomplexformation，eitherdenseorlooseinreactor,inthelowerflowingvelocityorrelativelylongerHRT,orlowerloadcondition．Distinctmicro-structureisculturedbydifferentcarbonsources，whichaffectthebacteriaspeciesgrowthandmicrobialdistributionandleadtodifferentbioactivity,andoxygentransferefficiency,whichvarythewastewatertreatmenteffect．Partthree：Biofilmwasusedintreatmentofelectroplatingwastewater,inwhichnglucoseandmethanolaScarbonsourcewererespectivelyfedintothewastewatertopromotebiofilmgrow．Thebiofilmwasporositycorrespondingtoandoxygenconcentrationwasabout4．7mg／Latthedepthoflmmunderthebiofilm．WhilethebiofilmWasdensewhenmethanolwasusedascarbonsource，oxygenconcentrationtendedtozeroatthedepthof0．5mmunderthebioflimsurface．AporousbiofilmWaSsuitformaSstotransport，whichresultedinhigherammonianitrogenremovalpercentage，otherwisedensebiofilmwashardforammonianitrogentoberemoved．Biofilm’Sstructurecouldbecharacterizedbydissolveoxygenconcentrationinsiderit．MicroelectrodeWaSusedformonitoringbiofilmtoinvestigatthemicro—reactivekineticsoccurredinbiofilm．Theresultsindicatedthatneithertoodensenortooloosenbiofilmwasthebestone，whileexternalloosenandinternaldensebiofilmmademorereasonablebacteriadistribution，whichwouldachievedbettereffectofwastewatertreatment．Keywords：biofi}m，inner-structure，dissolvedoxygenmicroelectrode，wastewatertreatmentn学位论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。论文作者签名：施凌同期：加f。．f．碣学位论文知识产权权属声明本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：施玄日期：沙佃．，，1，‘7导师签名：涨夺日届同期：多口，口-莎。午7’僻反Vn上海师范人学硕一}j学位论文第一章绪论1．1研究背景1．1．1废水处理的意义第一章绪论水作为自然环境的重要组成物质，它不断运动着，积极参与自然环境中正在发生的一系列物理化学生物的过程。作为一种动态的资源，水资源具有再生性和有限性，时空分布的不均匀性，流动性和溶解性【lJ等特点。水是生命之源，是人类赖以生存的自然资源，也是社会发展所需的宝贵资源。水也是有限的，可利用的水资源只占地球总水量的极小部分。我国幅员辽阔，人口众多，水资源相对量较少，水污染态势难以遏制，导致了我国水资源十分紧缺。其实水体本身是具有自净的能力，污染物随污水排入水体后，经过物理化学生物的作用，可以使污染物的浓度降低【2】。利用微生物的代谢作用，可以使得污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质，微生物可以降解各类有机物质，从而起到净化的作用。但是若污染物的数量超过水体的自净能力，就会使水体受到污染。人们真正丌始意识到废水处理的重要性是要追溯到19世纪后期，当时的人们为避免疾病蔓延，一些工业化大城市才开始对废水处理有所行动13j。1914年，英国建成了世界上第一个活性污泥法废水生物处理试验厂[41。近些年来，许多缺水问题突出的国家将观念从单纯的水污染控制转变为水环境的可持续发展⋯。在我国的传统概念中，工业生产和废水处理是截然分丌的，这导致了污水处理厂经常需要处理几种不同性质混合起来的废水。工业废水处理第一阶段通常是采样、水质测定、与水质排放标准比较、达标的处理水被排入地表水系中【3】。但是近些年以来，随着工农业的迅速发展，有些地区将大量复杂的污染物未经妥善处理排入水体中，从而使水体的生态系统和功能遭到破坏，导致了我国的水环境污染严重。我国十大水系中接近60％的检测水质为五类水，绝大多数的河流湖泊都发生过富营养化、蓝藻的频繁爆发等污染。国家对此十分重视，这也预示着今后的治理任务的艰巨性，必须研发和优化高效、合理的废水处理工艺。n第一章绪论上海师范人。誓硕十学位论文目d订有两种废水处理理念，即水中污染物分离和将其部分或全部矿化ljJ。分离过程基于流体力学，如沉淀、离心、过滤等或者膜技术，如微滤、超滤、纳滤反渗透等技术，也包括吸附和絮凝等的物理化学过程。水中的污染物也可以通过生物和化学过程被矿化。在众多废水技术中，废水生物处理是利用自然界中广泛的依靠有机物生活的微生物降解废水中污染物，集中了无须通过预处理，能量消耗少，低成本和无须废弃处理等优点【3】。因此对于废水处理，人们更多的关注于生物处理技术，特别是对于微生物的新陈代谢过程以及污染物降解的关系，成为研究学者研究的重点部分。1．1．2生物膜技术的研究进展在当前的污水处理技术领域中，污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理方法。并且研究表明大量的污染物降解过程往往发生在生物膜中。因为生物膜的构造比较特别，固液交界面以及一定深度的内部生长着大量的微生物，形成了有机物．细菌一原生动物的食物链【21。生物膜降解污染物是以水为媒介，在生物膜内通过污染物、溶解氧、分解代谢产物以及各种必需的营养的扩散、传质过程来实现的【4J。生物膜的应用十分广泛，迄今为止的工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化和生物流化床等。在过去30多年里，各种形式的生物膜技术不断出现，现在生物膜技术已作为一种有效的手段和方法来满足人们对水及废水处理质量要求的手段和方法151。并且适宜于微生物生长代谢的新材料的应用也在发展起来t61。在工业应用中，生物膜反应器能提高生物量在反应器中的滞留程度，促进对污染物降解效率。随着对生物膜在自然环境中和工业应用方面重要性认识的不断提高，在过去的三十年，人们对生物膜的兴趣极大地增加。美国、德国、日本、英国、法国等国家对生物膜进行了大量的研究。JohnE、Hermanowicz、XinminYang等人也认为生物膜的结构受到反应器结构、水利条件以及底物组成等各种外部条件的影响f7一。王文军等人则将水文条件、载体类型、营养水平、光照列为水环境中生物膜形成的最主要的影响因素【10】。2n上海师范人学硕十学位论文第一章绪论水文条件主要是指液体流速和液体的密度等因素，其中液体流速对生物膜的形成是极为重要的，在较高的水流速下，生物膜中含有多种不同的微生物组织，比如丝状菌，是主要微生物群体，而在低流速下丝状菌就比较少，并且两种菌群的形态也不同fI¨。另外低的传质速率和低的雷诺数会导致生物膜出现开放的结构。而控制操作条件或者改变反应器的构造均能改变液体的水利条件。生物膜技术与生物膜载体的应用和发展是密切相关的。其实控制微生物在载体上的群居最终的表面特征是细菌与载体间的物理接触【12】。越是粗糙的载体，生物膜越是容易在上面维持生长，生物膜载体表面结构和性质是影响微生物附着的主要因素。新陈代谢是微生物进行生命活动的主要特征，微生物为了生存，不断地从外界环境中摄取其生长繁殖所需要的营养物质，碳源浓度、碳源的类型以及碳氮的比例是影响生物膜形成的重要影响因素。L．Tijhuis认为适宜的基质负荷可以生成平稳牢固的生物膜，处理能力也相对比较好；而过高的基质负荷则导致载体上生物量的减少，形成薄弱的生物膜【”】。然而生物膜微生物所赖以生长的环境中所含营养物质的多寡及其相互之间的比例决定了微生物细胞的合成、生长及繁殖，影响到生物膜反应器的处理效能【141。光照也是影响生物膜形成的主要因素，在光照的条件下生物膜的厚度和体积远远超过在无光条件下的生物膜。光照情况下的生物量远远大于无光照情况下的生物量【15J。另外pH值和温度也会影响生物膜的形成，只有在适宜的酸碱度和温度的条件下，微生物才能进行正常的生理活动【4J。但是这些研究只是集中在单纯的载体选择，反应器传质等一些外部操作条件的宏观领域中。对于反应器中的生物膜内部微观环境的传质过程的认识也是有限的，对生物膜生长的机理和规律的研究也尚不深入，尤其是对生物膜载体和生物膜生长之间的关系研究这方面几乎是空白。我们只知道选择一种材质作为载体比较好，比如陶瓷载体，但是生物膜在此载体上的生长微观情况我们一无所知。3n第一章绪论上海师范人学硕十学位沦文1．1．3陶瓷载体的进展在生物接触氧化技术中，填料是生物膜的载体，它是接触氧化处理工艺的关键核心部分，能影响生物膜的固定效果，从而影响废水处理的效果。～般对载体的要求有下列要求12J：(1)比表面积大、孔隙率高、水流通畅良好。(2)表面粗糙度大，具有亲水性，较好的生物膜附着性，形状规则，尺寸均一。(3)稳定性，不与生物膜发生反应，经久耐用，不产生二次污染。(4)价格低廉，便于运输安装等。所选用的材料性质将反应于微生物固定化在废水处理效果中的应用效果，其中粗糙的表面和带正电荷这两点成为选择载体的重要因素[41。表面粗糙的载体与光滑的载体相比较，粗糙的载体可以提供更多的接触面积，粗糙载体表面上的缝隙还可以保护在内部生长的微生物，免受水力剪切和冲刷。因为微生物是带负电荷的，所以选择带正电荷的材料作为载体将更有利于微生物的附着。不同的载体具有不同的特性，合理地选择载体材料，在废水处理中起着至关重要的作用。随着科学技术的进步和发展，各国专家对生物膜载体挂膜影响因素进行了研究。在废水处理中所使用的载体材料分为有机和无机两类【4】，有机载体主要就是那些目前市场上常见的生物填料，大多是聚丙烯、聚乙烯等各类树脂、塑料、纤维、明胶等材料。无机载体主要是沙子、玻璃、沸石、陶瓷材料等。人们在实际应用中发现这些塑料填料的亲水性能和生物亲和性较差，因此导致挂膜效果不明显，挂膜速度、挂膜量等方面均存在不足【16】。如上所述，选择合适的载体对于生物膜的生长起着决定性的作用。目前，在废水生物处理中说使用的载体材料甚多，其中陶瓷载体以其具有较大的比表面积、足够的机械强度和良好的稳定性，表面粗糙，容易生成高活性的的生物膜，孔隙率高亲水性好等优点，被人们广泛使用在生物反应器中。张永明等人制成轻质陶瓷载体用于流化床生物反应器中处理有机废水，在较小的曝气条件下呈现出良好的流态化，COD去除率达到80％以上【17】。并且将这种轻质的陶瓷载体用于高级氧化处理中，也呈现出良好的趋势‘18】。另外张永明等人利用蜂窝陶瓷固定化细胞处理地表水，置于内循环管中，强化了流体在反应器4n上海师范人学硕十学位论文第一章绪论内的流动，提高了反应器的有效容积、减少了走旁路流体的比例119J。1．1．4生物膜结构研究的进展生物膜的一般结构是这样描述的【4】：微生物经过可逆附着和不可逆附着完成结合固定化过程以后，通过有机底物的传质等生物、物理和化学过程，进行生物代谢而逐渐增长，物质在生物膜内的传质阻力随着生物膜厚度的增长也不断增加，导致了生物膜出现分层状态，内部出现缺氧和厌氧的区域，处于表面的生物膜属于好氧层，由于好氧层中有足够的氧供给以及有机底物且生长速度较快，导致生物膜厚度进一步增长，内部的一层因底物和供氧不足，出现厌氧状态，加上底物不足，微生物处于饥饿状态而溶解，破坏了生物膜与载体的粘附强度，生物膜就会脱落。Heijnen等人对于生物膜的形成的研究，认为生物膜的形成是一个动态的过程，这个过程主要为：悬浮于液相中的微生物首先附着在载体的表面上，然后在载体的局部区域形成薄的生物膜，最后才将整个载体完全给包裹住，形成成熟的生物膜0201。目前，人们普遍认同的生物膜结构的解释是这样描述的：在基质底部，微生物细胞会先形成一层致密而薄的细胞层，这一细胞层会束缚着一些密实的微生物团簇。生物膜整体将被生物细胞和胞外聚合物填充，在其内部形成空隙结构，空隙之间彼此相连121】。Beer和Mass01．deya等人观察生物膜的内部结构，也发现生物膜中存在空隙和通道，Beer认为这些孔隙就是传质的通道12引，Lewandowski发现生物膜的空隙里面充满着营养底物或是低浓度的胞外聚合物【2¨。Stoodly和Beer还认为生物膜像一个海绵体，是由不同的通道隔离开的质量分布均匀的多孔结构【23-241。Tijhuis认为生物膜的形成是一个动态的过程，在外力作用下迅速并连续不断的生成裂缝，这些裂缝又不断被新生长的微生物填满【251。TaydorDighmy认为废水生物膜中起主导作用的是细胞被膜，它们能最大程度上圈住细菌，并使生物膜附着于基质上；另外还起着提供可以延伸的表面积和聚阴离子的性质等作用【2叫。为了描述生物膜内的传质过程，以及对生物膜的微观结构而进行更详细的研究，许多研究者提出了不同的理论和数学模型。虽然如此，但是相对于活性污泥，5n第一章绪论上海师范人学硕十学位论文生物膜动力学模型的研究还是比较缓慢的。对于活性污泥系统来说，国际水协会与1982年成立了活性污泥设计和运行模型国际研究小组，这些年罩已经总结出了ASMl、ASM2、ASM2d、ASM3、ASM3C这5套模型，能够详细地描述系统中各种反应过程，可以对COD、氮、磷去除的综合处理工艺进行动态的模拟1271。由此可以看出，模型建立对于运行管理、设计改造、优化实验等方面是十分有用的。但是生物膜的结构复杂，传质过程也不十分清晰，早期Riamann曾提出一个生物膜模型，是将生物膜理想化，认为生物膜是分布均匀同性的微生物菌种，在稳态下，生物膜厚度与基质之间存在着一定关系，建立了基质浓度与生物膜内基质通量之问的关系1281。至80年代时，Suidan等人基于单一基质生物膜模型，提出了基质通量、液相基质浓度、生物膜厚度三者之间的关系式，但是仅仅只是对膜的垂直方向进行讨论【291。后来Wanner认为生物膜内的微生物种群并不是单一的，因此提出了多种群生物膜的分层动态模型13们。之后生物膜模型从一维的描述发展到二维、三维的描述，Eberl利用3D模型分析得出生物膜孔隙通道内高的对流通量不一定对应于液相中生物膜传质的高对流量【3¨。但是对生物膜的研究到目前为止，研究的主要方向还是停留在如何提高处理效果，注重的只是处理的结果是否达标，似乎没有太多地去关心为何能达到处理效果，是哪些原因导致了废水处理效果好。比如先前提到的陶瓷载体，它对生物膜结构是否起到一定的作用，载体上微生物的形态是怎么样的，怎样认定陶瓷载体是固定细胞的最佳材料之一；或者是反应器的构造，以及操作条件是怎么影响于生物膜的生长以及生物膜活性等等。本课题就是根据上述的方向进行具体的研究。1．2微电极应用于生物膜的研究对于生物膜的结构，仅仅反映其宏观特征这一方面是远远不够的，必须从微观方面加以研究，掌握生物膜的本质特性，才能有效地作进一步研究。对环境工程中反应器内生物膜进行分析研究，我们可以采用微电极技术。微电极技术是该领域的前沿技术之一，它可以对以往只进行宏观描述的微生物处理过程进行微观6n上海师范人学硕1：学位论文第一章绪论解析，更深入地揭示其反应过程的机理，反应微生物内部情况，提炼出数学模型以指导过程的优化。微电极是一类尖端直径仅为1lam-20lam的吸管型电化学传感器【321，由于具有比较高的空间分辨率和极小的尺寸，微电极能用于生物膜，以及生物絮体内部微环境的测试，并确保在实验过程中不会改变或破坏被测物体，因此为表征生物膜内部结构和功能提供了新视角。微电极按照其原理不同，可以将其分为电位型微电极和电流型微电极网。电位型微电极主要有氧化还原电位微电极和离子选择性微电极；电流型微电极就是常见的溶解氧微电极，也是本课题的实验中所使用的微电极。电流性微电极的工作原理可以用极谱分析中的扩散电流理论来解释，因为传感器的输出电流大小与主体溶液中的溶解氧浓度成正比的关系，所以能准确测出溶解氧的浓度。各类微电极的比较见表l一1。表1-1各类微电极的比较1．2．1国外研究1942年，PhilipW使用微电极测试动物组织内的氧气张(10caloxygentension)1331，首次使用微电极技术测试动物组织的微环境。之后，人们普遍将微7n第一章绪论上海师范人学硕十学何论文电极技术应用于医学、湖泊生物学和微生物的研究【34J。直到20世纪60年代未，Bungay，H【35】首次将溶解氧微电极用于生物膜分析后，受到了人们的重视。之后到了20世纪80年代末，Revsbech研制出尖端直径在109m左右的微电极，检测了水环境中的自然生物膜，揭开了微电极技术在环境科学领域应用的序幕f36l。90年代以来，先后有不少研究人员利用微电极技术对于生物膜特性的研究。在众多研究课题组中比较著名的是美国Cincinnmi大学土木与环境工程系的BISHOP小组，他们长期从事微电极技术在环境领域的科学研究【374¨。微电极作为一种比较创新的技术手段，已经被广泛用于生物膜研究中。YUT,BISHOPPL[361利用了微电极，发现了微生物代谢过程所出现的层化现象，并且氧化还原电势也有变化。PaulL【39411等人研究发现，沿生物膜厚度方向都存在好氧氧化作用，但是硝化作用更多是发生在生物膜好氧层的内部。HaraldHom[42l等人利用溶解氧微电极发现生物膜结构是不稳定的，生物膜表面并不是固定静态的。ICIETILRASMUSSENt43】等人利用溶解氧微电极准确测试了溶解氧的扩散。YUTmJ等人利用溶解氧微电极技术，从以往的一维测试转向了三维测试，全面考察了生物膜内部延深度以及平面的溶解氧分布情况。Kazuakihibiya[45】等人用溶解氧微电极测试了不同厚度的生物膜，模拟了氧气在生物膜中渗透情况。这些研究初步揭示了在废水生物处理领域中，生物膜内部的反应过程与机理。1989年，DEBEERD146】用离子选择性微电极对硝酸盐梯度(nitrategrad[eros)进行监测，使得液膜微电极迅速发展，它们成为研究生物膜内部硝化和反硝化的有力工具。DIRKdeBeer[4玎等人用高效选择性液膜的亚硝酸盐微电极对生物膜氨氮的降解进行了分析。AndrewE148】等人利用溶解氧微电极和亚硝酸盐微电极，对河底沉积物的代谢，硝化和反硝化过程做了分析研究。1．2．2国内研究如今国内在微电极技术研究上主要应用于医学领域，而在环境领域的研究和分析，特别是结合生物膜载体的应用和开发，此类报道较少，目前只有清华大学施汉昌教授的课题组自制微电极测得生物膜内溶解氧浓度变化梯度，从而建立出其扩散模型49垃】。主要研究有：利用微电极技术，对动态膜特性进行研究f49。501、8n上海师范人学硕十学位论文第一章绪论测试球形填料结构的传质过程f5IJ、测定溶解氧的有效扩散系数的研究【52】等。还有中国科技大学的俞汉青教授课题组研制了一种基于MEMs技术的氧微电极【531，主要用于好氧污泥颗粒的研究。西安建筑科技大学的孟千秋等人【541用溶解氧微电极、离子选择性(ISE)微电极测定生物活性炭流化床反应器中的氨氮、硝氮、亚硝氮以及溶解氧等，得出生物膜内部的物质迁移情况。但是他们所用的生物膜的种类单一，反应器简单，并不能反应出在反应器中降解有机物的生物膜的真实特性，并且未见应用于实际废水中。对生物膜生长的机理与规律的研究尚不深入。1．2．3其他微观技术除了微电极技术之外，较新的微观分析技术有以下几种：微切片技术、激光扫描共聚焦显微镜、荧光原位杂交技术、变性梯度凝胶电泳技术。‘由于生物膜具有复杂的结构，所以很难只用微电极技术来进行完整全面的表征。几种微观分析技术的研究点各有侧重之处，微电极与其他分析技术的比较见表1．2。近年来，微电极技术和几种其他微观分析技术结合使用，能更好的更准确的反映出生物膜的特征，也使得检测范围大大拓宽。如Schrammt551等人用溶解氧微电极联合FISH技术(荧光原位杂交技术fluorescentinsituhybridization)，对滴滤池生物膜中的硝化菌和层化现象进行了研究。DrikdeBeerl56。581等人分别利用溶解氧微电极、共聚焦显微镜、显微注射荧光染料等技术，详细地研究了生物膜中的传质情况。ANDERASSCHRAMMl591等人，结合了荧光原位杂交技术和微电极技术，对硝化菌生物膜的结构和功能进行了研究。微电极技术不会破坏生物膜结构，具有良好的实时响应能力，并且具有较高的分辨率，几种类型的微电极结合使用，能较好的测试微环境下的生物膜。但是微电极技术的应用多局限于实验室规模。而生物膜的在线监测则是关键，也是今后需要逐步解决的一个方面。微电极技术和其他微观分析技术的结合也是今后的发展趋势。微观分析技术的研究点各有侧重，只有相互结合才能获得完整表征生物膜的信息。微电极技术在环境领域中具有良好的发展前景。9n第一章绪论上海师范人学硕十学位论文表1．2微电极技术与其他微观分析技术的比较微电极技术除了在生物膜内外微观传质过程广泛应用，还用于生物膜反应动力学的估值计算。研究的基础是扩散．反应方程式。本课题通过测定陶瓷载体上的生物膜内部溶解氧分布曲线，定量考察生物膜动力学参数。这些对深入研究水环境污染具有十分重要的意义，同时也能为陶瓷载体挂膜可以形成具有良好生物活性的生物膜提供有力证明。有助于在生物膜以及生物膜载体的研究领域开辟一种新思路。1．3研究目的、研究内容和创新技术1．3．1研究目的许多实践证明，生物膜载体的理化性质对生物膜的形成有非常重要的影响。近年来随着材料科学和微电子技术的发展，生物膜活性以及生物膜在水处理过程中一些关键机理有望通过微电极的应用而得到阐述。本课题通过溶解氧微电极在生物膜内的测试，获得废水处理过程中生长在陶瓷载体上的生物膜与废水处理效10n上海师范人!学硕十学位论文第一章绪论果的关系。通过本课题有助于在生物膜以及生物膜载体的研究领域上丌辟一种新的思路和方法，这将对环境工程中应用的生物膜载体的优化与发展具有十分重要的意义。1．3．2研究内容课题的研究内容主要包括以下三个方面：生物膜生长过程及生物膜活性的测试；有机物在生物膜不同生长条件下降解的规律；生物膜的生长动力学及其数学模型的建立。下面具体阐述这三方面的研究内容。(1)生物膜生长过程及生物膜活性的测试课题通过改变操作参数如底物浓度和流速等，检测生物膜性质的变化，由于底物浓度和流过生物膜表面的流速对生物膜的生长、脱落以及活性有一定的影响，对于这些变化采用微电极对生物膜进行监测，以判断这些变化情况。监测参数主要为溶解氧(DO)。因为生物膜内的DO的变化在一定程度上可以反映生物膜内微生物群落、活性生物量、胞外聚合物在生物膜内的分布规律。通过比较参数的变化与废水有关参数的变化，以判断生物膜活性的变化。(2)有机物在生物膜不同生长条件下降解的规律在利用生物膜降解有机物方面，尤其是生物膜在形成过程中，对有机物的去处效率的提高是渐变还是突变，是应用生物膜反应器降解有机物需要阐述清楚的重要问题。在生物膜生长过程中，分别通过微电极和常规微生物分析法来监测生物膜内部的一些理化性质的变化，尤其是监测生物膜在不同生长阶段和不同厚度时，废水中有机物(COD、BOD、N144+-N、DO等)的降解效果来研究生物膜的生长对有机物去除的影响。在此基础上建立生物膜生长与有机物去处之间的关系，以研究生物膜在生长过程中与有机物去处之间的关系并掌握有机物的降解规律。(3)生物膜的生长动力学及其数学模型的建立扩散．反应动力学时分析生物膜内部环境传质和生物反应过程的重要理论基础，与生物膜反应器指标相关联，获得动力学参数。本课题在上述研究的基础上，结合所测数据，建立生物膜生长动力学模型和影响因素。n第一章绪论上海师范人2-7”"硕十学位论文1．3．3技术路线整个研究过程将以“生物膜载体的选择一反应器的设计(气升式内循环生物膜反应器+新型内循环折流式生物膜反应器)一不同条件下降解有机物一用微电极监测生物膜的生长+常规分析方法对生物膜进行解析一建立生物膜生长的动力学模型一综合分析一实际废水处理及分析"为总体技术路线。具体如图1．1所示。12图I-1总技术路线n上河师范J、学颂Ij学忙沦文第章生物雌的埘宄方泣和l育咒理论第二章生物膜的研究方法和有关理论2．1实验装置的介绍2．2．1气升式内循环生物膜反应器体系旨先设计一个易于拆卸、方便观察的气升式内循环生物膜反应器，用于观察生物膜的生长，监测生物膜内部的溶解氧情况，反应器的构造如下所迷。采用有机玻璃制作的，L物膜反应器装置，如图2—1所示，总高度为90mm，反应区高80ram，边长38mm，体积11552mL，反应器工作体积78mL。载体选择陶瓷板，载体的尺寸为长47mm，宽40rnln，厚度6ram，选用陶瓷板用于生物膜的生长的载体，原因是陶瓷载体容易挂膜，鬯物膜活性好。分别将两块陶瓷板置于反应器中。流动方式为：原水由计量泵从反应器底部的进水口打入，在两块陶瓷板lilJ底部的位置接P曝气装置通入空气，使溶液在反应器内随着气流的方向可以在载体周围形成循环状态，反麻器内部溶氧充足，又能带动液体湍流，加快生化反应，成为气升式内循环生物膜接触氧化反应器。丽囫鬻瓣荔缀缀麟黝芒一鬻一，一“4一翮雾燃圈豳茧圈疆塑“”～髓■日—■■蛋目盏叼：些黪i一。。缀瓣戳㈣缀翮豳L^‘i2Ⅲ圈2-1气升式内循环生物膜反应器示意图n靴一章生物』J*的1lJf宄hr』、引仃咒州沦．海【l_lj越人，，砸+j÷伊论上图2-2反应器系统的照片啦发反应器内的载体2．2．2新型内循环折流式生物膜反应器体系在气引式内循讣生物膜反应摧的研究讨论的基础卜，冉设计一个能实现商去除率的新趔内循环折流式生物膜反应器，设计原则是：设计出一个一体式的反应器，易于微生物的挂膜生长，希坦在反应器中可以实现硝化与反硝化，达到总氮的去除。反应器主体如图2．3所示，采用铂机玻璃制成，自效体秘2L，同样挂膜载体选用陶瓷板，分别在反应器罩放置9块陶瓷板并摆成上F错丌的样了，这样折流的状各可以增JJⅡ液体在反应器内的流动的长度，从而提高了反心的叫问。每块陶瓷板尺寸规格为100mm×100mm×9ram。在陶瓷板的I，方盖上一块玻璃板，玻璃扳尺寸为lOOmmx200turnx9mm。在反应器的后音|：的出水处连接蠕动泵，蠕动泉将水冉次打lul反应器卜方的接u，使反应器形成回流，流动方式是：原水从反应器的一端进Lj进入，水在推动力的作用下由各个陶瓷板f向fBJ隙间流过，之后又由蠕动泵打叫至破璃板的上方接口处，流向玻璃板，回流后的水经玻璃板冉次回到反应器内。n上海帅范J、}顽+爷附论文第一荜生物膛冉勺Ⅳf宄方往日I有咒理论出水进水图2-3反应器装置图翻24反应器系统的照片2．2实验中检测项目与方法2．2．1氨氮的测试氮氢的测试是聚用SKALAR流动分析仪进行分析。流动分析仪氩氯分析的原理：氨氯分析基于修正显色反应，氯氮会被氯化为单氯胺，它与水杨酸反应形成5一氨基水杨酸。经氰化和耦合之后便形成了显绿色的化台物，这个彤成的化合物的吸收波长在660nto处。n第_二章生物膜的研究方法和有关理论上海师范人学硕十学位论文具体方法是：测试之Jj{『需要准备好各种试剂，流动相为蒸馏水，反应相的试剂主要是缓冲溶液、水杨酸钠溶液、硝普钠溶液、和二氯异氰尿酸钠，以及由氯化铵溶液配成的不同浓度的标准样品作为标线。准备工作完成之后，将待测试的水样过滤并适当稀释倍数，和标准样品一起通过SKALAR．SA5000型号连续流动分析仪测试，分析测试结束后自动保存数据于计算系统中。2．2．2COD的测试COD的测试采用SKALAR流动分析仪进行分析。流动分析仪COD分析的原理：基于样品消化反应之后，可以在600nm处测得光度。具体方法：取样品2．5ml于干净的16×100mm的试管中，加入1．5ml消解液混合，再加入3．5ml催化剂溶液，拧紧盖子后摇匀，并做好空白与标准样品，标准样品由邻苯二甲酸氢钾配成不同浓度，～起置于DRB200型号消解炉中，在150℃的温度下消解2h。冷却室温后一起通过SKALAR．SA5000型号连续流动分析仪测试，分析测试结束后自动保存数据于计算系统中。2．2．3总氮的测试总氮的测试采用SKALAR流动分析仪进行分析。流动分析仪总氮分析的原理：样品与碱性过硫酸钾混合，再与硼酸缓冲溶液混合，通过加热至107℃的消解器，在镉阀减速器中发生了亚硝酸盐转化成硝酸盐的反应，紫外透析之后通过格里斯反应监测到硝酸盐，检测波长为540rim。具体方法为：测试之前需要准备好各种试剂，流动相为蒸馏水，反应相的试剂主要是碱性过硫酸钾溶液、硼酸溶液、缓冲溶液和显色剂溶液，以及由硝酸钾溶液配成的不同浓度的标准样品作为标线。准备工作完成之后，将待测试的水样过滤并适当稀释倍数，和标准样品一起通过SKALAR-SA5000型号连续流动分析仪测试，分析测试结束后自动保存数据于计算系统中。16n上海师范人学硕十学传论文第二章生物膜的研究方法和有关理论2．2．4扫描电镜扫描电镜型号为JEoL6380Lv。微生物样品的制备观察方法为：(1)收集生物膜，将生物膜放入戊二醛溶液中固定2h；(2)对生物膜进行脱水，用磷酸缓冲液先冲洗3次，每次30min，之后在锇酸溶液浸泡1．5h～2h。浸泡结束后再用磷酸冲洗液冲洗2次，每次10min。最后用乙醇梯度脱水，乙醇浓度为30％的脱水5min，浓度50％脱水5min，浓度70％脱水10min，浓度80％脱水10min，浓度90％脱水15min，浓度95％脱水15min，各脱水1次，浓度100％脱水20min需脱水2次。(3)干燥并进行离子溅射金。(4)通过扫描电镜观察、拍照。2．2．5电导率JENCO微电脑处理台式电导率测试仪，型号是MODEL3173。具体方法为：用干燥的氯化钠配成标准样品，用电导率仪测定标准样品的电导率之后，画出标准曲线。待测水样同样测出电导率，经标线换算成氯化钠的浓度。2．2．6溶解氧的测定溶解氧微电极：采用丹麦Unisense公司制成的溶解氧微电极D050型。溶解氧微电极的原理【54l：溶解氧微电极是由一个Ag／AgCI阳极和两个阴极组合而成，两个阴极中一根是用银丝制成的保护阴极，另一根是用铂丝制成的感应阴极。介质中的氧气扩散通过硅膜进入电极中，铂丝制成的阴极表面发生还原反应，所得到的电子是由阳极发生氧化反应失去的电子，这样阳极与阴极之间也形成了电子传递的回路，所产生的微电流信号的强度与被还原的氧浓度成一定的比例。17n第_二章生物膜的研究方法和有关理论上海师范人学硕十学位论文图2．5为溶解氧测试线路图，由于溶氧微电极对测定溶液的响应电流值与溶液中溶解氧浓度呈线性关系，当氧气扩散通过电极尖端进入传感器，所产生的微电流信号经收集之后，由转换器输入计算机中，自动转换形成数据。2图2．5测试线路图l——电脑主机；2——转换器；3——三维微动仪；4——微电极；5——待测介质微电极定位系统：采用手动三维微动仪，微动平台可以实现X、Y、z三个方向的定位，精度可达到109m，通过手动调整定位。溶解氧微电极的标定：采用两点标定方法，这两点的氧分压分别是O％与100％的状态，即氧气分压为零的标定值和大气压标定值。首先等比例混合O．1mol／L的抗坏血酸钠和O．1mol／L的NaOH溶液，形成混合溶液，也是消氧溶液。微电极在此溶液中的稳定值作为氧分压为零的标定值，待数据稳定之后记录下信号值。之后再将微电极放入充分溶氧的溶液中，即本体溶液曝气15分钟之上后，记录信号值，即大气压的标定值。两点标定完之后即可测待测介质的溶解氧。2．3生物膜系统中扩散．反应模型方法的建立2．3．1扩散．反应模型原理在生物膜系统中，整个扩散．反应过程可分为两步，即底物从液相主体扩散到固液表面，然后在生物膜内部继续传递。因此整个过程可分为生物膜外的传质18n上海师范人学硕十学位论文第二章生物膜的研究方法和有关理论过程以及生物膜内的传质过程。生物膜外的传质过程的描述为理想模型，如图2-6所示，假设存在液膜￡w，液相主体溶液中的底物浓度变化限定在此液膜内，而溶液的其他部分的底物浓度时恒定不变的【60石¨。；瘐相主体液膜交界处生物虞固相载体|／7L三。7三f7：＼‘oo置I图2-6生物膜内外传质过程三w——液膜厚度，n'lm；三广生物膜厚度，lllm；．踞一液相主体溶液中的底物浓度，mg／L；＆一液相主体溶液与生物膜交界处的底物浓度，mg／L；．S卜_生物膜与载体界面的底物浓度，mg／L。假设液膜的传质是靠分子扩散完成的，扩散系数为Dw，则￡w为假设液膜的当量液体厚度。此时单位面积通过液膜的单位面积传递量兵也表示为：以：当仅一s，)(2-1)L”D1．，_一底物在水中的扩散系数，i／lln2／d。或者将D以w看成一个参数，即传质系数兢，则液膜通量又可表示为：d，=kL$6一s，)(2-2)但是两种方法中不管是哪种方法，都由传质系数和底物浓度变化两个因素影响了传质速率。其中，传质系数与流体的特性、底物在液相溶液中的扩散系数、液相主体溶液的水力条件等有一定的关系。而底物浓度变化则与液膜的传质阻力和微生物消耗速率有关。生物膜内的传质过程是用菲克第一定律来描述[60-611。19n第一二章生物膜的研究方法和有关理沦上海师范人学硕十学位论文J。：D。_dS(2．3)但是事实上生物膜内的传质过程要比菲克定律表示的自由扩散要复杂的多。为了更好的表示生物膜内的传质过程，我们用有效扩散系数优来描述：以：眈—d_S(2．4)De-氧的有效扩散系数，rnlrn2／d。2．3．2生物膜溶解氧扩散．反应模型的建立在研究微生物生长的大量实验数据的基础上，法国学者Monod提出了在微生物典型生长曲线的对数期和平衡期的时候，微生物的增长速率不仅是与微生物浓度有函数关系，而且还是某些限制性营养物浓度的函数，描述微生物比增长率与限制增长营养物的剩余浓度之间的关系为口7】：∥=∥一·志(2-5)∥——微生物比增长速率，d一；∥m。。——微生物最大比增长速率，d一；．S一限制性底物浓度，mg／L；磁一基质半饱和常数，mg／L。则微生物的生长速率为：k2∥．，2∥一志X，(2-6)乍一微生物生长速率，mgVS／(L·d)；乃一微生物浓度，mgVS／L。生物膜内氧气分布用Monod方程拟化，用来对应生物反应氧气的消耗。依照Lewandowski的方法【62】，用Monod方程描述生物反应中溶解氧的消耗，其前提是在建立扩散．反应模型之前，需要对生物膜的组成和结构进行简化。假设生物膜内的细胞密度分布是均一的，生物膜内没有液体流动，氧的传递机制为分子扩散，生物膜内各处的比耗氧速率是相同的，近似稳态过程。根据膜内溶解氧的守恒方程：n上海师范人学硕十学位论文第二章生物膜的研究方法和有关理沦dC—d2CkXC一=，，～dt。dx2K。+C其中：C一是氧浓度，mg／L；r是时间，d：Dr膜内氧的有效氧扩散系数，int02／d；r是距生物膜表面距离，nlnl；卜反应速率常数，m902／(gVS·h)；晒r莫诺德饱和常数，m902／L；静q物膜干重密度，g／L。(2．5)在稳态的情况下，即膜内细胞生长和死亡达到动态平衡，此时眈窘=嚣协6)当反应速率为零级方程的时候，把该生物膜称为零级生物膜。对于零级反应，生物膜降解基质的速率与基质浓度无关。现矿d2C=‰x(2-7)鼢一零级反应速率常数，m902／(gVS·h)。当反应速率为一级方程的时候，生物膜为一级生物膜。D，万d2C=kjCX(2—8)kl——一级反应速率常数，m902／(gVS·h)。利用溶解氧微电极测定生物膜内溶解氧分布，通过拟合获得相关的动力学参数。2．4．3动力学参数的求解方法溶解氧在生物膜内的扩散过程用二阶微分表示，因此生物膜动力学参数的求解方法十分复杂。根据文献蚓所建立的方法进行描述，采用matlab软件进行编2ln第_二章生物膜的研究方法和有关理论上海师范人学硕十学何论文程，利用搜解法求出方程中两个待求参数。具体方法为下：搜索的步长Ak=-10mgOz／(gVSh)，△‰=0．1mg／L：参数的赋值范围是k是0．100m902／(gVSh)，‰是0．2mg／L‘64确1。之后计算模拟值与测量值的差别SSD，可表示为如下所示：SSD：窆(C。伽吣。一c一删)2(2-9)最后取SSD最小时的参数作为模拟的最终结果。若SSD偏大或出错，可以再选择零级或一级反应动力学来拟合求解。零级和一级的求解方法为：零级方程(2．7)能够化成一个二元一次方程式，即：C=ax2+bx+c(2．10)在获得了C与x的曲线之后，通过二次多项式拟合就可获得参数a，二阶常数a与％有以下关系：a：查丛(2．11)=一LZ-IlJ2De从而根据a与‰的关系，求出参数‰。一级方程(2．8)可以化成方程式x／坐～．／垡C=AexpV以+BexpVq(2．12)由于x一∞时C为定值，故常数A=-0，方程式(2-12)变为：一，／坐C：Bexp～皿(2—13)在获得了C与x的曲线之后，通过指数函数的拟合指数阶常数项M与血有以下关系：根据以上关系，得到参数血。M：一／垡1『见(2-14)n上海师范入学硕卜学位论文第二章生长阶段的生物膜内部溶解氧变化第三章生长阶段的生物膜内部溶解氧变化本章讨论的重点是陶瓷载体上的生物膜从无到有的生长过程。在无微生物的陶瓷载体上，流过实验配置的模拟废水，用微电极观察生物膜的生长情况。生物膜在载体上的形成过程，即微生物发生吸附解析的过程，使得生物膜的结构产生变化。随着时间的积累，生物膜的厚度日益增长，生物膜日渐成熟完整，生物膜内的传质阻力也发生变化。生物膜从形成初期到成熟的生长的过程中是极为复杂的生长过程，因此，深入掌握不同阶段生物膜内部溶解氧的渗透状况，有利于分析生物膜在不同阶段的结构特征，能充分了解生物膜形成的过程，对于培养形成活性尽可能高的生物膜是具有重要意义，也给生物膜工艺处理技术的优化设计、合理运行管理提供了指导方向。3．1微生物的生长及生物膜的形成3．1．1微生物的生长过程微生物的生长一般分为6个阶段【21：(1)迟滞阶段：微生物从培养初期起，由于要适应新的环境，一般并不分裂增殖，此时的生长时间最长，增长速率等于零。(2)加速阶段：随着微生物对环境的适应，细菌丌始分裂增殖，生长时间缩短，增长速率有所提高。(3)指数阶段：加速阶段之后微生物开始迅速生长，比增长率和底物转化速率最大且稳定。(4)衰减增长阶段：由于底物浓度降低，微生物的生长时间延长，比增长率下降。(5)稳定阶段：营养枯竭，有毒代谢物的浓度高，物质的拥挤程度最大。(6)内源呼吸阶段：内源代谢，微生物死亡。n第二章生长阶段的生物膜内部溶解氧变化上海师范人学硕十学位论文3．1．2生物膜的形成过程生物膜的生长是一个动态的过程，生物膜的累积形成是物理、化学和生物过程综合作用的，有机分子从水中向生物膜表面输送，部分被生物膜吸附形成了被微生物改良过的载体表面；水中的悬浮微生物被传送到载体表面，一部分被表面吸附一段时问后因物理、化学和生物作用又解析出来了，另一部分则变成了不可解析的细胞；不可解析的细胞摄取消耗水中的有机物和营养物质，并且大量繁殖；与此同时细胞又产生大量的产物，其中一些就是胞外聚合物，能将生物膜紧紧的结合在一起，此时，微生物能消耗水中的有机物进行新陈代谢；附着的微生物细胞在一定的情况下也会进入水中【l训。图3-1生物膜在载体上形成过程图3．1反应了生物膜在载体上的形成过程。当水流经过时，废水中的足够量的有机营养物、微量元素和溶解氧，这些成为了微生物在载体表面生长繁殖的条件。由于微生物在自身通过代谢产生的胶质粘膜内活动，微生物数量不断增长并从载体的表面向外伸展，生长出的新细胞逐步覆盖以前形成的生物膜，生物膜厚度不断增加【训。Heijnen[201则认为在液相中悬浮着的微生物，由于水利流动附着于粗糙的载体表面上，首先在载体上形成薄的生物膜，随着微生物的积聚，最后将载体完全包裹住，在其表面形成成熟的生物膜，这也是生物膜固定化的过程。生物膜的形成是多种反应下的微生物固定于载体的复杂过程。研究生物膜的生长不仅对于生物膜挂膜十分重要，而且对于形成性能良好生物膜从而实现废水有效处理也是具有深远意义。24n上海师范人学硕十学位论文第二章生l===阶段的生物膜内部溶解氧变化3．2材料与方法3．2．1使用的反应器采用连续式反应器培养生物膜。所使用的气升式内循环生物膜反应器如第二章中的图2．1，反应器内的溶解氧浓度维持在5-6mg／L。将干燥的陶瓷板直接放入反应器内，陶瓷载体不进行任何培养挂膜操作，使得模拟废水中的微生物通过自身摄取水中营养物质生长繁殖于载体上。从运行后的第一天起观察记录生物膜生长的状态。3．2．2运行方法采用连续方式培养生物膜，反应器中的陶瓷板经过干燥后放入反应内，每天以COD约200mg／L的葡萄糖营养液配水从底部进水口进入反应器内，HRT为1h，从上方出水口流出。为了利于生物膜的生长，用自来水代替蒸馏水配置模拟废水。于lL水中加入各营养物质，模拟废水中的营养物质比例如下：表3-1模拟废水中营养组成3．2．3研究方法分别在运行之后的1d，5d，8d，15d的时候，从运行的反应器中耿出陶瓷板载体，观察载体上生物膜的生长厚度，在载体上刮下一部分的微生物，将刮下的生物膜放在培养皿里的保护基质上，之后用微电极检测生物膜的内部溶解氧，并记录生物膜内溶解氧浓度随其深度的变化关系，分析其变化情况建立溶解氧扩散模型。n第二章生K阶段的生物膜内部溶解氧变化上海师范人学硕十学位沦文3．3试验结果和讨论利用溶解氧微电极的细小探针，随生物膜的表面垂直慢慢探测进入生物膜的内部。随着微电极进入膜内部的深度的增加，测得的溶解氧浓度值也相应降低。不同生长天数所记录的溶解氧数据如图3．2所示：O20040060080010001200Depth／I_tm图3-2不同生长天数的生物膜内部溶解氧分布从图3．2可以分析出，每个阶段的生物膜厚度不相同，溶解氧的渗透程度也不一致，由此说明不同阶段的生物膜的内部结构是不一样的。微生物的生长可以分为6个阶段，从图3．3就可以分析出，随着时间的延长，生物膜的厚度不断增加，密度也随之改变。生物膜在不同的生长阶段有不同的生长厚度。生物膜的厚度不同，对于生物膜内部生物、化学等一系列反应过程发生变化，因此会导致改变底物传递、代谢产物的种类、反应过程的特性以及整个系统处理的效果【4】。1d的时候，生物膜还处于适应阶段，溶解氧随生物膜深度迅速下降，也反映了此时的生物膜比较致密，生物量不够密集。5d时的生物膜厚度有所增加，溶解氧的下降速率慢于1d时的生物膜。观察到8d时的生物膜明显增厚，微电极测得其生物膜的内部溶解氧的下降速率比较缓和，说明氧气在生物膜内可以很好的进行传质过程，由此推断此时的生物膜已经是属于稳定的增长阶段。15d时的生物膜很容易就被刮下，测得生物膜内溶解氧的下降速率最小，与前几天比较得出15d时的生物膜传质效果最好。98765432lO．o．89／oon上海师范人学硕0：学位论文第二章生K阶段的生物膜内部溶解氧变化图3-3生物膜生长天数与其溶解氧接近零时的深度之间的关系3．4扩散模型的建立以及动力学参数的确定按照第二章中介绍的建立方法，建立扩散模型，将微电极测得的数据，即不同生长时间的生物膜内氧浓度分布，代入模型中计算出参数。由于葡萄糖所培养的生物膜，厚度难以准确测出，所以其密度参照文献【651为21kg／m3。根据文献【6刀，有效扩散系数胰为5．148mm2／d。计算结果如下：表3-2生物膜动力学参数1化成一级或零级方程进行求解，计算结果为：表3-3生物膜动力学参数2从计算结果发现，生物膜生长阶段的扩散方程更符合零级方程，说明此时的反应与底物浓度没有关系。根据‰的计算结果，可以发现1d时的反应速率常27n第二章生长阶段的生物膜内部溶解氧变化上海师范人学硕十学何沦文数最大，15d时的反应速率是最小的，说明反应初期是的反应速率是最大的，之后反应渐渐平缓。3．5本章小结(1)生物膜的生长伴随着生物膜厚度的增加，内部结构由致密变为疏松，溶解氧的渗透速率发生变化。1d的时候，生物膜还处于适应阶段，溶解氧随生物膜深度迅速下降，说明生物膜比较致密，生物量不够密集。15d时测得生物膜内溶解氧的下降速率最小，与前几天比较得出15d时的生物膜膜深处还有溶解氧。(2)微电极测得的溶解氧数据通过建立扩散反应方程，发现用零级方程更能符合所测数据，说明在生物膜生长的初期阶段，即ld～15d的阶段，生物膜内溶解氧的扩散反应与氧气浓度没有关系，氧气在此阶段并非是限制性底物。1d的反应常数值最大，15d时为最小。n上海师范人学硕十学位论文第网章不同条件卜．生物膜的生K第四章不同条件下生物膜的生长生物膜的结构受到反应器结构、水利条件以及底物组成等各种外部条件的影响。生物膜同其他活性生物一样，只有在其特定的生长环境中才能很好地生长，而改变外部条件也会直接影响到废水的处理效果。本章主要讨论在反应器中不同位置、以及改变流速、改变碳源的条件下，生物膜的内部结构所受到的影响。生物膜以废水中的有机物为底物进行同化作用以生长繁殖，同时进行异化作用降解废水中的有机物，达到净化水质的目的。因此生物膜形态对应于模拟废水处理效果。通过观察和分析不同条件下的生物膜形态，对于污水处理工艺的运行控制和工艺设计具有重要意义。4．1材料与方法4．1．1循环折流式生物膜反应装置所使用的反应装置为设计的新型内循环折流式生物膜反应器(Baffledinnerloopbiofilmreactor,BILBR)，用它来对废水进行综合处理。反应器装置图以及液体流动方式第二章2．2．2中已经说明。所设计的反应器内部呈现折流状态，反应器中不同位置的生物膜，其内部结构也随之改变，导致所发生的反应也不同。生物膜中的氧气分布是十分重要的，处理系统中生物膜的组成、生物膜的数量也都将会起到决定性作用。4．1．2运行方法反应器的启动及生物膜的挂膜：采用反应器中自然挂膜的方式，取漕河泾河水并添加200mg／L的葡萄糖于反应器内，间歇培养，启动反应器装置，5～10d后载体上自然形成生物膜。随着生物膜厚度的增加，取少许生物膜镜鉴，并测试COD及总氮的去除率，待去除率稳定之后，认为挂膜成功。配水性质：为了更好的模拟废水性质，用自来水代替蒸馏水的配制。分别用29n第四章不同条f，l：卜．生物膜的生长上海师范人学硕十学位沦文葡萄糖、乙酸、苯甲酸、硫酸铵、磷酸二氢钾配制。S1为葡萄糖溶液、S2为乙酸溶液、S3为苯甲酸溶液，配水组成具体如下表所示：表4-1模拟废水情况反应温度在25～35℃，HRT为21h和2h。4．1．3研究方法探讨在不同的情况下，生物膜的生长情况以及废水处理的情况，主要探讨不同位置生物膜的生长状况，不同HRT下生物膜与废水处理效果的变化，不同碳源导致的生物膜和废水处理效果的变化。具体研究方法为：(1)由于反应器的折流结构，导致反应器内的各个部位的流速、底物浓度不同，反应器内溶解氧的分布也存在差异。因此，我们将反应器看作是由4个区域所组成的整体，分别用A、B、C、D区表示，如图4．1所示。四个区域分别可以代表废水进入反应器后的前部，中前部、中后部和后部位置的情况。通过溶解微电极，可以测得四个区域的生物膜的微观结构，分析折流式反应器中生物膜生长位置与生物膜生长情况的关系。(2)改变HRT条件，在较长的水力停留时间(21h)和较短的水力停留时间(2h)下，比较废水COD、氨氮、总氮的去除效果和生物膜内溶解氧的情况。水力条件的改变会使得生物膜的结构形态产生变化，而生物膜的结果差异必定与废水处理的结果有一定的联系。有必要讨论以下两者之间的联系。(3)研究学者发现底物类型也会影响生物膜法去除有机物的效果，在上述研究之后，改变外加碳源，分别外加等浓度COD的碳源，选择葡萄糖、乙酸和苯甲酸作为生物膜生长的底物碳源。研究碳源对生物膜结构的影响，这与生物膜n上海师范人学硕+学位论文第四章不同条什卜生物膜的生K的形态也是有一定的联系。(4)在以上研究基础上，建立生物膜内部溶解氧的扩散模型，以及废水处理的动力学模型。出水●●——一————_l卜进水A4．2试验结果和讨论．图4-l反应器内划分的4个区域4．2．1反应器内不同位置生物膜的情况挂膜之后的反应器，用葡萄糖营养液作为外加碳源培养生物膜。反应器的水力停留时间为21h，容积负荷为115～1509COD／m3。d。当反应器运行15d之后，生物膜具有一定厚度之后，分别从反应器内ABCD四个区域的陶瓷载体上取下一部分生物膜，利用扫描电镜观察生物膜的外观形态。通过扫描电镜的观察，可以清晰地得到生物膜的外观结构。以下四张图片为生物膜在放大1500倍时的扫描电镜照片，图4．2对应于反应器内A位置载体上所取下的生物膜状态，图4—3为反应器内B位置载体上取下的生物膜的状态，图4．4为反应器内C位置载体上生物膜的状态，图4．5为反应器内D位置载体上生物膜的状态。n第叫节小⋯祭引rI．物1_*旧中l：图4-2A位置生物膜图}3B位置生物膜图4_4c位置生物膜图4-5D位篮生物膜根摒扫描电镜的图片结果，观察到反应器内A、B、c、D叫个区域所生长的‘k物膜旱现出的各种形态，A与B位置匕的生物胺呈现出团状结构，c与D位置。卜的生物膜呈现⋯丝状结黝，这与A、B位置}’的生物膜形志差别很大，特别是D位置上的生物膜能观察到层状结构的模样，并且还可以清晰得看到细胞与细胞之川存在精的空隙。随后在四个区域的载体r取下一部分的，J-物麒放置于培养皿中，利用溶衅氧微电极检测内部溶解氧分却情况。山于溶解氧微电极的细小探针和极高的灵敏度，可以探测到小物膜内部的细微变化，当微电极从生物膜的表面慢慢进入生物膜的内部时，其溶解氧浓度也相应发生变化。n上海师范人学硕十学位论文第四章不同条件卜生物膜的生长12_一●0200400600800depth／gm图4—6反应器内四个区域的生物膜溶解氧分布图4．6为测量获得的曲线显示，在反应器内不同的位置的生物膜膜内的溶解氧分布呈现不同的趋势。氧的渗透深度随反应器的位置不同而变化，在A、B’区域的生物膜内部溶解氧的递减规律相接近，渗透斜率大。而C、D处的生物膜状态更能体现出文献中对生物膜所描述的状态，内部充满空隙和通道，因此溶解氧容易进入生物膜对的深处。微电极测得的溶解氧与生物膜深度的结果完全能对应于SEM电镜的照片，能反映出生物膜形态的真实性。在停留时间较短，即流速较慢的情况下，水流经过载体表面的速度较慢，而后端部分因为有回流泵的关系，流速会产生变化，后端的流速较快，因此能够产生丝状菌。在流速较慢，停留时间较长的情况下，通过扫描电镜和溶解氧微电极观察反应器中4个不同位置的生物膜，4个位置的生物膜情况各不相同，反应器的自订部分(A、B位置)的生物膜形态致密，呈团状结构，微电极测得内部溶解氧随深度下降得较快；反应器的后部分(C、D位置)的生物膜形态相对疏松，呈层状结构，微电极测得内部溶解氧随深度下降得较慢。微电极所测得的溶解氧数据能够表征生物膜的结构状态。图4．7、图4．8、图4．9分别反映了对于COD、氨氮、总氮的去除情况。33O864200．s暑／Oon讹川章水川条¨I叫物㈣竹乍K，打lIli_越人一；，顾|1，似oe蔓joo9舀850图4—7反应器内COD去除情况●●▲●m月哺m^0—————————————————————————————0036Im9L215二磬5三圈4-8反戍器中氨氢去除情况薹*篷翼8．。’·‘．▲TN去除率‘善·‘-；-·：：：；；：I：3。it／d图4-9反应器中总氯去除情况处珲效粜中可蛆看出氧氯和总氯仃所去除，虽然去翰效率并不高．但是也有埭声■㈣㈣喵．／Mm∞．-＼||{}∥●■k●^●■■．K．-、．。八j．．＼．．莲将凿却z．+，zzI▲●●纛：：HJ∞E、Z___zZn上海师范人学硕十学位论文第四章不同条件卜．生物膜的生长所去除。说明反应器内可能存在着硝化反硝化的阶段。观察到的SEM图片和微电极的数据说明了反应器内存在着不同状态的生物膜，而这些生物膜的结构可能是去除氨氮总氮的主要原因，由于生物膜结构的关系，直接影响了微生物的生长环境。致密的生物膜容易生长厌氧性的微生物，而疏松的生物膜更利于好氧反应，那是因为硝化反应发生在溶解氧充足的区域，但硝化作用更多地发生在好氧层的内部118羽】。根据实验数据推断：A、B区为反硝化阶段，C、D区为硝化阶段。表4-2废水综合处理效果平均值(HRT_2lh)表4—2中的I、II表示HRT为21h时两种不同浓度下的废水综合处理效果平均值。数据表明生物膜对废水的去除效果，当负荷变小之后，去除效率效率有所降低。4．2．2不同HRT下的生物膜情况缩短反应器的停留时间，使得HRT为2h，此时的容积负荷为1200～18009COD／m3‘d。4．2．1中己经说明微电极能充分监测出生物膜内部的微观结构的变化。当反应器运行15d之后，取A、B、C、D四个区域位置上的生物膜，利用微电极作为监测手段，观察生物膜内部溶解氧的渗透情况。随着容积负荷的增长，A、B、C、D四个区域的生物膜内部溶氧状况与4．2．1中描述的情况不同。n第四章不同条什I-"生物H焚的生K上海师范人学硕十学何论文Depth／pm■挈O、、o300Depth／tim图4．10A位置生物膜内溶解氧渗透情况图4．11B位置生物膜内溶解氧渗透情况100200300Depth／ten图4-12C位置生物膜内溶解氧渗透情况图4．13D位置生物膜内溶解氧渗透情况图4．10至图4．13为低负荷时的生物膜DO变化与高负荷时生物膜DO变化的对比图。F1代表HRT为21h时低负荷生物膜DO变化，F2代表HRT为2h时高负荷生物膜DO变化。反应器中各个位置上生物膜性质随着水力停留时间或流体流速的发生了变化。图中表明当DO渗透斜率较大的时候，生物膜从表面至内部溶解氧浓度的变化较快，即生物膜相对较为致密。反之，当DO渗透斜率较小时，表明从生物膜的表面至内部变化较慢，即生物膜的结构较为疏松。将以上斜率与所对应的位置的变化做图对应。从图4．14中可以看出，在F1情况时流速较小(FI=0．026m3／s)时，即停留时间较长时，反应器内各个位置生物膜的微观结构变化较大，这说明停留时间较长时，反应器内部的污水形成浓度分布，而所对应的不同位置上的生物膜在不同浓度条件下所形成的微观结构其差别较大。反之，流速较高，或停留时间较短(F2=0．27m3／s)时，反应器内部的污水浓度分布较为均匀，在此情况下，生物膜微观结构的变化较小，表现为其在各个位置上的生物膜微观结构变化不大。n上海师范人学硕十学位论文第四章不同条件一I-生物膜的生长O．050．04O．03o△o∽o．020．OlOABCDPosition图4．14反应器中的载体位置对应生物膜内溶解氧渗透斜率从容积负荷的角度解释的话，Tijhuis等人曾得出结论认为在较低的容积负荷的情况下，载体上几乎没有完整的生物膜，而缩短停留时间之后，载体上都长出了完整的生物膜，COD负荷越高，生物膜更容易形成16引。根据实验结果也能证明他的结论，高负荷的生物膜相对比较疏松，A、B、C、D四个区域的生物膜结构变化不太大，表明生物膜都趋于稳定完整的生物膜，相对活性也高。低负荷的生物膜因为污水分布不均匀，营养不良等外部原因，导致了有些部位的生物膜生长不良好，大大降低了废水处理的能力。虽然负荷有所增加，但是反应器的内四个区域的生物膜还是不同，B、C的渗透速率较快，而A、D的渗透速率较慢。说明在负荷较高的情况下，反应器内也存在着硝化反硝化的区域，实现氨氮总氮的去除。4．2．3碳源对生物膜结构的影响生物膜内微生物的新陈代谢与膜内氧的消耗量密切相关，碳源的选择会影响到生物膜的活性。选择三种不同的有机物作为碳源，在HRT为2h，负荷为容积负荷为1200～18009COD／(m3·d)的运行条件下，观察生物膜的生长情况和废水处理效果。在稳定运行相同时问之后，在相同的位置取下生物膜，用微电极进37n第四章不同条f；，l：_卜．生物膜的生长上海师范人学硕十学位论文行观察，获得生物膜内部溶解氧的分布情况。图4．15为碳源为葡萄糖、乙酸、苯甲酸的生物膜的内部氧浓度分布曲线。；台6厶。葡萄糖：。三三含舍舍含舍△三妻军酸基质一。。口台台垂。一9i◇。。BB舀6。娃。o口6一Ouo020040060080010001200Depth／om图4-15碳源为葡萄糖、乙酸、苯甲酸的生物膜的内部氧浓度分布曲线图中可以看出，葡萄糖生物膜与乙酸和苯甲酸之间的区别，乙酸和苯甲酸的生物膜比较相似。在同一深度处，葡萄糖生物膜溶解氧的绝对值小于乙酸和苯甲酸生物膜的溶解氧绝对值。说明了从结构上看，葡萄糖的生物膜异于乙酸和苯甲酸生物膜。另外，乙酸和苯甲酸生物膜比较疏松，在生物膜内部深处还能测得溶解氧浓度。生物膜一般随着厚度的增长，出现分层，内部产生缺氧即厌氧，靠近表面的一层因有足够的氧气供给即有机物处于好氧状态。但是乙酸与苯甲酸的生物膜不同于葡萄糖的生物膜，虽然疏松的葡萄糖溶解氧的下降速率很慢，但是乙酸和苯甲酸即使穿透与膜的底部，溶解氧也不会达到无氧状态。这一点异于葡萄糖生物膜，乙酸与苯甲酸生物膜的内部缺氧区并不明显。期间的废水处理效果情况如下图所示，图4．16为氨氮处理情况，图4．17为总氮处理情况，图4．18为COD处理情况。图中I阶段碳源为葡萄糖，II阶段碳源为乙酸，III阶段碳源为苯甲酸。m98765432lOo．8量＼Oan上r母师范人学硕}一≯伊论文第刚罩小涮祭¨r生物|膜的生l：图4-16氨氮处理情况一．■·．1uJⅢ翟’effl裟uent。，Ⅲ”。争：0：!：1：：蔓!；{：：曩：唾?l▲‘^‘。-J再F．。一。-：。。卜～。：：}：j：：；；：：”i+．．·．+．+|．一。’l‘·+=10Dj图4．17总氮处理情况图4-18COD处理情况■●●●t■●●-●^●●‘■●●■●●■●●■●■^●■●■●■●●■●-●●-●^●n第四章不同条f，I：卜．生物膜的生长上海师范人学硕十学位论文从废水处理上看，对于氨氮和总氮的处理效果，葡萄糖的优势大于乙酸和苯甲酸。而COD的去除效果三种碳源都未呈现出很高的去除效率。由此可见生物膜的结构并不是越疏松废水去除效果越好的。表4-3三种碳源废水综合处理效果平均值研究认为，不同碳源的生物膜其结构不同，适宜生长的菌种也就会不同，微生物分布也会不同，导致生物膜的活性不同，氧传递效率也不一样，从而生物膜对于废水处理的效果也大相径庭。过于致密或过于疏松的生物膜都不是活性最好的生物膜。而外部疏松内部致密的生物膜菌种分布更为合理，因此更能适应废水的性质，达到去除效果。4．3反应动力学模型的建立以及扩散模型的建立4．3．1反应动力学模型的建立与讨论分析循环折流式生物膜反应器中生物膜对总氮、氨氮、COD的降解规律。在HRT为2h时，对于不同浓度的降解速率如图4．19~图4．2l。总氮、氨氮、COD的降解规律均符合一级反应动力学规律，但随着初始浓度的提高，其降解速率常数则下降。其中C1、C2、C3表示葡萄糖模拟废水的三种浓度。n上海师范人学硕+学位论文第四章不同条件下生物膜的生K20二詈10芝[--0O100图4．19循环折流式生物膜反应器中生物膜对总氮降解规律7一曲暑芝10+‘Z100图4．20循环折流式生物膜反应器中生物膜对氨氮降解规律。钿g古oU0100图4-2l循环折流式生物膜反应器中生物膜对COD降解规律41n第四章不同条什‘卜．生物膜的生K上海师范人学硕十学何论文4．3．2溶解氧扩散模型的建立按照第二章中介绍的建立方法，建立扩散模型，将微电极测得的数据，即HRT为2h时不同反应器内不同位置的生物膜内氧浓度分布，代入模型中计算出参数。由于葡萄糖所培养的生物膜，厚度难以准确测出，所以其密度参照文献165】为21kg／m3。根据文献【67】，有效扩散系数De为5．148mm2／d。表4-4HRT=2h时反应器内各位置生物膜的扩散方程参数值计算结果如表4．4。其中k是微生物最大氧消耗速率，它也是用于表征微生物活性的重要参数。Jergensen等人【69】研究报道一般活性污泥系统中的最大氧消耗速率在20．88m902／(gVS·h)。Km是生物膜对氧的半饱和常数，是以溶解氧作为限制因素得到的生物膜半饱和常数。就所拟合的参数而言，表中反映出A与D位置生物膜的k值相同，B与C位置生物膜的k值相同。与先前所讨论的结果一致，即反应器中存在着两种不同形态的生物膜。生物膜的不同传质效果能实现好氧厌氧反应，从而去除总氮。4．4本章小结(1)在流速较慢，停留时间较长，负荷较低的情况下，反应器内不同位置的生物膜情况各不相同，反应器的前部分的生物膜形态致密，呈团状结构，微电极测得内部溶解氧随深度下降得较快；反应器的后部分的生物膜形态相对疏松，呈层状结构，微电极测得内部溶解氧随深度下降得较慢。(2)微电极所测得的溶解氧数据能够表征生物膜的结构状态。(3)高负荷的生物膜相对比较疏松，A、B、C、D各个区域的生物膜结构变化不大，表明生物膜都趋于稳定完整的生物膜，相对活性也高。低负荷的生物42n上海师范人学硕+学位论文第四章不同条件卜．生物膜的生长膜因为污水分布不均匀，营养不良等外部原因，导致了有些部位的生物膜生长不良好，大大降低了废水处理的能力。(4)所设计的内循环折流式生物膜反应器内的生物膜对于废水中的有机物等的降解规律符合一级反应动力学规律；在反应器中的各个位置不同的生物膜建立溶解氧扩散模型，得出反应器中存在不同状念的生物膜，生物膜不同的内部结构和不同的传质效果可以实现好氧厌氧反应，去除氨氮总氮。(5)不同碳源的生物膜其结构不同，适宜生长的菌种也就会不同，微生物分布也会不同，导致生物膜的活性不同，氧传递效率也不一样，从而生物膜对于废水处理的效果也大相径庭。(6)过于致密或过于疏松的生物膜都不是活性最好的生物膜。而外部疏松内部致密的生物膜菌种分布更为合理，因此更能适应废水的性质，达到去除效果。43n第五章实际废水处理生物膜的变化上海师范人学硕+学何论文本章用实际工业废水代替模拟废水，观察生物膜的变化。模拟废水可以反映生物膜的一些性质，但是实际工业废水处理由于其水质情况的特殊性，在处理工程中将会导致生物膜的活性降低，使得微生物的状态不佳。生物膜的活性对应其处理能力，因此有必要对实际废水的生物膜结构进行分析。当营养物质缺少导致活性不佳时，添加适量的葡萄糖和甲醇作为外加碳源，以增加生物膜的活性，从而降低工业废水中的有机物。5．1处理的实际废水——电镀工业废水的介绍电镀工业废水含酸和各种金属离子如铬、锌、镉等，并排出含氰化物废水，具有剧烈毒性[70-72]。目前对于电镀废水的处理主要是在于对金属离子以及氰化物的去除[73-75l。处理电镀废水中氰化物的过程中会发生不完全反应产生了氨氮，若直接排入河道会污染水源。电镀废水中缺少碳源、BOD低，营养物质少，在好氧生物处理时，将导致生物活性低。一般在工业废水好氧生物处理中，当碳、氮、磷含量不足时，人们会按比例添加药剂或加入生活污水等，来保证生物膜的总量和活性【7引。实验用废水为常州泰瑞美电镀有限公司工业电镀废水经处理后的出水，其中重金属离子已通过纳滤膜过滤去除，氰化物也用树脂系统去除，出水水质如表5．1所示。废水中的COD浓度对于工业废水而言并不高，废水的电导率相当与1．68mg／LNaCl水溶液的电导率，其盐分对生物膜活性的影响不明显。表5．1废水水质nL海帅范，、一学碗{}恤呛立筇兀章实阿废水处理生物膜的变化5．2材料与方法5．2．1反应器选择第章221中所介绍的反应器，反应体系示意图见图5-1，反应器连续曝气，反应温度为】0～20℃，烧杯巾的溶液体积为反应器工作体积的12倍。5．2．2运行方法图5-1气升式内循环生物膜反应器运行体系气本实验所用的接种污泥取自上海龙华水质净化厂二沉池，分别以葡萄糖和甲醇为外加碳源，加入工业废水进行驯化培养后，接种于陶瓷载体上。反应器每天运行24h，运行15d以上，停留时州一菸为30h，每天于出水口定时取样测氨氯浓度。由于电镀废水的低BOD的关系，因此需要外加碳源，利用好氧生物膜法处理废水，去除氨氯。分别进行两组投加方式实验：1)在反应启动时与反应进行20h时补充碳源，浓度为400mg／L；2)在反应启动时添加浓度为800mg／L碳源，反应中造1i孵补充碳源。n第五章实际废水处理生物膜的变化上海师范人。学硕十学位论文5．2．3研究方法对于同一碳源下(葡萄糖为外加碳源)的不同投加方式下的出水氨氮进行比较分析，根据最佳的投加方式下，改变碳源种类后进行反应并监测出水水质的变化，利用扫描电镜技术观察生物膜的外表形态，利用微电极技术得到生物膜内部溶解氧的变化情况，对生物膜的内部微观结构与生物膜的活性关系，以及对应的处理废水效果进行系统的分析探讨。5．3试验结果和讨论在其它条件不变的情况下，分别以改变投加方式和改变碳源的方法，观察好氧生物膜反应器中氨氮的变化情况。之后利用扫描电镜技术和微电极技术对于废水中生长的生物膜的内部进行全面分析。5．3．1投加方式对废水处理的影响—o一氨氮浓度—岳一氨氮去除率—扣00D去除率，～∥弋N◆一O15时间／Il1007550莲妊篮25稍0．25图5-2葡萄糖生物膜处理废水效果图图5—2中l阶段以葡萄糖作为碳源，投加浓度均为400mg／L(C：N：P=100：5：1)。当停留时间在2h以后COD去除率和氨氮去除率都有所提高，说明了碳源能使生物膜生长保持所需的活性。氨氮去除率在停留时间4h后保持在25％～852963Oo．嚣￡≥*墉n上海师范人学硕十学位论文第五章实际废水处理生物膜的变化50％之间，停留时问过长，生物膜的生长速率过大。在停留时间20h时补充了一次葡萄糖碳源，即图5．2中2阶段，浓度依然为400mglL，因为补充了碳源的关系，22h时COD的去除率有所降低，24h之后COD去除率上升，氨氮去除率也提高，此时生物膜好氧反应氨氮去除率80％～99％。可以看出，以葡萄糖作为补充碳源，在投加两次碳源的方式下，生物膜的活性好，氨氮去除效果明显。十氨氮浓度斗氨氮去除率十COD老除率05lO15时间／Illoo75述50錾稍250图5-3一次性补充碳源葡萄糖在反应启动时添加浓度为800mg／L葡萄糖碳源(C：N：P=200：5：1)，其降解趋势见图5．3，由于所添加了高浓度的葡萄糖，碳源浓度增加了，生物膜生长速率变快，厚度也增加，氨氮与COD的去除速率很快：6h之后由于生物膜脱落，造成氨氮去除率降低。20h时没有添加碳源，氨氮去除率呈现上升趋势，但随后又降低。L．Tijhuis认为适宜的基质负荷可以生成平稳牢固的生物膜，处理能力也相对比较好；而过高的基质负荷则导致载体上生物量的减少，形成薄弱的生物膜【131，处理效果各有差异。图5．3也说明了这点，以葡萄糖作为碳源，生物膜利用碳源生长，但是高浓度的碳源使得生物膜生长过快，生物膜脱落，载体上生物量的减少，氨氮的去除呈现出波动的不稳定的趋势。生物膜是由外部好氧层与内部厌氧层所组成。当内部的一层因底物和供氧不足时，容易脱落，对生物膜的活性也有所影响。因此在投加方式上选择两次投加，在处理效果上比一次投加更加显著。47加bm500．嚣m，1鼙磁n第五章实际废水处理生物膜的变化上海师范人学硕十学位论文5．3．2碳源对废水的处理的影响改变外加碳源，选择甲醇作为生物膜生长所需碳源，如图5．4的1阶段同样在反应启动时投加甲醇，浓度为400mg／L(C：N：P=100：5：1)。反应初期几小时内，氨氮去除率并不高，随着反应的进行，COD的去除率提高时氨氮的去除率却越来越低，出现了负值。生物膜虽具有一定活性，可是氨氮却出现负增长。氨氮负增长的原因可能是在生物膜生长时，由于碳源的缺乏微生物内源呼吸产生了氨氮，导致氨氮的上升。1阶段的氨氮总体去除效果不明显，去除效率均为20％以下。在停留时间20h时补充了一次甲醇碳源，浓度仍然为400mg／L，即图5．4中的2阶段，因为补充了碳源的关系，22h时的COD的去除率有所降低，而后突然上升，氨氮去除率也有所提高，生物膜能进行好氧反应去除氨氮，但是氨氮去除率仍很低。随着反应的进行，氨氮去除率逐渐上升，当停留时间30h时氨氮去除率为50％左右。由此可见，以甲醇为碳源的生物膜对氨氮去除，反应缓慢不明显，反应时间长。巾氨氮浓度—k氨氮去除率—扣COD去除率一O51015时间／h1007550述槲竖25稍0-25图5-4甲醇生物膜处理废水效果图结果表明，以甲醇为碳源的生物膜在工业废水处理过程中虽具有一定活性，但是与葡萄糖为碳源的生物膜处理效果比较而言，甲醇为碳源的生物膜对于氨氮的去除反应均不明显，氨氮去除率只有40～50％，而葡萄糖生物膜的氨氮去除率可达到90％以上，以葡萄糖为碳源的生物膜去除效果更佳。筋加bm5Oo．嚣g／]鹜晡n海师范人学硕l学位略文第“带吱际废水灶埋生物脱n0尘化5．3．3生物膜内部结构的影响生物膜的结构形忐特征可以卣绥影响井处理效果的发挥l”I。小物膜的结构也能决定培养幕质的类型17”。尘物膜微牛物所赖以，_}=长的环境中所台营养物质的多寡及其相互之州的比例决定了微小物细胞的合成、生长及繁殖，影响到生物膜反应器的处理效能”“。生物脱的活件足与其形奄结构密}刀相关的。生物膜的结构形态直接影响处理功能I7I。通过扫描电镜，分别对两种生物膜进行观察。图5-5以葡萄糖为碳源的生物脱放大500倍下的SEM图片，图5-6以甲醇为碳源的生物膜放大500倍下的SEM照片。从照片t可以清晰地州察到两种生物膜的微观结构明显不同。以葡萄糖为碳源的生物膜表面分泌出很多粘液状的代谢产物，结构呈疏松状，奈。以甲醇为碳源生K的生物膜表面基本没有分泌出粘液，微生物细胞紧密堆积在～起．呈现出凼簇状态。生物膜结构形态不同．从而导致了两种碳源生物膜的对于氨氨处理效果不同。图fi-5以葡萄糖为碳源的生物膜的SEM照片圈}6以甲酵为碳源的生物膜的SEM照片结合图5-2年『1图5-5的实验结果，呵以认为，由于以葡萄糖为碳源生长的生物膜，代谢产物量多，导致了生物膜表面疏松，形成厚厚的层状结构，并且存在许多孔隙，这些孔隙正是传质的通道p“，罩面充满若营养底物或低浓度的胞外聚合物”“，这一微观结构有助于氧在生物膜内的传递，所以反映出葡萄糖为碳源乍长的乍物膜氢氮土除效率高。结合同5_4和罔5-6的实验结果，以甲醇为碳源生长的生物膜表|：白i致密，观察不到孔隙，传质阻力大，因此氧气不容易传递到生物膜的内部，生物膜表面的n第无章实际废水处理生物膜的变化上海师范人学硕十学位论文利用率低，所以导致氨氮的去除率低。5．3．4生物膜内部溶解氧的差异利用溶解氧微电极分析生物膜的内部溶解氧情况。结果如图5．7所示，2种生物膜内，溶解氧浓度都随距离生物膜表面的深度的增加而下降。以甲醇为碳源生长的生物膜，由于表面致密，微电极一进入生物膜，溶解氧就马上下降了。在生物膜深度约5009m时，溶解氧浓度接近零，说明在此生物膜深处的微生物处于无氧状态。而以葡萄糖为碳源生长的生物膜，微电极进入生物膜之后，溶解氧是缓慢的下降，没有甲醇生物膜明显的下降趋势。由于葡萄糖碳源的生物膜比较厚，只测得距表面距离lmm之间的溶解氧分布，在生物膜深度10009m时，溶解氧浓度4．7mg／L，生物膜的内部有氧状态区域较大。厚度舯图孓7生物膜内部溶解氧的变化微生物活性，膜内污泥浓度等因素都可能影响溶解氧的下降速率。以葡萄样为碳源的生物膜，在表面下0,--一，0．25mm的部分，其内部溶解氧稳定。当下至0．25mm之后，溶解氧浓度下降，其后随生物膜的深度的增加而平缓下降。生物膜内部溶解氧下降曲线说明了：以葡萄糖为碳源的生物膜厚而松散，表层部分生物密度低，因此那部分的耗氧不明显，之后曲线斜率相对稳定，说明生物密度增加。O8642Oo．∞色毯醛旃譬缝n上海师范人。学硕十学侮论文第五章实际废水处理生物膜的变化以甲醇为碳源的生物膜，一接触到表面后，溶解氧浓度就急剧下降，随后的下降速率变得稳定，于0．5mm的时候溶解氧浓度降至接近为零。生物膜内部溶解氧下降曲线说明了：以甲醇为碳源的生物膜表面相对致密，单位体积耗氧速率比较大。由于葡萄糖生物膜松散粗糙的缘故，其单位消耗氧速率低于以甲醇为碳源的致密光滑的生物膜。通常硝化反应是发生在溶解氧充足的区域，因此硝化反应与溶解氧具有很大关系，生物膜是好氧层和厌氧层两部分组成，外部是好氧层，内部为厌氧层。虽然好氧氧化作用沿生物膜厚度方向都有存在，但硝化作用更多地发生在好氧层的内部[39-41l。结合SEM的图象图5．5和图5-6发现，以葡萄糖为碳源的生物膜疏松具有多孔结构，并且微电极测得生物膜内部溶解氧浓度比较高，在膜内lmm处仍存在溶解氧4．7mg／L，膜内lmm处的微生物仍处于好氧状态，因此膜深处容易形成硝化细菌，发生硝化反应去除氨氮。以甲醇为碳源的生物膜由于其致密的表面使得溶解氧难以进入微生物内部，传质效果不佳，将硝化细菌的生长限制在其光滑表面，微电极测得膜内0．5mm处几乎为无氧状态，使得硝化作用受到了抑制作用，对应实验结果，氨氮去除效果不佳。因此2种碳源下形成的不同形态结构的生物膜是影响氨氮去除的关键因素。5．4本章小结根据氨氮去除数据、生物膜外观形态以及生物膜内部溶解氧分布状况，分析了碳源、生物膜、氨氮去除三者的关系。得出以下结论：(1)以葡萄糖作为碳源生长的生物膜，其活性好，代谢产物多，使得外观疏松，表面具有多孔结构，因此传质效果好，微电极在生物膜lmm处测得溶解氧4．7mg／L，生物膜的好氧层深处易生长硝化细菌，发生硝化反应去除氨氮，氨氮去除效果明显。但葡萄糖的消耗速率快，需要及时补充碳源。若一次性添加过多的葡萄糖，生物膜生长过快，造成生物膜的脱落等影响因素，反而出现不稳定的氨氮去除效果。(2)以甲醇为碳源生长的生物膜虽具有一定活性，但是生物膜表面致密，外n第五章实际废水处理生物目葵的变化上海师范人学硕十学位论文观观察不到孔隙，微电极进入生物膜内部后，溶解氧急速下降，在约0．5mm部分溶解氧浓度趋向零，硝化细菌被限制在生物膜的表面上难以生长于膜深处，因此硝化作用受到了抑制，氨氮的去除效果不佳。(3)当其它条件一致时，碳源的选择决定了生物膜的结构，葡萄糖为碳源生长的生物膜表面疏松，甲醇为碳源生长的生物膜生物膜表面致密。生物膜疏松与致密的结构影响废水中氨氮的去除。(4)生物膜结构对于工业废水的去除效果至关重要，深入了解掌握生物膜结构的状态和变化，在生物膜法处理工业废水技术上，对于改善其性能、提高其处理效果是非常必要的。52n上海师范人学硕十学何论文第入章结论第六章结论(1)生物膜在生长过程中随着其厚度增加，生物膜由致密结构变为疏松结构，溶解氧的渗透速率发生变化。第1天的生物膜内部溶解氧随深度迅速下降，生物膜比较致密，生物量不够密集。直到第15天时测得生物膜内溶解氧的下降速率最小，生物膜膜深处还有溶解氧。根据测得的数据建立扩散反应方程，拟合发现零级动力学方程更符合所测数据，说明在生物膜生长的初期阶段，即ld～15d的阶段，生物膜内溶解氧的扩散反应与氧气浓度无关，氧气在此阶段并非是限制性底物。(2)所设计的新型内循环折流式生物膜反应器内不同位置的生物膜情况各不相同，在流速较慢，即停留时间较长，负荷较低的情况下，扫描电镜反映了反应器的前部分的生物膜形态致密，呈团状结构，微电极测得内部溶解氧随深度下降得较快；而反应器的后部分的生物膜形态相对疏松，呈层状结构，微电极测得内部溶解氧随深度下降得较慢。因此微电极所测得的溶解氧数据能够表征生物膜的结构状态。(3)高负荷的生物膜相对比较疏松，由于流速较高，停留时间较短，反应器内部的污水浓度分布较为均匀。在此情况下，生物膜微观结构的变化较小，表现为其在各个位置上的生物膜微观结构变化不大。这也表明生物膜都趋于稳定完整的结构，活性也较高。低负荷的生物膜因为污水分布不均匀，营养不良等外部原因，导致了有些部位的生物膜生长不良好，而降低了废水处理的能力。(4)所设计的内循环折流式生物膜反应器内的生物膜对于废水中的有机物等的降解规律符合一级反应动力学规律；在反应器中的各个位置不同的生物膜建立溶解氧扩散模型，得出反应器中存在不同状态的生物膜，生物膜不同的内部结构和不同的传质效果可以实现好氧厌氧反应，去除氨氮及总氮。(5)不同碳源的生物膜其结构不同，适宜生长的菌种也就会不同，微生物分布也会不同，导致生物膜的活性不同，氧传递效率也不一样，生物膜对于废水处理的效果也因此大相径庭。过于致密或过于疏松的生物膜都不是活性最好的生物膜。而外部疏松内部致密的生物膜菌种分布更为合理，因此更能适应废水的性质，达到去除效果。53n第八章结论上海师范人学硕十学位论文(6)处理电镀工业废水时，以葡萄糖作为碳源生长的生物膜，其活性好，代谢产物多，使得外观疏松，表面具有多孔结构，因此传质效果好，微电极在生物膜lmm处测得溶解氧4．7mg／L，生物膜的好氧层深处易生长硝化细菌，发生硝化反应去除氨氮，氨氮去除效果明显。以甲醇为碳源生长的生物膜虽具有一定活性，但是生物膜表面致密，外观观察不到孔隙，微电极进入生物膜内部后，溶解氧急速下降，在约0．5mm部分溶解氧浓度趋向零，硝化细菌被限制在生物膜的表面上难以生长于膜深处，因此硝化作用受到了抑制，氨氮的去除效果不佳。(7)当其它条件一致时，碳源的选择决定了生物膜的结构，葡萄糖为碳源生长的生物膜表面疏松，甲醇为碳源生长的生物膜生物膜表面致密。生物膜疏松与致密的结构影响废水中氨氮的去除。因此生物膜结构对于工业废水的去除效果至关重要，深入了解掌握生物膜结构的状态和变化，在生物膜法处理工业废水技术上，对于改善其性能、提高其处理效果是非常必要的。n上海师范人学硕l：学{讧论文第七章建议载体上的生物膜结构与其对废水降解的反应是一个复杂的体系。本文仅就陶瓷载体上的生物膜的生长情况及其一些影响因素进行了初步探索，初步建立了扩散反应动力学方程，其中有些问题需作进一步的研究。在本论文实验的基础上，提出以下几点建议：(1)本论文中初步建立了溶解氧的扩散反应模型，进一步深入研究建模方法是下一步研究的关键所在。另外由于实验条件限制的关系，生物膜的密度无法准确测量。本文中采用文献中的所提到的密度建立模型，导致出现拟合值与实际值差别稍大，但基本SSD值≤5。建议在选择测量出生物膜厚度和重量之后，自行计算得出密度用于建模，可反映生物膜动力学参数的真实性。(2)本论文成功测得生物膜内溶解氧的分和情况，但是实验中用于检测溶解氧的生物膜均是异位检测，即生物膜是从载体上取出之后进行检测，这样可能造成生物膜在刮下的时候产生结构上的损坏。建议今后可以直接检测生长在载体上的生物膜，或者原位检测，即在运行的反应器内检测生物膜的状态，这样能更好地表征废水处理时的生物膜的内部结构。(3)本文探索了不同阶段生物膜的生长变化，实验进行中发现，反应运行初期时，载体上的生物膜比较容易脱落且较薄，有些位置不易于电极检测。建议今后可以将反应器运行较长时间，待生物膜长到成熟阶段，且较厚时进行溶解氧的检测。(4)本文仅探讨了生长在陶瓷载体上生物膜的状态，同后可以将生长在玻璃、沙石、PVC等载体上的生物膜进行检测。从而能更有效地证明载体对生物膜结构的关系，对于培养形成高活性的生物膜具有重要意义，也给生物膜工艺处理技术的优化设计提供了指导方向。(5)本文利用了溶解氧微电极对生物膜的微观结构进行了探讨。微电极有许多种类，建议可以利用ORP微电极和离子选择性微电极对生物膜的微观结构进行多角度的表征。n致谢上海师范人学硕十学位论文三年研究生生涯即将结束，值此论文完稿之际，首先我要衷心感谢我的导师张永明教授，没有他的教导也就没有今天的我，从本科到研究生期间，张老师不仅教会了我怎么对待研究工作，更教会了我如何做人做事。张老师的睿智与豁达、细致缜密的思维以及孜孜不倦的工作，使我受益匪浅。张老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，敏锐地科研洞察力，忘我的工作精神，永远都是我学习的榜样。再次衷心地感谢张老师引领我进入了科学的殿堂。感谢商学院的院长朱德通教授和他的博士生蔡力，帮助我建立模型，最终能获得动力学参数。感谢清华大学的施汉昌教授和周小红博士，他们的论文使我对我的实验研究思路变得明朗清晰。我还要感谢在学院里每一位曾经给予我指导的老师，感谢阎宁老师、李步祥老师、石登荣老师、于金莲老师、高运川老师对我专业学习上的教诲与帮助!这三年充实、愉快、收获颇丰的研究经历将是我永不能忘怀的岁月。感谢朝夕相处的陈子彦、郭亚琦，刘伟伟同学，她们是我在生活上学习上的好姐妹，遇到困难的时候，她们给予了我及时的帮助。同时也感谢师妹浦雪静，师弟严荣、张萃逸同学，感谢他们在实验过程中所给予的帮助，是他们辛勤的汗水和认真踏实的工作保证了这篇文章的顺利完成。感谢课题组的其他同学，给予我实验和生活上的帮助和支持。我还要深深地感谢我的家人，感谢他们这多年来对我的培育，理解支持我的研究实验工作，在我心情失落的时候给予鼓励和安慰，他们是我永远的坚强后盾。还要特别感谢钱敏同学，在遇到麻烦的时候，总是默默地支持我，鼓励我。衷心地谢谢你们，是你们的无私的包容和理解给了我无限的力量和勇气。最后，感谢所有曾帮助和关心过我的人们，认识他们是我人生的一笔财富。n上海师范人学硕十。学位论文参考文献【1】张林生．水的深度处理与同川技术fM】．北京：化学‘T业出版社．2004．【2】张自杰．排水．翻鼙(下)【M】．第四版．北京：中国建筑I：业山版社，2000．【3]Udowiesmann，InSuChoi，Eva-MariaDombrowski．废水生物处理原理【M】．盛国平．北京：科学出版社。2009．【4】沈耀良，黄勇，赵丹．固定化微生物污水处理技术[M】北京：化学上业出版社，2002．【5】RittmannB．E．andMcCartyP．L．EnvironmentalBiotechnology：PrinciplesandApplications[M]．NewYork：McGraw—HillBookCo，2001．【6】RittmannB．E．BiofilmTechnologyUsedtoImproveWaterQuality[J]．JournalofShanghaiNormalUniversity，2004，33(4)：1-8．【7】JohnE．Pauisen，EirikOppen，RuneBakke．Biofilmmorphologyinporousmedia,astudywithmicroscopicandimagetechniques[J]．Wat．Sci．Tech．，1997，36(1)：i--9．【8]HermanowiczSw．，SchindlerU．，WildererP．Fractalstructureofbiofilms：Newtoolsforinvestigationofmorphology[J]．War．Sci．Tech。，1995，32(8)：99～105．【9]XinminYang，HalukBeyenal，GaryHarkin，ZbigniewLewandowski．Quantifyingbiofilmstructureusingimageanalysis[J]．JournalofMicrobiologicalMethods，2000，39：109～119．【10】王文军，王文华等．生物膜的研究进展[J】．环境科学进展，1999，7(5)：43～51．【l1]PercivalSL，ela1．Biofiim，MainsWaterandStainlessSteel[J]．Wat．Res．1998，32(7)：2187~2201．【12]RaoTS，ela1．biofilmformationinafreshwaterenvironmentundertphoticandAphoticconditions[J]．Biofouling．1997．11(4)：265-282．【13]L．Tijhuis，B．Hijman，M．C．M．VanLoosdrecht，J．J．Heonen．Influenceofdetachment，substrateloadingandreactorscaleontheformationofbiofilmsinaitliftreactors[J]．ApplMicrobialBiotechnoi，1996，45：7-17．【14】刘雨，赵庆良，等．生物膜法污水处理技术【M】．第一版．北京：中国建筑j二业出版社，2000．【15]TaylorGT，eta1．influenceofsurfacepropertiesonaccumulationofconditioningfilmsandmarinebacterialonsubstrataexposedtooligotrophicwaters[J]．Biofouling。1997，ll(1)：3I～57．【16】海景，黄尚东等．水处理用塑料生物膜载体改性研究进展[J】．合成材料老化与应J}j，2006，35(4)：41—44．【17】李步祥，张永明等．轻质生物膜陶瓷载体的研制及在废水处理中的应削【J】．水处理技术，2007，33(6)：71-73．【18]支JJ虹，张永明．苯酚在紫外辐射和生物膜联合作用下的降解动力学【J】．上海师范大学学报(自然科学版)，2009，38(1)：88～93．【19]张永明，俞俊棠，王建龙等．蜂窝陶瓷吲定化细胞气升式内循环生物反应器的水力学特性【J】．环境科学，2001，22(1)：54～56．【20]HeijnenJJ，VanLoosdrec融MCM，MulderA，ela1．Formationofbiofilmsinabiofilmair-liftsuspensionreactor[J]．WaterSciTechnol，l992，26(5)：647-654．【21]ZbigniewLewandowski，DerekWebb，MartinHamiltonQuantiflyingbiofilmstructure[J]．WatSciTech，1999，39(7)：273—278．【22]DirkdeBeer,PaulStoodley．Relationbetweenthestructureofallaerobicbiofiimandtransportphenomena[J]．Wat．Sci．Tech．，1995，32(8)：11～18．57n参考文献上海师范人学硕+学位论文【23]DebeerD，StoodleyRLewandowskiZ．Liquidflowinheterogeneousbiofilms[J]．BiotechnolBioeng，1994，44(5)：636～641．[24]Stoodley只DebeerD，LewandowskiZ．Liquidflowinbiofiimsystem[J]．AppleEnviorMicrobio．1994．60(8)：27ll~2716．[25】TijhuisL，VanBenthamWAJ，VanLoosdrechtMCM，eta1．Solidsretentiontimeinsphericalbiofilmsinabiofilmairliftsuspensionreactor[J]．BiotechnolBioen吕1994，44(8)：867～879．【26】T．11AYLOREIGHMY,DENISEMARATEA，PAULL．BISHOP．ElectronMicroscopicExaminationofWastewaterBiofilmFormationandStructuralComponents[J]．AppleEnviorMicrobio，1983，45(6)：1921～1931．[27]陈兆波，陈忠强，林海龙．污水处理系统数学模型【M】．哈尔滨T业大学出版社：2009．【28]RittmannBE，McCartyPL．Modelofsteady-state—biofilmkinetics[J]．Biotechnologyandbioengineering，1980，22：2343～2357．【29]SuidanMT，WangYT．Unifiedanalysisofbiofilmkinetics[J]．JEnvironEng，1985．1l1(5)：634-646．【30]WannerO，Gujerw．A．Amultispeciesbiofilmmodel[J]．Biotechnologyandbioengineering。1986，28：314--328．【31】EberlHJ，PicioreanuC，HeijnenMC．Athree-dimensionalnumericalstudyonthecorrelationofspatialstructure，hydrod)，namiccondition，andmasstransferandconversioninbiofilms[J]．ChemicalEngineeringScience，2000，55：6209--6222．【32]周小红，施汉昌，蔡强．基于微电极的生物膜分析技术的研究进展【J】．环境监测管理与技术，2006，18(1)：32-35．【33]PHILIPW．D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