硅藻土改性載體加速移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)研究

李 倩，全 燮，劉 濤，于洪濤，白 楊

（大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

生物膜法與活性污泥法相比，具有抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)、生物固體停留時(shí)間更長(zhǎng)、剩余污泥較少等優(yōu)點(diǎn).生物膜載體是生物膜法的關(guān)鍵材料，其結(jié)構(gòu)形狀、密度、表面粗糙度、親水親電性等性能直接關(guān)系到載體掛膜的難易、反應(yīng)器中生物量的多少及污水處理效率的高低.但是，傳統(tǒng)載體多采用聚乙烯（polyethylene，簡(jiǎn)稱PE）、聚丙烯（polypropylene，簡(jiǎn)稱PP），載體材質(zhì)生物親和性較差，造成生物膜載體掛膜速度慢、附著生物膜活性低以及水處理效果差等，導(dǎo)致生物膜工藝啟動(dòng)較緩慢.

因此，越來越多的研究關(guān)注對(duì)生物膜載體的優(yōu)化.一類方法是通過制造復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)來提高聚烯烴載體的比表面積，例如環(huán)狀、球狀、空心圓柱狀和籠式懸浮載體等，并且將載體外表面設(shè)計(jì)成凹凸面、帶小刺的面、波紋狀或帶豎條的面，一定程度上提高了載體的微生物持有量［1－2］，但是載體材質(zhì)親水性和生物親和性有待提高.另一類方法是開發(fā)聚氨酯（polyurethane，簡(jiǎn)稱PU）泡沫塑料載體［3－4］，聚氨酯親水性優(yōu)于聚烯烴，同時(shí)載體的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了保護(hù)場(chǎng)所，減小了掛膜初期水力剪切和載體間的摩擦對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響，從而加速了微生物附著，但是運(yùn)行中容易產(chǎn)生堵塞、結(jié)團(tuán)、布?xì)獠妓痪鶆虻葐栴}.

因此，在保障載體空間結(jié)構(gòu)合理、比表面積大、力學(xué)性能良好的基礎(chǔ)上，開發(fā)一種材質(zhì)親水性和生物親和性良好、易于流化的生物膜載體具有重要意義.有研究表明，引入極性基團(tuán)如羥基、羰基到載體表面，是提高載體的親水性、促進(jìn)微生物在載體表面黏附的有效方法之一［5－6］，從而提高載體的掛膜、傳質(zhì)和水處理性能［7］.硅藻土具有可持久性、質(zhì)輕、多孔且表面積大等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)［8］.同時(shí)，硅藻土表面存在游離的、與氫鍵連接的羥基，這類基團(tuán)具有親水性［9］，添加硅藻土作為改性劑可以降低載體的表面接觸角，提高其親水性.

基于硅藻土持久性強(qiáng)、孔隙率高而且含有親水基團(tuán)，本文采用硅藻土對(duì)PE 載體進(jìn)行親水改性，并應(yīng)用硅藻土改性載體進(jìn)行移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（moving bed biofilm reactor，簡(jiǎn)稱MBBR）掛膜啟動(dòng)試驗(yàn).考察硅藻土改性載體在MBBR 工藝啟動(dòng)階段的掛膜性能和水處理性能，并與傳統(tǒng)PE載體進(jìn)行對(duì)比.通過對(duì)比分析，闡明硅藻土改性載體親水性改善對(duì)加速成熟生物膜形成和提高污水處理效果的原因.

1 試驗(yàn)方法

1.1 硅藻土改性載體的制備

本次試驗(yàn)中使用的硅藻土改性載體和PE 載體均委托某廠商集中生產(chǎn).硅藻土改性載體和PE載體均為扁圓柱體外形，直徑25mm，高10mm，內(nèi)有2圈六邊形支撐架，比表面積為620m2／m3.

1.2 接觸角的測(cè)量

兩種載體的表面接觸角由接觸角測(cè)量?jī)x（靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x，SL200B，上海梭倫信息科技有限公司）測(cè)量得出，并借助接觸角的數(shù)據(jù)來表征載體的親水性.

1.3 試驗(yàn)裝置與方法

兩組MBBR 試驗(yàn)裝置在相同條件下平行運(yùn)行.試驗(yàn)組為反應(yīng)器R1，填充硅藻土改性載體；對(duì)照組為反應(yīng)器R2，填充PE 載體.每組試驗(yàn)裝置包括好氧反應(yīng)器（有機(jī)玻璃材質(zhì)的圓柱狀裝置，有效體積2.3L，直徑10cm，高30cm）和沉淀池，見圖1.好氧反應(yīng)器采用連續(xù)流，底部進(jìn)水，上部出水，維持水力停留時(shí)間HRT 為6h.試驗(yàn)采用人工配制的模擬廢水，進(jìn)水水質(zhì)為（203.9±13.0）mg／L COD，（40.6±1.9）mg／L NH＋4－N，并添加微量元素營(yíng)養(yǎng)液［10－11］，投 加NaHCO3調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH 在7.5～8.0.溫度維持在25 ℃左右.載體填充率設(shè)為30%.活性污泥取自大連市某污水處理廠.

1.4 分析方法

化學(xué)需氧量（COD）采用微波消解－重鉻酸鉀法測(cè)量；氨氮（NH＋4－N）采用納氏試劑分光光度法測(cè)量；pH 采用Sartorius PB－20型pH 計(jì)測(cè)量；溶解氧和溫度采用HACH 便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)量；附著生物膜量和懸浮污泥濃度采用干重法測(cè)量，兩者之和為總生物量；使用1 mol／L NaOH溶液溶解載體表面的附著生物膜，90 ℃條件下加熱5min 以促進(jìn)細(xì)胞裂解［12］，蛋白質(zhì)含量采用Bradford 法［13］測(cè)量，多糖含量采用硫酸－蒽酮法［14］測(cè)量；成熟期生物膜［15］采用掃描電子顯微鏡（S4800，Hitachi，日 本）觀察；熒光原位雜交（fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）探針為Eub338 （真細(xì)菌，5′－GCTGCCTCCCGTAGGAGT－3′）［16］、Nso190（氨氧化菌，5′－CGATCCCCTGCTTTTCTCC－3′）［17］和Nit3（亞硝酸鹽氧化菌－硝化菌屬，5′－CCTGTGCTCCATGCTCCG－3′）［18－19］，雜交后在共聚焦熒光顯微鏡（CLSM，Leica－TCS－SP2，Leica，德國(guó)）下觀察并成像［20］.

圖1 MBBR 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of MBBR used in the experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 載體

PE載體和硅藻土改性載體的規(guī)格參見表1.由表1可知，傳統(tǒng)PE 載體表面接觸角為94.3°，硅藻土改性載體表面接觸角為77.8°，表明硅藻土改性載體親水性得到了一定程度的改善.

表1 兩種載體規(guī)格Tab.1 Characteristics of the two carriers

2.2 生物膜生長(zhǎng)狀況

2.2.1 生物膜活性 蛋白質(zhì)是生物酶的重要組成部分，而多糖是構(gòu)成細(xì)胞壁和胞外聚合物的主要成分，兩者在微生物生長(zhǎng)代謝和附著過程中發(fā)揮著重要作用［21－22］.例如，Chapman等發(fā)現(xiàn)純菌培養(yǎng)條件下蛋白質(zhì)合成和勢(shì)能負(fù)荷（ATP 占ADP的比率）的變化有聯(lián)系［23］；Lazarova等發(fā)現(xiàn)無論是異氧菌還是自養(yǎng)硝化菌培養(yǎng)過程中，蛋白質(zhì)的含量影響生物膜的活性［24－25］；Tojo等發(fā)現(xiàn)表皮葡萄球菌向光滑表面黏附時(shí)，一種半乳糖豐富的莢膜多糖在初期黏附過程中起作用［26］；Sutherland發(fā)現(xiàn)多糖自身或聯(lián)合其他生物大分子能夠產(chǎn)生凝膠用于生物黏附［27］.因此可以借助生物膜內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖的含量來考察生物膜活性［12］.在本試驗(yàn)中，每4d檢測(cè)一次蛋白質(zhì)和多糖含量的變化，結(jié)果如圖2所示.兩種載體表面附著生物膜內(nèi)的蛋白質(zhì)和多糖的含量均隨時(shí)間增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)速率不同.在試驗(yàn)前期（前36d）硅藻土改性載體表面附著生物膜內(nèi)的蛋白質(zhì)和多糖含量增長(zhǎng)速度明顯快于PE載體，在試驗(yàn)后期（第36d之后）硅藻土改性載體表面附著生物膜內(nèi)的蛋白質(zhì)和多糖含量的飽和水平高于PE 載體.試驗(yàn)第60d的結(jié)果顯示，PE載體表面附著生物膜內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖含量分別是47.0mg／L 和40.7mg／L.而硅藻土改性載體表面附著生物膜內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖的含量是55.5 mg／L 和60.9 mg／L，分別是PE載體的1.18倍和1.50 倍.這些結(jié)果表明無論是蛋白質(zhì)和多糖的含量還是增長(zhǎng)速率，硅藻土改性載體都優(yōu)于PE載體.蛋白質(zhì)和多糖的含量越高，表明越多的微生物棲息在硅藻土改性載體表面，并且生物膜的生物活性和細(xì)胞活性越高.

圖2 PE 載體和硅藻土改性載體表面附著生物膜內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖含量Fig.2 Concentrations of protein and polysaccharide in the attached biofilm on the PE carrier and the diatomite－modified carrier

2.2.2 生物膜量 生物膜生長(zhǎng)穩(wěn)定后，生物膜載體上微生物的生長(zhǎng)狀況如圖3所示.附著在PE載體表面的生物膜呈絨毛狀、稀疏，而附著在硅藻土改性載體表面的生物膜較為緊湊和濃密.由圖3可看出，相同試驗(yàn)條件下，同一時(shí)間點(diǎn)，硅藻土改性載體表面有更多的微生物附著.分析原因，硅藻土改性載體表面微生物生長(zhǎng)狀況更加良好是源于載體材質(zhì)表面接觸角的改善，因?yàn)楦〉谋砻娼佑|角能夠使載體更方便地接觸到液膜中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物，能夠強(qiáng)化載體和微生物之間的連接作用.

圖3 附著有成熟生物膜的載體照片F(xiàn)ig.3 Photos of carriers attached with mature biofilm

圖4 總生物量、揮發(fā)性生物量、生物膜量和揮發(fā)性生物膜量Fig.4 Total and volatile dry weights of biomass and biofilm

為了考察載體表面微生物的聚集情況，生物膜生長(zhǎng)成熟后，測(cè)量了反應(yīng)器R1、R2內(nèi)的總生物量、揮發(fā)性生物量以及兩種載體表面附著生物膜量和揮發(fā)性生物膜量（如圖4所示）.結(jié)果顯示，填充有硅藻土改性載體的反應(yīng)器R1內(nèi)總生物量為（2.40±0.34）g／L，填充有PE 載體的反應(yīng)器R2內(nèi)總生物量為（1.77±0.03）g／L，R1比R2的高35.6%，表明反應(yīng)器R1 內(nèi)微生物量更高.同時(shí)，R1內(nèi)揮發(fā)性生物量占比86.2%，R2內(nèi)揮發(fā)性生物量占比76.3%.揮發(fā)性生物量的比例R1比R2高約10%，表明反應(yīng)器R1內(nèi)的活性微生物的比例更高.再者，硅藻土改性載體表面附著的生物膜量為（1.98±0.27）g／L，PE載體表面附著的生物膜量為（1.22±0.17）g／L，前者比后者高62.3%，表明硅藻土改性載體在聚集微生物方面有更良好的性能.反應(yīng)器R1 內(nèi)附著生物膜量占總生物量的82.5%，反應(yīng)器R2內(nèi)附著生物膜量占總生物量的68.9%，R1比R2高13.6%，表明反應(yīng)器R1內(nèi)微生物以附著生物膜形態(tài)生長(zhǎng)的比例更高.這些結(jié)果都與前面生物膜載體的照片（圖3）相一致.分析原因是，生物膜載體材料含有的元素和官能團(tuán)對(duì)微生物的附著有著重要的影響，硅藻土的加入使改性載體含有羥基等親水性官能團(tuán)，增加了載體材料的表面能，對(duì)細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)有一定的積極作用［28－29］.所以，硅藻土改性載體表面微生物附著更快、數(shù)量更多，掛膜啟動(dòng)所需時(shí)間也就相對(duì)縮短了.

2.2.3 生物膜微生物群落結(jié)構(gòu) 基于以上的結(jié)果，可以看出硅藻土改性載體顯然比PE 載體有更好的生物親和性.所以，采用掃描電子顯微鏡考察兩種載體表面附著生物膜的分布和形態(tài)方面的差異.如圖5（a）所示，PE 載體表面附著的生物膜是很薄的一層，并且只分布在載體表面部分區(qū)域.相反，生物膜均勻地覆蓋在硅藻土改性載體表面，鋪滿了整個(gè)區(qū)域.如圖5（b）所示，硅藻土改性載體表面可以觀察到較致密的生物膜，呈三維立體結(jié)構(gòu)，皺褶起伏多.而PE載體表面觀察到大量的絲狀菌聚集.高倍數(shù)下掃描電子顯微鏡結(jié)果如圖5（c）所示，可以看出PE 載體表面附著的生物膜內(nèi)微生物并沒有形成菌膠團(tuán)，而是零散分布.而硅藻土改性載體表面附著的生物膜內(nèi)可以清晰地看到桿菌呈團(tuán)簇狀聚集，數(shù)量較大.以上結(jié)果表明，硅藻土改性載體接觸角的改善，對(duì)其生物親和性產(chǎn)生了積極的影響，使其更有利于微生物附著.

圖5 附著生物膜掃描電子顯微鏡圖Fig.5 SEM micrographs of the attached biofilm

由于氨氧化細(xì)菌 （ammonia－oxidizing bacteria，簡(jiǎn)稱AOB）和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（nitrite－oxidizing bacteria，簡(jiǎn)稱NOB）是氨氮去除過程中發(fā)揮重要作用的菌群，采用熒光原位雜交（FISH）表征掛膜啟動(dòng)過程中兩種載體表面附著生物膜內(nèi)AOB和NOB的相對(duì)豐度.圖6（a）中紅色為總細(xì)菌（探針為Eub338）；綠色為氨氧化細(xì)菌（探針為Nso190）.圖6（b）中紅色為總細(xì)菌（探針為Eub338）；綠色為亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（探針為Nit3）.FISH 結(jié)果顯示，硅藻土改性載體表面附著生物膜內(nèi)微生物總量較多，這與上述掃描電子顯微鏡結(jié)果一致.并且，掛膜啟動(dòng)過程中，PE載體表面只附著有少量AOB和NOB，而較多的AOB和NOB生長(zhǎng)在硅藻土改性載體表面生物膜內(nèi).硅藻土改性載體生物膜內(nèi)AOB 和NOB 的相對(duì)高的豐度，源自其接觸角的改善.顯然，硅藻土的加入有助于提高生物膜內(nèi)的硝化菌群的數(shù)量.

圖6 硝化細(xì)菌表征Fig.6 Nitrifying bacteria detection

2.3 COD、氨氮去除效果

接觸角的改善使硅藻土改性載體具有更好的親水性和生物親和性，填充有硅藻土改性載體的反應(yīng)器R1的水處理效果更好.掛膜啟動(dòng)階段兩組MBBR 裝置的進(jìn)出水COD 濃度變化如圖7（a）所示.進(jìn)水COD 濃度維持在200 mg／L 左右，雖然反應(yīng)器R1、R2出水COD 濃度均持續(xù)下降，但同一時(shí)間點(diǎn)R1出水COD 濃度一直低于R2.填充有硅藻土改性載體的反應(yīng)器R1 的COD 去除率更高，前30d差異尤其明顯.隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，第22dR1出水COD 濃度（42.56mg／L）低于50mg／L，早于R2 達(dá)到國(guó)家一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)（50 mg／L，圖中虛線所示）.同時(shí)，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，R2的出水COD 濃度大約在25mg／L，R1的出水COD 濃度均低于20 mg／L，這說明在連續(xù)流HRT 為6h的條件下，反應(yīng)器R1的COD 去除率超過90%.

圖7 填充不同載體兩組MBBR 裝置內(nèi)進(jìn)出水COD 濃度和DO 曲線Fig.7 COD concentration of the influent and effluent and DO profile in the two MBBRs with different carriers

圖7（b）所示的溶解氧（dissolved oxygen，簡(jiǎn)稱DO）濃度隨時(shí)間變化的曲線也呈現(xiàn)和COD 去除率類似的趨勢(shì).啟動(dòng)過程中，R1的DO 數(shù)值始終低于R2.并且，啟動(dòng)初期R1、R2 DO 濃度為8mg／L，之后反應(yīng)器R1的DO 濃度逐步降低至3mg／L左右并維持穩(wěn)定，在好氧生物反應(yīng)的DO濃度范圍之內(nèi).掛膜啟動(dòng)過程中，在相同的曝氣條件下，反應(yīng)器R1的DO 濃度持續(xù)低于反應(yīng)器R2的DO 濃度，這說明異養(yǎng)菌在硅藻土改性載體的表面附著更容易、生長(zhǎng)更迅速、生物量更大.這與上述的微生物表征結(jié)果相一致.

兩組MBBR 裝置的氨氮去除效果隨時(shí)間的變化情況如圖8所示.反應(yīng)器R1、R2出水氨氮濃度均隨時(shí)間降低，但填充有硅藻土改性載體的反應(yīng)器R1出水氨氮濃度下降更快.R1出水氨氮濃度在第24d 第一次達(dá)到國(guó)家一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)（5 mg／L，如圖1中虛線所示），比R2早8d.

這說明，硅藻土改性載體的填充使反應(yīng)器R1內(nèi)富集了更多的硝化細(xì)菌，獲得了更好的氨氮去除效果.分析原因是，由于接觸角的改善，硅藻土改性載體首先促使世代時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)的異養(yǎng)菌在其表面附著生長(zhǎng).然后異養(yǎng)菌形成的生物膜及其分泌的胞外聚合物為硝化細(xì)菌提供了保護(hù)場(chǎng)所，削弱了掛膜啟動(dòng)初期水力剪切和載體間摩擦對(duì)硝化細(xì)菌的脫附影響［12，30］.從COD 和氨氮去除率的角度看，硅藻土改性載體縮短了MBBR 工藝掛膜啟動(dòng)所需時(shí)間，對(duì)于MBBR 工藝在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用有巨大幫助.

圖8 填充不同載體兩組MBBR 裝置內(nèi)進(jìn)出水氨氮濃度變化Fig.8 Changes in NH＋4－N concentration of the influent and effluent in the two MBBRs with different carriers

3 結(jié) 語

添加硅藻土改善了載體的親水性和生物親和性，使硅藻土改性載體表面接觸角更小、微生物黏附能力更良好.掛膜啟動(dòng)全過程中，無論是附著生物膜內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖的含量還是增長(zhǎng)速率，硅藻土改性載體都優(yōu)于PE 載體，表明硅藻土改性載體附著生物膜活性更高.生物膜成熟后，反應(yīng)器R1內(nèi)總生物量比R2高35.6%，硅藻土改性載體附著生物膜量比PE 載體高62.3%.并且，通過FISH 表征發(fā)現(xiàn)，硅藻土改性載體附著生物膜內(nèi)AOB和NOB 兩類細(xì)菌的數(shù)量多于PE 載體的.反應(yīng)器R1出水水質(zhì)比反應(yīng)器R2出水水質(zhì)更好，R1出水COD、氨氮濃度都在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了國(guó)家一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn).綜上所述，硅藻土改性載體良好的掛膜性能和水處理效果，加速了MBBR 工藝掛膜啟動(dòng).

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