紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜理化性質(zhì)的影響

龍?zhí)煊?，郭莉莎，賈黎明，羅 超

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045；2.低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心(重慶大學(xué))，重慶 400045)

生物膜廣泛存在于自然環(huán)境中，當(dāng)載體表面含有少量的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就能被微生物定植并形成生物膜[1]，因其具有良好的水處理能力而被廣泛地應(yīng)用于水處理反應(yīng)器中。生物膜的理化性質(zhì)包含其生物量、厚度、密度和其胞外聚合物(EPS)的組成成分等，這些性質(zhì)與生物膜的附著能力、傳質(zhì)效率和細(xì)胞活性密切相關(guān)[2-3]，因而影響了生物膜反應(yīng)器的處理效果。在實(shí)際自然環(huán)境中，水體大多處于紊流狀態(tài)，紊流對(duì)生物膜特性的影響是紊流時(shí)均流速、脈動(dòng)流速和水流剪切力等共同作用的結(jié)果。已有研究表明，時(shí)均流速和水流剪切力對(duì)生物膜的理化性質(zhì)有顯著影響[4]，而僅針對(duì)紊流脈動(dòng)對(duì)其理化性質(zhì)影響的研究鮮見報(bào)道。研究紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜理化性質(zhì)的影響，可為生物膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化提供理論參考。

在通常的紊流中，均存在時(shí)均流速和脈動(dòng)流速，兩者相互影響、相互耦合，其間的關(guān)系極為復(fù)雜，難以區(qū)分各自的作用。振動(dòng)格柵裝置產(chǎn)生的紊流能在距離格柵一定的區(qū)域內(nèi)形成時(shí)均流速為零的近似各向同性的紊流，并且通過改變格柵的運(yùn)行參數(shù)(如格柵幾何尺寸、振動(dòng)沖程和頻率等)可方便地調(diào)控紊流脈動(dòng)流速和有效紊流強(qiáng)度，因此，借助其研究紊流脈動(dòng)是一種有效的方法[5]。在過去50年里采用振動(dòng)格柵形成的紊流已被廣泛用于研究工程中許多與紊流脈動(dòng)相關(guān)的問題[6]?；诖?，設(shè)計(jì)了振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器，利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)反應(yīng)器紊流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，并將生物膜載片放置于近似各向同性紊流區(qū)域內(nèi)，通過改變格柵的振動(dòng)頻率，研究紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜理化性質(zhì)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器

振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器和格柵示意見圖1。該反應(yīng)器分為主水箱和副水箱兩個(gè)部分。主水箱是生成格柵紊流和附著生物膜的場(chǎng)所，副水箱的設(shè)置是為了減少微孔曝氣對(duì)格柵紊流流場(chǎng)的影響。

圖1 振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器和格柵示意(mm)

主水箱尺寸為310 mm×310 mm×500 mm，有效容積約為48 L。格柵柵條寬度和厚度為10 mm，柵孔寬50 mm，相鄰兩孔中心距M=60 mm，經(jīng)計(jì)算格柵孔隙率為0.67(>0.60)，因此，可以產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的紊流[7]；格柵沖程S為50 mm，其振動(dòng)中心距反應(yīng)器底部390 mm。聚乙烯生物膜載片尺寸為30 mm×30 mm×10 mm，將載片固定且其中心距格柵振動(dòng)中心165 mm>2M，因此，載片處于近似各向同性紊流區(qū)域內(nèi)[8]。

副水箱尺寸為210 mm×210 mm×500 mm，有效容積約為20 L。副水箱中的污水曝氣后經(jīng)水箱上部的潛水泵和下部的水管實(shí)現(xiàn)與主水箱的水循環(huán)，循環(huán)周期為20 min。

振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器重要部件如下：微孔曝氣頭，D=10 cm；曝氣泵，Q=27 L/min；水泵，Q=300 L/h，2 W；電機(jī)，120 W，1 300 r/min。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

所用污水為人工配置，加入葡萄糖、淀粉作為碳源，加入氯化銨作為氮源，并加入磷酸二氫鉀、蛋白胨、硫酸鐵、氯化鈣、鉬酸鈉、硫酸鋅、硫酸鎂、氯化鈷、硫酸錳為微生物提供生命所需微量元素。污水COD為200 mg/L，pH為6.8～7.8。

1.3 接種掛膜

接種污泥來自重慶雞冠石污水處理廠二沉池，為避免污泥沉降對(duì)接種產(chǎn)生影響，采用污泥沉降后的上清液進(jìn)行接種。向反應(yīng)器加入2 L污泥上清液并注入人工模擬污水，調(diào)節(jié)格柵振動(dòng)頻率，啟動(dòng)反應(yīng)器，開始接種掛膜，接種時(shí)間為24 h。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

首先利用PIV技術(shù)對(duì)該反應(yīng)器的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，格柵振動(dòng)頻率分別為0、0.5、1.0、1.5和2.0 Hz。接著進(jìn)行生物膜培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)振動(dòng)頻率為一組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)同時(shí)運(yùn)行3個(gè)振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器，反應(yīng)器在接種掛膜24 h后運(yùn)行10 d，5組實(shí)驗(yàn)共運(yùn)行55 d，所有實(shí)驗(yàn)所處運(yùn)行環(huán)境相同，水溫由恒溫控制器控制在26 ℃左右。每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將3個(gè)反應(yīng)器中的生物膜載片取出，并將生物膜與載片分離，進(jìn)行其生物量、厚度、密度和EPS組成成分的測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)采用間歇進(jìn)水模式，每天進(jìn)水兩次，每次進(jìn)水量為主副水箱總有效容積的1/3，同時(shí)，為維持反應(yīng)器中的營(yíng)養(yǎng)狀況，每3 d將兩水箱完全排空，清洗兩水箱后重新進(jìn)水。

1.5 測(cè)定方法

振動(dòng)格柵生物膜反應(yīng)器紊流流場(chǎng)采用PIV技術(shù)測(cè)定，PIV系統(tǒng)的CCD高速相機(jī)在1 min內(nèi)拍攝600張示蹤粒子運(yùn)行軌跡照片，經(jīng)過系統(tǒng)圖像處理軟件對(duì)所得照片進(jìn)行一系列的處理，最終得到反應(yīng)器二維流速場(chǎng)[9]。

生物量由干質(zhì)量(mD)表示，采用超聲法將生物膜與載片分離，分離后將其置于105 ℃烘箱烘至恒質(zhì)量，烘干前后的質(zhì)量相減所得值即為生物膜干質(zhì)量；生物膜厚度(h)采用圖像分析結(jié)構(gòu)法測(cè)定[10]，使用單反相機(jī)采集生物膜載片側(cè)面圖像，再用ImageJ軟件測(cè)量厚度；根據(jù)載片尺寸(A=30×30 mm2)、生物膜干質(zhì)量和厚度，通過式(1)即可計(jì)算生物膜密度：

(1)

EPS的提取方法是在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)修改，手工刮取生物膜于50 mL離心管中，用70 ℃ 0.05%NaCl溶液定容至50 mL，振蕩1 min并離心10 min后，收集的上清液即為L(zhǎng)B-EPS。再向離心管中加入NaCl溶液，并定容至50 mL，振蕩離心管1 min后，將其60 ℃水浴30 min，水浴后再離心15 min所得上清液即為TB-EPS。提取所得的EPS均冷凍保存，以備EPS組分測(cè)定。EPS中蛋白質(zhì)、多糖和DNA質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別通過考馬斯亮藍(lán)顯色(Bradford)法[12]、硫酸蒽酮法[13]和二苯胺試劑法[14]測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器二維流速場(chǎng)和載片處有效紊流強(qiáng)度

PIV系統(tǒng)測(cè)得反應(yīng)器在不同振動(dòng)頻率下的二維流速場(chǎng)，通過Tecplot360軟件對(duì)其進(jìn)行可視化處理后得到瞬時(shí)流速場(chǎng)分布，如圖2所示?？梢钥闯觯闪髅}動(dòng)流速隨頻率的增加而增大。

圖2 不同格柵頻率下的瞬時(shí)流速場(chǎng)

由所測(cè)得的瞬時(shí)流速計(jì)算生物膜載片處兩方向上脈動(dòng)流速的均方根比(u/v)，結(jié)果見圖3。不同振動(dòng)頻率下，載片所處范圍的u/v為0.71～0.80，因此，載片位于近似各向同性紊流區(qū)域內(nèi)[15]。

圖3 不同振動(dòng)頻率下的兩方向均方根流速比(u/v)

Shy等[16]定義某一水平高度的有效紊流強(qiáng)度為

(2)

表1 不同振動(dòng)頻率下載片處的平均有效紊流強(qiáng)度

2.2 紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜生物量的影響

在不同紊流強(qiáng)度下，單片載片上的生物膜生物量見圖4。隨著紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)，干質(zhì)量先增大后減小。當(dāng)紊流強(qiáng)度為0 cm/s時(shí)，生物膜干質(zhì)量最小，為(2.7±0.1) mg，當(dāng)紊流強(qiáng)度分別為0.56、1.45和1.92 cm/s時(shí)，生物膜干質(zhì)量逐步增大至(3.7±0.3)、(12.01±0.98)和(18.29±0.8)mg，但當(dāng)紊流強(qiáng)度進(jìn)一步增大至2.54 cm/s時(shí)，生物膜干質(zhì)量減小為(14.75±0.78)mg。生物膜傳質(zhì)分為外傳質(zhì)和內(nèi)傳質(zhì)，水動(dòng)力條件可以影響生物膜的外傳質(zhì)，在一定范圍內(nèi)，紊流脈動(dòng)增強(qiáng)可以減少生物膜流動(dòng)邊界層和濃度邊界層的厚度，減小膜外傳質(zhì)阻力，增加污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的傳質(zhì)速率[17]，從而促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，生物膜生物量增加。但是當(dāng)紊流脈動(dòng)繼續(xù)增強(qiáng)，各向同性紊流在固體邊界產(chǎn)生的水流剪切力也會(huì)增強(qiáng)[18]，生物膜為抵抗高強(qiáng)度的水流剪切力而變得更致密[19]，傳質(zhì)阻力增大，微生物生長(zhǎng)速率降低，同時(shí)水流剪切力直接影響生物膜的脫落[20]，因而在水流剪切力的作用下，部分生物膜從載片上脫落，當(dāng)脫落的速率大于微生物生長(zhǎng)速率時(shí)，載片上的生物量便減少。

圖4 不同紊流強(qiáng)度下生物膜的生物量變化

生物膜反應(yīng)器中，在一定范圍內(nèi)生物膜生物量越多，反應(yīng)器的處理效果越好，但是生物量過高，生物膜活性不一定高，污染物去除率也不一定高[21]。葉星等[22]用實(shí)驗(yàn)證明，隨生物膜生物量的增大，反硝化生物濾池對(duì)總氮和硝酸鹽的去除率先增大后減小。另外在生物濾池中生物量過大時(shí)，會(huì)影響濾池的過水通道，出水水質(zhì)也會(huì)變差[23]。因此，通過改變紊流脈動(dòng)強(qiáng)度使生物膜反應(yīng)器內(nèi)保持合適的生物量，可以使反應(yīng)器維持良好的處理能力。

2.3 紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜厚度的影響

在不同紊流強(qiáng)度下，生物膜厚度的變化如圖5所示。生物膜厚度同生物量的增減規(guī)律相似，隨著紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)，厚度先增大后減小。格柵靜止不動(dòng)時(shí)生物膜最薄，厚度為(0.43±0.02)mm，當(dāng)紊流強(qiáng)度分別為0.56、1.45和1.92 cm/s時(shí)，生物膜厚度逐步增大至(0.63±0.03)、(0.73±0.05)和(0.95±0.06)mm，當(dāng)紊流強(qiáng)度進(jìn)一步增大至2.54 cm/s時(shí)，厚度減小為(0.51±0.02)mm。在一定范圍內(nèi)，紊流脈動(dòng)增強(qiáng)，生物膜邊界層變薄，傳質(zhì)阻力降低，傳質(zhì)速率加快，生物膜生物量增加，其厚度也增加；生物膜結(jié)構(gòu)具有異質(zhì)性和層次性，分為表層、基底層和中間層，表層生物膜很脆弱，易于從載體上脫落下來[24]，因此，當(dāng)紊流脈動(dòng)過強(qiáng)時(shí)，表層生物膜會(huì)被固體邊界的剪切力沖刷并與載片分離，厚度減小。

圖5 不同紊流強(qiáng)度下生物膜的厚度變化

王榮昌等[25]發(fā)現(xiàn)，膜曝氣生物膜反應(yīng)器的氨氮表面去除率隨著生物膜厚度先增大后減小。Celmer等[3]采用中空纖維膜生物膜反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，生物膜厚度越大，反應(yīng)器的反硝化速率越小。因此，生物膜反應(yīng)器中的紊流脈動(dòng)強(qiáng)度可影響生物膜的厚度，進(jìn)而影響反應(yīng)器的處理效果。

2.4 紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜密度的影響

在不同紊流強(qiáng)度下，生物膜密度的變化如圖6所示。當(dāng)紊流強(qiáng)度為0和0.56 cm/s時(shí)，生物膜密度分別為(6.98±0.1)和(6.53±0.2)μg/mm3，幾乎沒有變化，當(dāng)紊流強(qiáng)度進(jìn)一步增大為1.45、1.92和2.54 cm/s時(shí)，生物膜密度也隨之增大，分別為(18.28±0.3)、(21.39±0.37)和(32.14±0.5)μg/mm3。由此可知，當(dāng)紊流脈動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，生物膜會(huì)變得更致密，來抵抗載體邊界產(chǎn)生的水流剪切力，避免從載體上脫落，該結(jié)果與Beyenal等[19]的研究結(jié)果一致。

圖6 不同紊流強(qiáng)度下生物膜密度的變化

Celmer等[26]認(rèn)為生物膜密度是底物擴(kuò)散的決定性因素，生物膜密度過大，會(huì)影響底物擴(kuò)散至生物膜，從而影響生物膜反應(yīng)器的處理效果。因此，控制好紊流脈動(dòng)和生物膜密度，有利于保持生物膜反應(yīng)器良好的處理效果。

2.5 紊流脈動(dòng)對(duì)生物膜EPS組分的影響

EPS提取過程中的各項(xiàng)操作可能破壞微生物細(xì)胞，內(nèi)源物質(zhì)就會(huì)進(jìn)入上清液，對(duì)EPS組分的測(cè)量產(chǎn)生干擾。為考察本次提取是否可靠，測(cè)量了EPS中DNA質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表2。可以看出，DNA質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分小于10 %，細(xì)胞破碎程度在可接受范圍內(nèi)。

表2 不同振動(dòng)頻率下生物膜EPS中DNA質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在5個(gè)紊流強(qiáng)度下，生物膜EPS中蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖7、8。蛋白質(zhì)和多糖在EPS中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著紊流強(qiáng)度的增大而增加，且該兩種物質(zhì)在緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)中比在松散結(jié)合型EPS(LB-EPS)中多，由此可見紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)可以促進(jìn)生物膜分泌EPS，尤其促進(jìn)TB-EPS的分泌，TB-EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多有利于生物膜附著在載片上而不脫落。蛋白質(zhì)和多糖是EPS的重要組成部分，影響著生物膜與載片的結(jié)合，蛋白質(zhì)由于其氨基酸和官能團(tuán)而具有很強(qiáng)的疏水性[27]，同時(shí)多糖含有氫鍵，可形成高含水凝聚膠，使EPS具有更強(qiáng)的凝聚力，生物膜的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此，蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，有利于生物膜抵御紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)。

圖7 不同紊流強(qiáng)度下生物膜EPS中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖8 不同紊流強(qiáng)度下生物膜EPS中多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

王榮昌等[25]在實(shí)驗(yàn)的后期發(fā)現(xiàn)，胞外多糖和TB-EPS的分泌增多，會(huì)導(dǎo)致氧傳質(zhì)阻力增加，從而導(dǎo)致氧通量降低，反應(yīng)器的去除效率降低。因此，紊流脈動(dòng)會(huì)影響生物膜EPS的組分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而影響生物膜反應(yīng)器的處理效果。

在不同紊流強(qiáng)度下，生物膜EPS中蛋白質(zhì)與多糖的比值如圖9所示。無論在LB-EPS、TB-EPS還是總-EPS中，蛋白質(zhì)多糖質(zhì)量比均大于1，即蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于多糖。蛋白質(zhì)提供生物膜大部分的結(jié)合位點(diǎn)[28]，另外，蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與生物膜的密度有關(guān)，密度大的生物膜蛋白質(zhì)多糖比更高，生物膜也更穩(wěn)定[3]。同時(shí)，EPS中還含有大量的胞外蛋白酶，以維持微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)。

圖9 不同紊流強(qiáng)度下生物膜EPS中蛋白質(zhì)多糖質(zhì)量比

3 結(jié) 論

1)紊流脈動(dòng)速度隨著格柵振動(dòng)頻率的增加而增大；生物膜載片處兩方向上脈動(dòng)流速的均方根比(u/v)為0.71 ～ 0.80，載片處于各向同性紊流區(qū)域內(nèi)；在0、0.5、1.0、1.5和2.0 Hz 5種頻率下載片處的有效紊流強(qiáng)度分別為0、0.56、1.45、1.92和2.54 cm/s。

2)隨著紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)，傳質(zhì)速率加快，生物膜生物量和厚度先增大后減小。當(dāng)有效紊流強(qiáng)度為1.92 cm/s時(shí)，生物量和厚度在5個(gè)頻率下達(dá)到最大，分別為(18.29±0.8)mg和(0.95±0.06)mm。

3)當(dāng)有效紊流強(qiáng)度為0和0.56 cm/s時(shí)，生物膜密度變化不大，而后密度隨著紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)而增大，生物膜變得越來越致密，從而更好地抵御水流剪切力。當(dāng)有效紊流強(qiáng)度增加到2.54 cm/s時(shí)，生物膜密度達(dá)(32.14±0.5)μg/mm3。

4)紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)可以促進(jìn)EPS的分泌，EPS中蛋白質(zhì)和多糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著紊流脈動(dòng)的增強(qiáng)而增大，且在TB-EPS中該兩種物質(zhì)多于LB-EPS中。同時(shí)，無論在何種形式的EPS中，蛋白質(zhì)多糖質(zhì)量比大于1，即蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于多糖。