生物流化床反应器生物膜特性研究进展

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1、生物流化床反应器生物膜特性研究进展?李 ? 平1? 吴海珍2? 韦朝海1 ( 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

2、化的几种手段。 关键词? 生物流化床? 生物膜特性? 废水处理The progress on the research of biofilm characteristics in biological fluidized bedLi Ping1? Wu Haizhen2? Wei Chaohai1 ( 1. Environmental Science Institute, South China University of T echnology, Guangzhou 510640; 2. College of Food and Bioengineering, South China U ni

3、versity of Technology, Guangzhou 510640)Abstract?Biological fluidized bed ( BFB) will be greatly developed in wastewater treatment.The biodegradation process depends upon the active biofilm. It is an important approach to study the biofilm char - acteristics to improve the biodegradable ability of B

4、FB reactor. Several key parameters of the biofilm charac - teristics are reviewed in this paper. The microbial community structure is the most important factor effecting the efficiency of BFB. T herefore, the relation between the microbial community distribution, ecological suc - cession and the BFB

5、 efficiency is specially discussed in this review. Besides, several measures have been put forward to enhance the biofilm characteristics of BFB reactor. Key words? biological fluidized bed; biofilm characteristic; wastewater treatment? ? 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

6、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

7、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 3: 当有机废水或由

8、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?广东省百项创新项目( 2KB06604C) ; 广东省自然科学基金项目( 000492, 963043)第 3 卷第 9 期环境污染治理技术与设备Vol. 3, No. 9 2 00 2 年 9 月Techniques and Equipment for Environmental Pollution ControlSep . 2 0 0 2于固相表面上, 其中的微生物利用有机底物而生长繁殖, 逐渐在载体表面形成一层粘液状的生物膜。 这层生物膜具有生化活性, 又进一步吸附、 分解废水中呈悬浮、 胶体和溶液状态的污染物。2

9、? 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 2, 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

10、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。3? 生物膜的特性参数及对有机物降解性能 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?

11、 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、生物膜多聚糖、 生物膜内微生物的种群分布等指标。 3. 2? 生物膜各特性参数简介及对有机物降解性能的影响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, 真正起作用的并不是所观察到的生物膜总量, 而只是其中具有较强生物活性的生物量部分。研究发现, 在生物膜的线性增长阶段, 生物膜量的增加并没 有贡献于底物去除率的提高, 因此, 这些增加的生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)

12、 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、 T TC 法、 DNA法、 总蛋白质法以及耗氧率( OUR) 等方法6。 3. 2. 2? 生物膜厚度生物膜厚度是研

13、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、 间接计算法等方法 6, 8。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, 脱氢酶活性与底物去除负荷之间具有良好的相关性, 可通过检 测载体生物膜脱氢酶活性

14、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速率。因此, 耗氧率是衡量好氧流化床反应器生物膜特性和研究反应器动力学的重要参数, 一般采用 瓦勃氏呼吸仪测定。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 接反映了生物膜的活性系数。采用常规蛋白质分析76环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备3 卷法测定。3. 2. 6? 生物膜多聚糖 9 多聚糖( polysaccherides) 是细胞增长过程中

15、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( fluorescent in site hybridization) 技

16、术、 PCR 技术或 16S rDNA 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。4? 生物膜中微生物种群分布特征及研究 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。