复合膜生物反应器的生物学研究

1　HSMBR系统

　　带有泡沫填料的复合淹没式膜生物反应器(HSMBR)系统将多种污水处理工艺整合在极其简单的装置中，使系统兼具生物膜法、活性污泥法和膜分离的特点^［1］。HSMBR系统的工艺流程如图1所示。原水经前置反硝化A段进入好氧生物反应器，在出水泵的抽吸作用下得到膜过滤出水。

　　好氧生物反应器采用的泡沫填料是具有海绵蜂窝状结构的高分子聚合物，孔隙率为90%，挂膜后其密度略大于水。填料的孔径为0.5～1.5mm，有利于0.01mm的 细菌和0.1mm的原生动物进出。将填料串联，上端固定在反应器内的支架上，另一端悬浮于水中，使其在反应器内能有束缚地漂动。填料的介入为微生物提供了更加有利的生存环境，附着相和悬浮相微生物协作完成了对污染物的降解过程。
　　HSMBR系统对污染物的去除主要由生物反应器来完成，但过滤膜能使大分子难降解物质在体积有限的反应器中获得足够的停留时间而被去除。同时，过滤膜还能将几乎所有的生物量截留在反应器内，使反应器内的总生物量维持在较高的水平，从而以紧凑的系统布置获得较高的去除率。

2 生物量的测定

　　反应器内生物量的测定结果见表1。

表1　　生物量测定结果

指标		悬浮相生物量(mg/L)	附着相生物量(mg/g填料)
			上部填料		中部填料		下部填料
			外	内	外	内	外	内
O段反应器	SS	4175	4290	1473	6227	1653	5778	1793
	VSS	3465	3484	1109	5155	1125	4776	1245
	VSS/SS	0.83	0.81	0.75	0.83	0.68	0.83	0.69
A段反应器	SS	9153	5.9		3.8		2.5
	VSS	6706	4.3		2.4		1.2
	VSS/SS	0.73	0.73		0.61		0.50

　　从表1可以看出，A段反应器中以悬浮生长的微生物为主(占总生物量的99%以上)，由于陶粒填料填充率大(54%)，也可认为这些微生物是松散地附着在陶粒表面的。VSS/SS沿水流方向有减小的趋势，说明生物活性有所下降。
　　在O段反应器中悬浮相与附着相共存，并以附着生长的微生物为主(约占总生物量的72%)。中部填料表面的生物量最多(7.88g污泥/g填料)，上部填料上的生物量相对较少(5.763g污泥/g填料)，下部填料上的生物量为7.571g污泥/g填料，这是由反应器内的底物浓度和曝气强度等条件所决定的。填料内部的厌氧污泥所占比例从上至下分别为25%、21%和24%。填料上VSS/SS值从上至下并无变化(均为0.8)，如图2所示。

　　填料表层生物膜的VSS/SS值比填料内部的高，这种差异在中、下部填料较为明显，而上部填料内、外的VSS/SS值较为接近(如图3所示)。

　　图3说明在生物反应器内，DO充足的区域好氧附着微生物的活性较高，而在DO浓度相对较低的区域则厌氧附着微生物的活性较高。

3　生物相组成

　　从O段反应器的中间取样口取出一定的混合液及带生物膜的填料，将其溶于无菌水中，充分振荡以使生物膜脱离填料，然后用基础培养基进行平板稀释分离，在37℃下培养24h，经反复分离纯化后对其进行细菌单体、菌落形态的观察及生理生化试验(鉴定到属)^［2］，最终分离出6种菌属：假单胞菌属(Pseudomonas)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、微球菌属(Micrococcus)、动胶菌属(Zoogleea Ltzigsohn)、气单胞菌属(Aeromonas)和黄杆菌属(Havobacterium)，其中的优势菌属为假单胞菌属、葡萄球菌 属和黄杆菌属。从悬浮生长的微生物中也分离出6种菌属：假单胞菌属、葡萄球菌属、巨大芽孢杆菌属(Bacillus Megaterium)、黄杆菌属和邻单胞菌属(Plesiomonas)，其中假单胞菌属和黄杆菌属为优势菌种。除上述通过培养基分离鉴定出的菌胶团细菌外，系统中 还存在大量的丝状菌和放线菌。
　　好氧反应器内还有种类丰富的原生动物和后生动物，悬浮生长的主要有前口虫、裸口虫、漠口虫、肾形虫、裂口虫、袋口虫、草履虫、长颈虫和漫游虫等游泳型原生动物及轮虫；附着生长的主要有带柄钟虫、固着足吸管虫、累枝虫、线虫、轮虫、螵体虫等。镜检时还发现游 泳型原生动物多聚集在生物膜及菌胶团周围捕食游离细菌。
　　采用同样方法测定缺氧反硝化A段生物膜中的异养型细菌，共检出5种菌属：假单胞菌属、埃希氏菌属(Echerichia)、微球菌属、不动细菌属(Acinetobacter)和巨大芽孢杆菌属。

4　微生物的构成

　　由于反应器内生态环境的不同，微生物的种类、数量和代谢活性等也不相同，从而在微生物间形成相互联系、相互制约的动态平衡关系，这种动态平衡的形成和维持将直接影响系统的运行效果^［3］。
　　投加载体的生物反应器中同时存在附着相和悬浮相，悬浮微生物的大多数菌属在生物膜中也同样存在，这种共性为微生物在两相之间的转化提供了物质基础。无论是附着相还是悬浮相，都要通过吸附作用将污水中的污染物及DO吸附到微生物表面后才能进行生物降解。生物膜外的DO在向内层转移的过程中不断被膜内的微生物消耗，使内层处于缺氧或厌氧状态。缺氧微环境的存在使兼性菌可以直接利用硝态氮进行呼吸代谢，实现同步反硝化，厌氧微环境的存在使生物膜中聚磷菌的厌氧放磷和好氧吸磷过程同时存在。
　　在好氧生物反应器的生物膜或悬浮污泥絮体外层中好氧硝化菌和氨化菌占优势，能迅速吸附和降解含氮化合物；内层则栖居着大量的厌氧反硝化菌和氨氧化细菌，它们利用外层优势菌产生的NO₃^-、NH+4等进行反硝化反应。另外，膜生物反应器内的有机负荷和其他微生物的竞争能力均较低，氨化菌、硝化菌、反硝化菌、厌氧氨化菌更容易成为优势菌，从而可取得稳定、高效的脱氮效果。
　　研究表明，硝化菌会优先附着生长在载体上^［4］。填料的介入为微生物提供了更有利的生存环境，所构成的新生态系统在纵横两个方向上互相关联。在纵向上微生物构成一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统，其中每个营养级的生物量都受到环境和其他营养级的制约，最终达到动态平衡；在横向上沿着水流到载体的方向构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统，从而大大提高了反应器的处理能力和稳定性。从系统论的观点看，系统的结构越复杂，其稳定性越强，适应环境变化的能力也越强。同时由于系统本身的结构特点，在特定的微环境中形成特定的优势菌属使复合系统具有脱氮除磷的功效^［5］。
　　对于悬浮生长的生物相，根据悬浮污泥絮体大小、反应器的负荷及DO水平的不同，也存在与附着生长生物相类似的结构^［6］。由于氧扩散的限制，在微生物絮体内会产生DO梯度。在悬浮污泥絮体的外表面DO浓度较高，以好氧菌和硝化菌为主；在污泥絮体内部则由于氧传递受阻和外部氧的大量消耗而产生缺氧区，反硝化菌占优势。反应器内的缺氧微环境是形成同步反硝化的主要原因。
　　在生物膜的多层结构中，好氧区微生物的合成作用与活性污泥类似，通过增殖可以使生物膜增厚，生物膜的加厚反过来又会影响DO和底物的扩散传质，使一部分好氧微生物在转为厌氧状态时死亡解体，溶出的细胞物质则作为内层其他厌氧菌的营养源。由于生物膜内有较 多营养级较高的原生动物和后生动物存在，它们对游离细菌和菌胶团的捕食使生物量的增殖得到了控制，这两方面的作用维持了附着生物量的动态平衡。在复合系统中虽然存在两相微生物，但附着相占优势地位，使系统内的生物量能够保持长期稳定。

5　结论　

　　在HSMBR系统中，填料的介入为微生物提供了更加有利的生存环境，附着和悬浮生长的微生物协作完成对污染物的降解过程，其中附着生长微生物占多数。两相之间的可转化性增强 了系统的调节机制，使复合系统具有更强的适应性和稳定性，系统的复杂生态结构使其具备了较强的抗冲击负荷能力。
　　HSMBR系统通过生长在生物膜中丰富的微生物种群的降解作用，可以有效去除有机物和氮。在反应器内沿着水流到载体的方向，构成一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。微生物之间形成了互相联系、互相制约的动态平衡体系。对污染物的去除由多种微生物协作完成。
　　在反应器内特定的微环境中会形成特定的优势菌种，从而增强了反应器的处理能力和适应性。由于厌氧和缺氧微环境的存在，系统内存在同步硝化和反硝化现象，聚磷菌的厌氧释磷和好氧摄磷过程也同时存在，因此HSMBR系统在去除有机物的同时兼具脱氮除磷功效。 

参考文献：

　　［1］张军，王宝贞，聂梅生.复合淹没式中空膜生物反应器处理生活污水的特性研究［J］.中国给水排水，1999，15(9)：13-16.
　　［2］任南琪.水污染控制微生物学［M］.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1993. 
　　［3］林刚，何强.废水处理中微生物间相互作用初探［J］.给水排水，1998，24(12)：10-12.
　　［4］王建龙.复合生物反应器处理废水特性的研究［J］.中国给水排水，1998，14(2)：29-32.
　　［5］Wang Baozhen,Yang Quanda,et al.A study on simultaneous organic and nitrogen removal by extended aeration submerged biofilm process［J］.Wat Sc i Tech,1991,24(5):197-213.
　　［6］高廷耀.生物脱氮工艺中的同步硝化反硝化现象［J］.给水排水，1998，24(12)：6-9.

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