張軍1，聶梅生2，王寶貞3?
(1.南京工業(yè)大學城建系，江蘇南京210009；2.建設(shè)部科學技術(shù)委員會，北京100835；
3.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：投加載體的膜生物反應器中同時存在附著生長和懸浮生長的微生物，對HSMBR系統(tǒng)的生物相進行分析，發(fā)現(xiàn)懸浮生長微生物中的大多數(shù)菌屬在生物膜中也同樣存在，這為微生物在附著相和懸浮相之間的轉(zhuǎn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，對反應器內(nèi)微生物之間的相互關(guān)系進行了分析，對微生物的構(gòu)成進行了探討。
　　關(guān)鍵詞：復合膜生物反應器；生物相；泡沫填料?
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)02-0053-03

1　HSMBR系統(tǒng)

　　帶有泡沫填料的復合淹沒式膜生物反應器(HSMBR)系統(tǒng)將多種污水處理工藝整合在極其簡單的裝置中，使系統(tǒng)兼具生物膜法、活性污泥法和膜分離的特點^［1］。HSMBR系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。原水經(jīng)前置反硝化A段進入好氧生物反應器，在出水泵的抽吸作用下得到膜過濾出水。?

　　好氧生物反應器采用的泡沫填料是具有海綿蜂窩狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，孔隙率為90%，掛膜后其密度略大于水。填料的孔徑為0.5～1.5mm，有利于0.01mm的 細菌和0.1mm的原生動物進出。將填料串聯(lián)，上端固定在反應器內(nèi)的支架上，另一端懸浮于水中，使其在反應器內(nèi)能有束縛地漂動。填料的介入為微生物提供了更加有利的生存環(huán)境，附著相和懸浮相微生物協(xié)作完成了對污染物的降解過程。?
　　HSMBR系統(tǒng)對污染物的去除主要由生物反應器來完成，但過濾膜能使大分子難降解物質(zhì)在體積有限的反應器中獲得足夠的停留時間而被去除。同時，過濾膜還能將幾乎所有的生物量截留在反應器內(nèi)，使反應器內(nèi)的總生物量維持在較高的水平，從而以緊湊的系統(tǒng)布置獲得較高的去除率。

2 生物量的測定

　　反應器內(nèi)生物量的測定結(jié)果見表1。 表1　　生物量測定結(jié)果 指標 懸浮相生物量(mg/L) 附著相生物量(mg/g填料) 上部填料 中部填料 下部填料 外 內(nèi) 外 內(nèi) 外 內(nèi) O段反應器 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段反應器 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

　　從表1可以看出，A段反應器中以懸浮生長的微生物為主(占總生物量的99%以上)，由于陶粒填料填充率大(54%)，也可認為這些微生物是松散地附著在陶粒表面的。VSS/SS沿水流方向有減小的趨勢，說明生物活性有所下降。
　　在O段反應器中懸浮相與附著相共存，并以附著生長的微生物為主(約占總生物量的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對較少(5.763g污泥/g填料)，下部填料上的生物量為7.571g污泥/g填料，這是由反應器內(nèi)的底物濃度和曝氣強度等條件所決定的。填料內(nèi)部的厭氧污泥所占比例從上至下分別為25%、21%和24%。填料上VSS/SS值從上至下并無變化(均為0.8)，如圖2所示。?

　　填料表層生物膜的VSS/SS值比填料內(nèi)部的高，這種差異在中、下部填料較為明顯，而上部填料內(nèi)、外的VSS/SS值較為接近(如圖3所示)。?

　　圖3說明在生物反應器內(nèi)，DO充足的區(qū)域好氧附著微生物的活性較高，而在DO濃度相對較低的區(qū)域則厭氧附著微生物的活性較高。

3　生物相組成

　　從O段反應器的中間取樣口取出一定的混合液及帶生物膜的填料，將其溶于無菌水中，充分振蕩以使生物膜脫離填料，然后用基礎(chǔ)培養(yǎng)基進行平板稀釋分離，在37℃下培養(yǎng)24h，經(jīng)反復分離純化后對其進行細菌單體、菌落形態(tài)的觀察及生理生化試驗(鑒定到屬)^［2］，最終分離出6種菌屬：假單胞菌屬(Pseudomonas)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、微球菌屬(Micrococcus)、動膠菌屬(Zoogleea Ltzigsohn)、氣單胞菌屬(Aeromonas)和黃桿菌屬(Havobacterium)，其中的優(yōu)勢菌屬為假單胞菌屬、葡萄球菌 屬和黃桿菌屬。從懸浮生長的微生物中也分離出6種菌屬：假單胞菌屬、葡萄球菌屬、巨大芽孢桿菌屬(Bacillus Megaterium)、黃桿菌屬和鄰單胞菌屬(Plesiomonas)，其中假單胞菌屬和黃桿菌屬為優(yōu)勢菌種。除上述通過培養(yǎng)基分離鑒定出的菌膠團細菌外，系統(tǒng)中 還存在大量的絲狀菌和放線菌。?
　　好氧反應器內(nèi)還有種類豐富的原生動物和后生動物，懸浮生長的主要有前口蟲、裸口蟲、漠口蟲、腎形蟲、裂口蟲、袋口蟲、草履蟲、長頸蟲和漫游蟲等游泳型原生動物及輪蟲；附著生長的主要有帶柄鐘蟲、固著足吸管蟲、累枝蟲、線蟲、輪蟲、螵體蟲等。鏡檢時還發(fā)現(xiàn)游 泳型原生動物多聚集在生物膜及菌膠團周圍捕食游離細菌。?
　　采用同樣方法測定缺氧反硝化A段生物膜中的異養(yǎng)型細菌，共檢出5種菌屬：假單胞菌屬、埃希氏菌屬(Echerichia)、微球菌屬、不動細菌屬(Acinetobacter)和巨大芽孢桿菌屬。?

4　微生物的構(gòu)成

　　由于反應器內(nèi)生態(tài)環(huán)境的不同，微生物的種類、數(shù)量和代謝活性等也不相同，從而在微生物間形成相互聯(lián)系、相互制約的動態(tài)平衡關(guān)系，這種動態(tài)平衡的形成和維持將直接影響系統(tǒng)的運行效果^［3］。?
　　投加載體的生物反應器中同時存在附著相和懸浮相，懸浮微生物的大多數(shù)菌屬在生物膜中也同樣存在，這種共性為微生物在兩相之間的轉(zhuǎn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。無論是附著相還是懸浮相，都要通過吸附作用將污水中的污染物及DO吸附到微生物表面后才能進行生物降解。生物膜外的DO在向內(nèi)層轉(zhuǎn)移的過程中不斷被膜內(nèi)的微生物消耗，使內(nèi)層處于缺氧或厭氧狀態(tài)。缺氧微環(huán)境的存在使兼性菌可以直接利用硝態(tài)氮進行呼吸代謝，實現(xiàn)同步反硝化，厭氧微環(huán)境的存在使生物膜中聚磷菌的厭氧放磷和好氧吸磷過程同時存在。?
　　在好氧生物反應器的生物膜或懸浮污泥絮體外層中好氧硝化菌和氨化菌占優(yōu)勢，能迅速吸附和降解含氮化合物；內(nèi)層則棲居著大量的厭氧反硝化菌和氨氧化細菌，它們利用外層優(yōu)勢菌產(chǎn)生的NO₃^-、NH+4等進行反硝化反應。另外，膜生物反應器內(nèi)的有機負荷和其他微生物的競爭能力均較低，氨化菌、硝化菌、反硝化菌、厭氧氨化菌更容易成為優(yōu)勢菌，從而可取得穩(wěn)定、高效的脫氮效果。?
　　研究表明，硝化菌會優(yōu)先附著生長在載體上^［4］。填料的介入為微生物提供了更有利的生存環(huán)境，所構(gòu)成的新生態(tài)系統(tǒng)在縱橫兩個方向上互相關(guān)聯(lián)。在縱向上微生物構(gòu)成一個由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物等多個營養(yǎng)級組成的復雜生態(tài)系統(tǒng)，其中每個營養(yǎng)級的生物量都受到環(huán)境和其他營養(yǎng)級的制約，最終達到動態(tài)平衡；在橫向上沿著水流到載體的方向構(gòu)成了一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動能力、呼吸類型、營養(yǎng)類型的微生物系統(tǒng)，從而大大提高了反應器的處理能力和穩(wěn)定性。從系統(tǒng)論的觀點看，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復雜，其穩(wěn)定性越強，適應環(huán)境變化的能力也越強。同時由于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點，在特定的微環(huán)境中形成特定的優(yōu)勢菌屬使復合系統(tǒng)具有脫氮除磷的功效^［5］。?
　　對于懸浮生長的生物相，根據(jù)懸浮污泥絮體大小、反應器的負荷及DO水平的不同，也存在與附著生長生物相類似的結(jié)構(gòu)^［6］。由于氧擴散的限制，在微生物絮體內(nèi)會產(chǎn)生DO梯度。在懸浮污泥絮體的外表面DO濃度較高，以好氧菌和硝化菌為主；在污泥絮體內(nèi)部則由于氧傳遞受阻和外部氧的大量消耗而產(chǎn)生缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢。反應器內(nèi)的缺氧微環(huán)境是形成同步反硝化的主要原因。
　　在生物膜的多層結(jié)構(gòu)中，好氧區(qū)微生物的合成作用與活性污泥類似，通過增殖可以使生物膜增厚，生物膜的加厚反過來又會影響DO和底物的擴散傳質(zhì)，使一部分好氧微生物在轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)時死亡解體，溶出的細胞物質(zhì)則作為內(nèi)層其他厭氧菌的營養(yǎng)源。由于生物膜內(nèi)有較 多營養(yǎng)級較高的原生動物和后生動物存在，它們對游離細菌和菌膠團的捕食使生物量的增殖得到了控制，這兩方面的作用維持了附著生物量的動態(tài)平衡。在復合系統(tǒng)中雖然存在兩相微生物，但附著相占優(yōu)勢地位，使系統(tǒng)內(nèi)的生物量能夠保持長期穩(wěn)定。

5　結(jié)論　

　　在HSMBR系統(tǒng)中，填料的介入為微生物提供了更加有利的生存環(huán)境，附著和懸浮生長的微生物協(xié)作完成對污染物的降解過程，其中附著生長微生物占多數(shù)。兩相之間的可轉(zhuǎn)化性增強 了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機制，使復合系統(tǒng)具有更強的適應性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的復雜生態(tài)結(jié)構(gòu)使其具備了較強的抗沖擊負荷能力。
　　HSMBR系統(tǒng)通過生長在生物膜中豐富的微生物種群的降解作用，可以有效去除有機物和氮。在反應器內(nèi)沿著水流到載體的方向，構(gòu)成一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動能力、呼吸類型、營養(yǎng)類型的微生物系統(tǒng)。微生物之間形成了互相聯(lián)系、互相制約的動態(tài)平衡體系。對污染物的去除由多種微生物協(xié)作完成。?
　　在反應器內(nèi)特定的微環(huán)境中會形成特定的優(yōu)勢菌種，從而增強了反應器的處理能力和適應性。由于厭氧和缺氧微環(huán)境的存在，系統(tǒng)內(nèi)存在同步硝化和反硝化現(xiàn)象，聚磷菌的厭氧釋磷和好氧攝磷過程也同時存在，因此HSMBR系統(tǒng)在去除有機物的同時兼具脫氮除磷功效。?

參考文獻：

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　　收稿日期：2001-07-20