疏明君，李友明，謝澄，陳中豪
（華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程中心，廣東 廣州 510641）

　　摘要：采用生物流化床處理造紙中段廢水。試驗(yàn)中觀測(cè)到，生物膜的生長(zhǎng)過(guò)程是由局部擴(kuò)散到整個(gè)載體表面，生物膜中起骨架作用的是累枝蟲(chóng)和絲狀物。中段廢水中含有有機(jī)氯化物對(duì)生物膜活性有一定抑制作用，但當(dāng)中段廢水的比例增加到80％時(shí)，生物膜的比耗氧速率（SOUR）仍在80mg[O]·L/(g[MLSS]·h)以上。實(shí)驗(yàn)還得出最佳生物膜厚度為45μm。
　　關(guān)鍵詞：生物膜；SOUR；最佳生物膜厚；水力停留時(shí)間
　　中圖分類號(hào)：X703.1；X793
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009-2455(2002)04-0032-04

Research on Characteristics of Biofilm of Biological Fluidized Bed
in Treating Middle Stage Wastewater from Paper Mill
SHU Mingjun，LI You-ming，XIE Cheng，CHEN Zhong-hao
（State Engineering Cellter of pulp Making and Pollution Control，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

　　Abstract：Biological fluidized bed was used to treat middle stage wastewater from paper mill．The experiments showed that biofilm grew from the part of the surface to the whole surface of the carrier．Epistylis and threadlike formed the framework．Organic chlorides in the wastewater inhibited the activity of the biofilm．But even middle stage water accounted for 80％ of the sample wastewater，the SOUR of biofilm exceeded 80 mg[O]·L/(g[MLSS]·h)．Experiments also showed the optimum thickness of the biofilm was 45μm．
　　Key words：biofilm；SOUR；optimum biofilm thickness；hydraulic retention time

前言

　　好氧生物流化床處理工藝具有單位反應(yīng)器體積所含微生物濃度高、抗底物負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)、處理效果好、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)。在流化床的運(yùn)行過(guò)程中，生物膜的生長(zhǎng)狀態(tài)是影響流化床處理效果的決定性因素。造紙中段廢水中所含的有機(jī)氯化物對(duì)生物膜的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，是生物流化床能否應(yīng)用于造紙中段廢水處理的關(guān)鍵。本文利用好氧生物流化床處理中段廢水，研究了影響生物膜生長(zhǎng)的因素。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 廢水水質(zhì)
　　中段廢水取自廣東省江門甘化廠制漿車間的洗、選、漂混合廢水，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 廢水水質(zhì) 項(xiàng)目 BOD5/(mg·L^-1) COD_cr/(mg·L^-1) pH TSS/(mg·L^-1) 色度／(C.U.) 顏色 平均含量 363 1030 6.5 4810 1487 黃褐色

1.2 接種污泥來(lái)源
　　活性污泥由廣州市獵德污水處理廠提供。污泥的MLSS為24.15g/L，MLVSS為20.085g/L。
1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
　　本實(shí)驗(yàn)的主要反應(yīng)器為內(nèi)循環(huán)三相流化床，有效體積為26L。反應(yīng)器上部分離區(qū)是一個(gè)三相分離器，使氣液回分離，同時(shí)阻止載體的流失。內(nèi)筒中部開(kāi)有4個(gè)孔，主要是為了在流化床內(nèi)造成多重環(huán)流來(lái)提高混合強(qiáng)度，增加氧氣的傳質(zhì)效率。曝氣方式為射流曝氣，目的在于提高氣液混合程度和氧傳遞效率，并節(jié)省動(dòng)力消耗。流化床內(nèi)生物膜載體為顆?；钚蕴浚ㄊ惺郏?，其物理參數(shù)見(jiàn)表2。活性炭表面官能團(tuán)的多樣性和粗糙度有利于微生物的附著和避免受流體剪切力的影響月時(shí)，活性炭的吸附作用使炭-液界面的基質(zhì)濃度大大提高，有利于微生物獲得底物和氧氣，可以提高有機(jī)物的去除能力，并增強(qiáng)在污染負(fù)荷過(guò)大時(shí)系統(tǒng)操作穩(wěn)定性。

表2 載體顆粒活性炭物理性質(zhì) 名稱 平均粒徑/μm 密度/(kg·m^-3) 強(qiáng)度/％ 產(chǎn)地 活性炭 500 1940 ＞90 廣州

1.4 分析方法
　?、貱OD_cr、BOD、TSS、色度均按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試；
　?、谏锬さ纳L(zhǎng)情況用NIKON TE300激光散射顯微鏡觀察。
1.5 實(shí)驗(yàn)方法
1.5.1 生物膜的培養(yǎng)
　　先向反應(yīng)器內(nèi)投加占有效體積6％的活性炭，并按5g[MLSS]/L投加接種污泥。掛膜最初兩天以葡萄糖、尿素、KH₂PO₄、K₂HPO₄為碳、氮、磷源，制成m(COD):m(N):m(P)=100:5:1的廢水，進(jìn)行間曝。2d后以20％的比例定期增加廢水濃度，同時(shí)減少葡萄糖的投加量以保持進(jìn)水COD_cr穩(wěn)定在1000mg/L左右。
1.5.2 比耗氧速率SOUR的測(cè)定^[1]
　　比耗氧速率是指單位重量的微生物在單位時(shí)間內(nèi)所利用的溶解氧量，它可以用來(lái)反映生物膜的活性。其計(jì)算式為：

　　SOUR=(dDO/dt)/x
　　式中：SOUR－比耗氧速率，mg[O]·L/(g[MLSS]·h)；
　　　　　dDO/dt－生物膜呼吸速率，mg[0]/h；
　　　　　x－反應(yīng)器內(nèi)的生物膜的重量，g[MLSS]/L。
　　通過(guò)得到的點(diǎn)連成的直線的斜率，可求出dDO/dt。
1.6 數(shù)據(jù)處理方法
1.6.1 生物膜厚度與生物量的計(jì)算方法
　　首先做以下幾點(diǎn)假設(shè)：
　?、佥d體與包有生物膜的載體均呈球形；
　?、谳d體流失量很小可以忽略不計(jì)。
　　生物膜厚與生物膜量的具體計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)^[2]。
1.6.2 底物的比去除率q_obs
　　底物的比去除率是指單位重量的生物膜對(duì)于底物去除率的貢獻(xiàn)。它可以反映生物膜的活性，進(jìn)而利用它來(lái)確定最佳生物膜厚。其計(jì)算方法為：
　　　　　　　q_obs=Q(S₀-S)/x
式中：Q－進(jìn)水流量，L/h；
　　　(S₀-S)－進(jìn)出水COD_cr差，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物膜生長(zhǎng)的顯微鏡圖描述
　　生物膜的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程，大致可分為三個(gè)階段。第一階段：生物膜生長(zhǎng)的初期，見(jiàn)圖1。初期階段首先附著在載體上的是單個(gè)的累枝蟲(chóng)和鐘蟲(chóng)，而菌膠團(tuán)附著量很少。這個(gè)時(shí)期由于菌膠團(tuán)與載體之間相合力較弱，附著上的菌膠團(tuán)容易再次被沖離載體表面。第二階段：生物膜的生長(zhǎng)期，見(jiàn)圖2。在這個(gè)階段，隨著生物膜的進(jìn)一步形成，累枝蟲(chóng)呈團(tuán)狀生長(zhǎng)。在載體的四面由于受到水力沖刷程度較小，附著有少量的菌膠團(tuán)。同時(shí)，還可以看見(jiàn)載體表面有絲狀物伸向液相中。這些絲狀物可能是絲狀菌和一些菌膠團(tuán)所釋放的胞外多糖物質(zhì)。絲狀物與固定著的累枝蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)相互交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀的立體結(jié)構(gòu)，捕獲著水體中游離的菌膠團(tuán)和微生物，增加了菌膠團(tuán)與微生物在載體表面的停留時(shí)間，讓微生物分泌的胞外多糖物質(zhì)有充分的時(shí)間與載體表面官能團(tuán)反應(yīng)，有利于菌膠團(tuán)的附著。第三階段：生物膜的成熟，圖3是生物膜生長(zhǎng)成熟后局部生物膜的照片。從照片中可以看出，生物膜的輪廓較為平滑，整個(gè)生物膜的透明度不一致，這表明生物膜內(nèi)菌膠團(tuán)的分布并不均勻。另外，在生物膜生長(zhǎng)的成熟期中還可觀察到有較高等的微型生物，如輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)等存在，這些原生動(dòng)物以生物膜上的微型動(dòng)物或細(xì)菌為食，具有松散生物膜，抑制生物膜的過(guò)度增厚，促使生物膜脫落等功能，可使生物膜不斷更新，經(jīng)常保持良好的活性和凈化功能。

2.2 廢水的比例對(duì)生物膜活性的影響
　　中段廢水含有一定量的有機(jī)氯化物。這些有機(jī)氯化物對(duì)微生物活性都有一定的抑制作用。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)定期增加進(jìn)水中中段廢水所含的比例來(lái)測(cè)定廢水對(duì)生物膜活性的影響。廢水比例對(duì)生物膜活性的影響見(jiàn)圖4。

　　從圖4可以看出，隨著廢水比例的增加，生物膜的活性呈下降趨勢(shì)。這說(shuō)明中段廢水中有機(jī)氯化物對(duì)好氧微生物是有抑制作用的。但是，當(dāng)進(jìn)水中中段廢水的濃度增加到80％時(shí)，生物膜的SOUR仍可保持在80mg[O]·L/(g[MLSS]·h)。分析其原因，可能為以下兩點(diǎn)：一是中段廢水中漂白廢水所占的比例只有30％左右，故有機(jī)氯化物的含量并不是很大，其毒性對(duì)微生物的抑制性不太大；二是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的馴化，生物膜對(duì)中段廢水的適應(yīng)性增強(qiáng)。
2.3 最佳生物膜厚的確定
　　生物膜厚度與生物去除率的關(guān)系見(jiàn)圖5。

　　從圖5中得出，在生物膜厚度為45μm左右時(shí)，底物的比去除率最大。所以，在本實(shí)驗(yàn)的條件下，最佳生物膜厚度為45μm。但是在具體操作中不能只考慮到生物膜增厚、生物量增加的情況，更要把最佳生物膜厚的概念引入反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中去。另外，生物膜如果過(guò)厚，一則會(huì)造成內(nèi)部厭氧層的增厚，使生物膜容易脫落；二則，生物膜過(guò)厚會(huì)使固相的密度降低，容易被沖出反應(yīng)器外，引起載體流失。
2.4 水力停留時(shí)間對(duì)生物膜性質(zhì)的影響
　　水力停留時(shí)間對(duì)生物膜的生長(zhǎng)起到了一定的影響作用。在流化床反應(yīng)器內(nèi)存在著固著生物膜與懸浮微生物相競(jìng)爭(zhēng)的生長(zhǎng)情況。懸浮微生物生長(zhǎng)過(guò)多，會(huì)造成固著生物膜所能得到的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，抑制了生物膜的生長(zhǎng)。通常，固著生物膜的比生長(zhǎng)速率μ_f要比懸浮微生物的比生長(zhǎng)速率μ_s小，所以，水力停留時(shí)間要控制在1/μ_s與1/μ_f之間，使懸浮生長(zhǎng)的微生物能被沖出反應(yīng)器外，而保證生物膜能生長(zhǎng)正常。圖6、圖7表明了水力停留時(shí)間對(duì)生物膜量、懸浮生物量的影響?？梢钥闯觯?dāng)水力停留時(shí)間大于5h時(shí)，水力停留時(shí)間延長(zhǎng)，固定生物膜量減小，反應(yīng)器內(nèi)懸浮生長(zhǎng)的微生物則相應(yīng)增加，這說(shuō)明了懸浮微生物生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更大些。但是當(dāng)HRT從5h縮短到3.2h時(shí)，單位載體上生物膜量從0.8g/g下降到0.7g/g，而反應(yīng)器內(nèi)懸浮微生物從1.2g/L增加到1.7g/L。這是因?yàn)?，本反?yīng)屬于底物抑制型，水力停留時(shí)間過(guò)短會(huì)造成單位體積生物膜所承受的底物負(fù)荷過(guò)高，會(huì)抑制生物膜的生長(zhǎng)，并容易導(dǎo)致生物膜脫落，造成懸浮生物量增加。實(shí)際處理過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)廢水性質(zhì)及出水COD_cr要求來(lái)控制水力停留時(shí)間。

3 結(jié)論

　?、僭诒緦?shí)驗(yàn)中，生物膜的生長(zhǎng)是先局部生長(zhǎng)，再覆蓋整個(gè)載體表面。在生物膜中起骨架作用的是累枝蟲(chóng)和絲狀物；
　?、谥卸螐U水中的氯化有機(jī)物可降低微生物的活性，但是，用流化床進(jìn)行處理，當(dāng)中段廢水增加到80％時(shí)，生物膜的SOUR仍在80mg[O]·L/(g[MLSS]·h)以上，活性較好；
　?、郾緦?shí)驗(yàn)得出最佳生物膜厚為45μm左右；
　?、芩νＡ魰r(shí)間越大，則會(huì)造成水中懸浮生長(zhǎng)的微生物越多，而生物膜量則相對(duì)減小。

參考文獻(xiàn)：
[1]劉雨，等．生物膜法污水處理技術(shù)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000．
[2]周平，等．空氣提升內(nèi)循環(huán)生物流化床反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)研究[J]．環(huán)境科學(xué)，1996，17(6)：9～12．

作者簡(jiǎn)介：
疏明君（1975～），女，湖南衡陽(yáng)人，華南理工大學(xué)99級(jí)研究生，主要研究工業(yè)廢水的治理，電話 13640319698。