硅藻土改性載體加速移動床生物膜反應器啟動研究

李 倩，全 燮，劉 濤，于洪濤，白 楊

（大連理工大學 環境學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

生物膜法與活性污泥法相比，具有抗沖擊負荷能力較強、生物固體停留時間更長、剩余污泥較少等優點.生物膜載體是生物膜法的關鍵材料，其結構形狀、密度、表面粗糙度、親水親電性等性能直接關系到載體掛膜的難易、反應器中生物量的多少及污水處理效率的高低.但是，傳統載體多采用聚乙烯（polyethylene，簡稱PE）、聚丙烯（polypropylene，簡稱PP），載體材質生物親和性較差，造成生物膜載體掛膜速度慢、附著生物膜活性低以及水處理效果差等，導致生物膜工藝啟動較緩慢.

因此，越來越多的研究關注對生物膜載體的優化.一類方法是通過制造復雜的空間結構來提高聚烯烴載體的比表面積，例如環狀、球狀、空心圓柱狀和籠式懸浮載體等，并且將載體外表面設計成凹凸面、帶小刺的面、波紋狀或帶豎條的面，一定程度上提高了載體的微生物持有量［1－2］，但是載體材質親水性和生物親和性有待提高.另一類方法是開發聚氨酯（polyurethane，簡稱PU）泡沫塑料載體［3－4］，聚氨酯親水性優于聚烯烴，同時載體的多孔結構為微生物提供了保護場所，減小了掛膜初期水力剪切和載體間的摩擦對微生物生長的影響，從而加速了微生物附著，但是運行中容易產生堵塞、結團、布氣布水不均勻等問題.

因此，在保障載體空間結構合理、比表面積大、力學性能良好的基礎上，開發一種材質親水性和生物親和性良好、易于流化的生物膜載體具有重要意義.有研究表明，引入極性基團如羥基、羰基到載體表面，是提高載體的親水性、促進微生物在載體表面黏附的有效方法之一［5－6］，從而提高載體的掛膜、傳質和水處理性能［7］.硅藻土具有可持久性、質輕、多孔且表面積大等多個優點［8］.同時，硅藻土表面存在游離的、與氫鍵連接的羥基，這類基團具有親水性［9］，添加硅藻土作為改性劑可以降低載體的表面接觸角，提高其親水性.

基于硅藻土持久性強、孔隙率高而且含有親水基團，本文采用硅藻土對PE 載體進行親水改性，并應用硅藻土改性載體進行移動床生物膜反應器（moving bed biofilm reactor，簡稱MBBR）掛膜啟動試驗.考察硅藻土改性載體在MBBR 工藝啟動階段的掛膜性能和水處理性能，并與傳統PE載體進行對比.通過對比分析，闡明硅藻土改性載體親水性改善對加速成熟生物膜形成和提高污水處理效果的原因.

1 試驗方法

1.1 硅藻土改性載體的制備

本次試驗中使用的硅藻土改性載體和PE 載體均委托某廠商集中生產.硅藻土改性載體和PE載體均為扁圓柱體外形，直徑25mm，高10mm，內有2圈六邊形支撐架，比表面積為620m2／m3.

1.2 接觸角的測量

兩種載體的表面接觸角由接觸角測量儀（靜態接觸角測量儀，SL200B，上海梭倫信息科技有限公司）測量得出，并借助接觸角的數據來表征載體的親水性.

1.3 試驗裝置與方法

兩組MBBR 試驗裝置在相同條件下平行運行.試驗組為反應器R1，填充硅藻土改性載體；對照組為反應器R2，填充PE 載體.每組試驗裝置包括好氧反應器（有機玻璃材質的圓柱狀裝置，有效體積2.3L，直徑10cm，高30cm）和沉淀池，見圖1.好氧反應器采用連續流，底部進水，上部出水，維持水力停留時間HRT 為6h.試驗采用人工配制的模擬廢水，進水水質為（203.9±13.0）mg／L COD，（40.6±1.9）mg／L NH＋4－N，并添加微量元素營養液［10－11］，投 加NaHCO3調節系統pH 在7.5～8.0.溫度維持在25 ℃左右.載體填充率設為30%.活性污泥取自大連市某污水處理廠.

1.4 分析方法

化學需氧量（COD）采用微波消解－重鉻酸鉀法測量；氨氮（NH＋4－N）采用納氏試劑分光光度法測量；pH 采用Sartorius PB－20型pH 計測量；溶解氧和溫度采用HACH 便攜式溶解氧測定儀測量；附著生物膜量和懸浮污泥濃度采用干重法測量，兩者之和為總生物量；使用1 mol／L NaOH溶液溶解載體表面的附著生物膜，90 ℃條件下加熱5min 以促進細胞裂解［12］，蛋白質含量采用Bradford 法［13］測量，多糖含量采用硫酸－蒽酮法［14］測量；成熟期生物膜［15］采用掃描電子顯微鏡（S4800，Hitachi，日 本）觀察；熒光原位雜交（fluorescent in situ hybridization，FISH）探針為Eub338 （真細菌，5′－GCTGCCTCCCGTAGGAGT－3′）［16］、Nso190（氨氧化菌，5′－CGATCCCCTGCTTTTCTCC－3′）［17］和Nit3（亞硝酸鹽氧化菌－硝化菌屬，5′－CCTGTGCTCCATGCTCCG－3′）［18－19］，雜交后在共聚焦熒光顯微鏡（CLSM，Leica－TCS－SP2，Leica，德國）下觀察并成像［20］.

圖1 MBBR 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of MBBR used in the experiment

2 試驗結果及分析

2.1 載體

PE載體和硅藻土改性載體的規格參見表1.由表1可知，傳統PE 載體表面接觸角為94.3°，硅藻土改性載體表面接觸角為77.8°，表明硅藻土改性載體親水性得到了一定程度的改善.

表1 兩種載體規格Tab.1 Characteristics of the two carriers

2.2 生物膜生長狀況

2.2.1 生物膜活性 蛋白質是生物酶的重要組成部分，而多糖是構成細胞壁和胞外聚合物的主要成分，兩者在微生物生長代謝和附著過程中發揮著重要作用［21－22］.例如，Chapman等發現純菌培養條件下蛋白質合成和勢能負荷（ATP 占ADP的比率）的變化有聯系［23］；Lazarova等發現無論是異氧菌還是自養硝化菌培養過程中，蛋白質的含量影響生物膜的活性［24－25］；Tojo等發現表皮葡萄球菌向光滑表面黏附時，一種半乳糖豐富的莢膜多糖在初期黏附過程中起作用［26］；Sutherland發現多糖自身或聯合其他生物大分子能夠產生凝膠用于生物黏附［27］.因此可以借助生物膜內蛋白質和多糖的含量來考察生物膜活性［12］.在本試驗中，每4d檢測一次蛋白質和多糖含量的變化，結果如圖2所示.兩種載體表面附著生物膜內的蛋白質和多糖的含量均隨時間增長，但是增長速率不同.在試驗前期（前36d）硅藻土改性載體表面附著生物膜內的蛋白質和多糖含量增長速度明顯快于PE載體，在試驗后期（第36d之后）硅藻土改性載體表面附著生物膜內的蛋白質和多糖含量的飽和水平高于PE 載體.試驗第60d的結果顯示，PE載體表面附著生物膜內蛋白質和多糖含量分別是47.0mg／L 和40.7mg／L.而硅藻土改性載體表面附著生物膜內蛋白質和多糖的含量是55.5 mg／L 和60.9 mg／L，分別是PE載體的1.18倍和1.50 倍.這些結果表明無論是蛋白質和多糖的含量還是增長速率，硅藻土改性載體都優于PE載體.蛋白質和多糖的含量越高，表明越多的微生物棲息在硅藻土改性載體表面，并且生物膜的生物活性和細胞活性越高.

圖2 PE 載體和硅藻土改性載體表面附著生物膜內蛋白質和多糖含量Fig.2 Concentrations of protein and polysaccharide in the attached biofilm on the PE carrier and the diatomite－modified carrier

2.2.2 生物膜量 生物膜生長穩定后，生物膜載體上微生物的生長狀況如圖3所示.附著在PE載體表面的生物膜呈絨毛狀、稀疏，而附著在硅藻土改性載體表面的生物膜較為緊湊和濃密.由圖3可看出，相同試驗條件下，同一時間點，硅藻土改性載體表面有更多的微生物附著.分析原因，硅藻土改性載體表面微生物生長狀況更加良好是源于載體材質表面接觸角的改善，因為更小的表面接觸角能夠使載體更方便地接觸到液膜中的營養物質和微生物，能夠強化載體和微生物之間的連接作用.

圖3 附著有成熟生物膜的載體照片Fig.3 Photos of carriers attached with mature biofilm

圖4 總生物量、揮發性生物量、生物膜量和揮發性生物膜量Fig.4 Total and volatile dry weights of biomass and biofilm

為了考察載體表面微生物的聚集情況，生物膜生長成熟后，測量了反應器R1、R2內的總生物量、揮發性生物量以及兩種載體表面附著生物膜量和揮發性生物膜量（如圖4所示）.結果顯示，填充有硅藻土改性載體的反應器R1內總生物量為（2.40±0.34）g／L，填充有PE 載體的反應器R2內總生物量為（1.77±0.03）g／L，R1比R2的高35.6%，表明反應器R1 內微生物量更高.同時，R1內揮發性生物量占比86.2%，R2內揮發性生物量占比76.3%.揮發性生物量的比例R1比R2高約10%，表明反應器R1內的活性微生物的比例更高.再者，硅藻土改性載體表面附著的生物膜量為（1.98±0.27）g／L，PE載體表面附著的生物膜量為（1.22±0.17）g／L，前者比后者高62.3%，表明硅藻土改性載體在聚集微生物方面有更良好的性能.反應器R1 內附著生物膜量占總生物量的82.5%，反應器R2內附著生物膜量占總生物量的68.9%，R1比R2高13.6%，表明反應器R1內微生物以附著生物膜形態生長的比例更高.這些結果都與前面生物膜載體的照片（圖3）相一致.分析原因是，生物膜載體材料含有的元素和官能團對微生物的附著有著重要的影響，硅藻土的加入使改性載體含有羥基等親水性官能團，增加了載體材料的表面能，對細胞的黏附、生長有一定的積極作用［28－29］.所以，硅藻土改性載體表面微生物附著更快、數量更多，掛膜啟動所需時間也就相對縮短了.

2.2.3 生物膜微生物群落結構 基于以上的結果，可以看出硅藻土改性載體顯然比PE 載體有更好的生物親和性.所以，采用掃描電子顯微鏡考察兩種載體表面附著生物膜的分布和形態方面的差異.如圖5（a）所示，PE 載體表面附著的生物膜是很薄的一層，并且只分布在載體表面部分區域.相反，生物膜均勻地覆蓋在硅藻土改性載體表面，鋪滿了整個區域.如圖5（b）所示，硅藻土改性載體表面可以觀察到較致密的生物膜，呈三維立體結構，皺褶起伏多.而PE載體表面觀察到大量的絲狀菌聚集.高倍數下掃描電子顯微鏡結果如圖5（c）所示，可以看出PE 載體表面附著的生物膜內微生物并沒有形成菌膠團，而是零散分布.而硅藻土改性載體表面附著的生物膜內可以清晰地看到桿菌呈團簇狀聚集，數量較大.以上結果表明，硅藻土改性載體接觸角的改善，對其生物親和性產生了積極的影響，使其更有利于微生物附著.

圖5 附著生物膜掃描電子顯微鏡圖Fig.5 SEM micrographs of the attached biofilm

由于氨氧化細菌 （ammonia－oxidizing bacteria，簡稱AOB）和亞硝酸鹽氧化細菌（nitrite－oxidizing bacteria，簡稱NOB）是氨氮去除過程中發揮重要作用的菌群，采用熒光原位雜交（FISH）表征掛膜啟動過程中兩種載體表面附著生物膜內AOB和NOB的相對豐度.圖6（a）中紅色為總細菌（探針為Eub338）；綠色為氨氧化細菌（探針為Nso190）.圖6（b）中紅色為總細菌（探針為Eub338）；綠色為亞硝酸鹽氧化細菌（探針為Nit3）.FISH 結果顯示，硅藻土改性載體表面附著生物膜內微生物總量較多，這與上述掃描電子顯微鏡結果一致.并且，掛膜啟動過程中，PE載體表面只附著有少量AOB和NOB，而較多的AOB和NOB生長在硅藻土改性載體表面生物膜內.硅藻土改性載體生物膜內AOB 和NOB 的相對高的豐度，源自其接觸角的改善.顯然，硅藻土的加入有助于提高生物膜內的硝化菌群的數量.

圖6 硝化細菌表征Fig.6 Nitrifying bacteria detection

2.3 COD、氨氮去除效果

接觸角的改善使硅藻土改性載體具有更好的親水性和生物親和性，填充有硅藻土改性載體的反應器R1的水處理效果更好.掛膜啟動階段兩組MBBR 裝置的進出水COD 濃度變化如圖7（a）所示.進水COD 濃度維持在200 mg／L 左右，雖然反應器R1、R2出水COD 濃度均持續下降，但同一時間點R1出水COD 濃度一直低于R2.填充有硅藻土改性載體的反應器R1 的COD 去除率更高，前30d差異尤其明顯.隨著運行時間的延長，第22dR1出水COD 濃度（42.56mg／L）低于50mg／L，早于R2 達到國家一級A 標準（50 mg／L，圖中虛線所示）.同時，在穩定運行階段，R2的出水COD 濃度大約在25mg／L，R1的出水COD 濃度均低于20 mg／L，這說明在連續流HRT 為6h的條件下，反應器R1的COD 去除率超過90%.

圖7 填充不同載體兩組MBBR 裝置內進出水COD 濃度和DO 曲線Fig.7 COD concentration of the influent and effluent and DO profile in the two MBBRs with different carriers

圖7（b）所示的溶解氧（dissolved oxygen，簡稱DO）濃度隨時間變化的曲線也呈現和COD 去除率類似的趨勢.啟動過程中，R1的DO 數值始終低于R2.并且，啟動初期R1、R2 DO 濃度為8mg／L，之后反應器R1的DO 濃度逐步降低至3mg／L左右并維持穩定，在好氧生物反應的DO濃度范圍之內.掛膜啟動過程中，在相同的曝氣條件下，反應器R1的DO 濃度持續低于反應器R2的DO 濃度，這說明異養菌在硅藻土改性載體的表面附著更容易、生長更迅速、生物量更大.這與上述的微生物表征結果相一致.

兩組MBBR 裝置的氨氮去除效果隨時間的變化情況如圖8所示.反應器R1、R2出水氨氮濃度均隨時間降低，但填充有硅藻土改性載體的反應器R1出水氨氮濃度下降更快.R1出水氨氮濃度在第24d 第一次達到國家一級A 標準（5 mg／L，如圖1中虛線所示），比R2早8d.

這說明，硅藻土改性載體的填充使反應器R1內富集了更多的硝化細菌，獲得了更好的氨氮去除效果.分析原因是，由于接觸角的改善，硅藻土改性載體首先促使世代時間短、適應性強的異養菌在其表面附著生長.然后異養菌形成的生物膜及其分泌的胞外聚合物為硝化細菌提供了保護場所，削弱了掛膜啟動初期水力剪切和載體間摩擦對硝化細菌的脫附影響［12，30］.從COD 和氨氮去除率的角度看，硅藻土改性載體縮短了MBBR 工藝掛膜啟動所需時間，對于MBBR 工藝在實際廢水處理中的應用有巨大幫助.

圖8 填充不同載體兩組MBBR 裝置內進出水氨氮濃度變化Fig.8 Changes in NH＋4－N concentration of the influent and effluent in the two MBBRs with different carriers

3 結 語

添加硅藻土改善了載體的親水性和生物親和性，使硅藻土改性載體表面接觸角更小、微生物黏附能力更良好.掛膜啟動全過程中，無論是附著生物膜內蛋白質和多糖的含量還是增長速率，硅藻土改性載體都優于PE 載體，表明硅藻土改性載體附著生物膜活性更高.生物膜成熟后，反應器R1內總生物量比R2高35.6%，硅藻土改性載體附著生物膜量比PE 載體高62.3%.并且，通過FISH 表征發現，硅藻土改性載體附著生物膜內AOB和NOB 兩類細菌的數量多于PE 載體的.反應器R1出水水質比反應器R2出水水質更好，R1出水COD、氨氮濃度都在較短的時間內達到了國家一級A 標準.綜上所述，硅藻土改性載體良好的掛膜性能和水處理效果，加速了MBBR 工藝掛膜啟動.

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