生物載體內孔徑對生物膜微型動物多樣性與穩定性影響

胡小兵,王振振,林 睿,沈翼軍,2,鐘梅英,李晶晶,陳紅偉,周佳穎

生物載體內孔徑對生物膜微型動物多樣性與穩定性影響

胡小兵1,2*,王振振1,林 睿1,沈翼軍1,2,鐘梅英1,李晶晶1,陳紅偉1,周佳穎1

(1.安徽工業大學建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243002；2.生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心,安徽 馬鞍山 243032)

為了給廢水處理生產中最佳孔徑的生物載體選型提供依據,本研究系統考察聚氨酯海綿生物載體5種孔徑(0.6～4mm)大小對生物膜微型動物群落多樣性以及穩定性的影響.結果表明:鞭毛蟲、肉足蟲等是運行前期與中期的優勢種屬,游泳型與固著型纖毛蟲、輪蟲是后期的優勢種屬.不同孔徑載體在不同時期,微型動物多樣性、穩定性等參數變化具有明顯差異.小孔徑(0.6mm)載體微型動物僅在運行中期內表現出較高多樣性,中小孔徑(1mm)載體多樣性總體偏低,中大孔徑(3mm)和大孔徑(4mm)載體微型動物多樣性波動劇烈.小孔徑、中小孔徑載體內微型動物穩定性好,中大孔徑載體穩定性波動大,而大孔徑載體最不穩定.中等孔徑(2mm)載體內微型動物群落物種豐富度、均勻度高,多樣性高且穩定(后期=2.12、=1.19、=0.16),其微型動物群落最為穩定(后期W=0.13),且表現出較好的廢水處理效果,中等孔徑是理想的生物載體內部孔徑大小.在生物膜系統中,微型動物多樣性穩定指數W可作為廢水中CODcr去除效果的指標參數.

內孔徑；微型動物；群落；多樣性；穩定性

生物膜法是廢水生物處理兩大工藝技術之一,微生物(細菌、真菌、藻類、微型動物等)附著在生物載體(填料)上形成生物膜對廢水進行處理[1-2].生物載體的結構及性能決定了廢水處理效率[3].載體表面富足的孔隙能提供更大的比表面積,固定更多的初始微生物以及保護生物膜免受外界環境的影響,有利于微生物的生長增殖[4].多孔載體更優于無孔載體[5],啟動時間短,生物固定量大[6].小孔徑載體雖然能具有更大的內比表面積,但內部孔隙易堵塞,導致內部的生物膜無法脫落更新,傳質效果差,同時也不利于個體較大的微型后生動物(如輪蟲)活動[7-8].大孔徑載體雖然內部空間大,廢水傳質能力強,但比表面積較小,孔內生物膜易受到水力剪切作用而脫落,附著的微生物量較少[8].內部孔隙過大或過小的載體成為污水處理的“低效”生物載體.因此,載體內孔徑大小影響到生物膜的更新,對生物膜的穩定與污水處理效果提高具有重要意義.

微型動物(原生動物、微型后生動物)在生物膜生態系統中處于較高營養級,是最主要的捕食者[9],在生物膜微生態系統中,通過吞噬細菌、菌膠團以及有機顆粒,降低出水濁度,提高出水水質[10-11],減少剩余污泥產量[12-13];微型動物的活動能使生物膜結構變得松散,加速生物膜的脫落與更新[14];微型動物可作為指示生物,反映生物膜系統的運行狀態以及廢水處理效果[1,15-17].微型動物生物多樣性越高,越有利于污水處理[18].群落物種多樣性反映群落生物種類豐富及分布均勻程度,而群落穩定性反映生物群落抵抗外界環境變化和干擾的能力[19].

生物膜法污水處理系統中,生物載體有無孔隙及孔隙尺度大小對附著生物膜微生物群落有重要影響.表面粗糙多孔的珍珠巖填料相比于光滑無孔的玻璃珠和聚苯乙烯泡沫,其附著生長生物膜中的微生物群落結構多樣性更高[20].多面空心球、K型懸浮填料、短管填料、陶粒4種不同內部孔徑大小的生物載體中,內部孔徑最大的多面空心球附著生物膜上微型動物群落多樣性較高且變化平穩[7].對聚氨酯海綿和聚乙烯塑料環兩種不同內部孔隙結構載體研究發現,具有網狀微孔結構的聚氨酯海綿載體其附著生物膜微生物豐富且均勻度高,微生物群落對外界環境表現出較強的抵抗力和恢復力,群落穩定性好[21].孔徑為560～680μm的陽離子親水聚氨酯泡沫載體改性后孔徑范圍擴大為280～880μm,具有更高且復雜的微生物群落多樣性[22].大孔徑(孔數8～12個/cm)和小孔徑(孔數14～16個/cm)的兩種改性聚氨酯海綿載體比較研究發現,大孔徑聚氨酯海綿微生物群落整體優勢度低,豐富度、均勻度及多樣性高[23].

但這些研究雖然都明確了載體內部不同孔隙對群落物種多樣性、穩定性產生顯著影響,但沒有明確載體內部孔徑的最適宜的大小尺度,且大多從細菌角度分析載體孔徑大小對生物群落多樣性及穩定性影響.內部孔徑大小是生物載體最基本的特性之一,直接影響到掛膜及水處理效果,值得研究.

本文以生物膜微型動物為切入點,通過對生物膜微型動物群落多樣性及穩定性的考察,研究載體內孔徑對生物膜微型動物群落結構的影響,揭示各孔徑大小載體群落結構特征、物種多樣性和穩定性的變化規律,闡明微型動物群落動態變化與廢水處理效果之間的關系,確定最佳的生物載體內部孔徑大小這個制約生物膜特性的關鍵性參數,為合理選擇與研發新型“高效”的污水處理生物載體提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及載體

試驗裝置由5根材質、尺寸相同的有機塑料柱并聯組成.反應柱直徑10.20cm,高23.10cm,有效容積1.5L.反應柱內裝有不同內孔徑載體(體積填充率為40%).在室溫(20±5)℃下運行,由空氣泵(ACO- 005,中國)進行曝氣,智能定時器(S12,中國)控制曝氣時間,轉子流量計控制供氣量為0.2L/min,溶解氧(DO)濃度維持在2.55～5.31mg/L.

生物載體材質為聚氨酯過濾海綿, 切成邊長10mm的立方體.填料表面孔徑為反應器內最大微生物的1～5倍時,可獲得最大生物膜量[24].污水處理中常見最大微生物為輪蟲(0.06～0.70mm),故研究中設置如下內部孔徑的系列生物載體:R1小孔徑(0.6mm)、R2中小孔徑(1mm)、R3中等孔徑(2mm)、R4中大孔徑(3mm)、R5大孔徑(4mm).載體經0.85%乙醇溶液浸泡1d后取出用蒸餾水清洗,自然晾干待用.生物載體基本物理參數見表1.平均孔徑、孔隙率、空隙率和表觀密度分別采用斷面直接觀測法[25]、浸泡介質法[26]、體積法[27]和容重法進行測定.采用持水倍率[26]表征親水性.

表1 聚氨酯載體主要物理參數

1.2 試驗運行

采用接種掛膜法進行載體掛膜,接種污泥取自馬鞍山市某污水廠曝氣池,悶曝48h,沉淀后(污泥濃度4000mg/L)投入到各反應器中.

試驗采用人工模擬廢水,由自來水中加入葡萄糖(碳源)、氯化銨(氮源)、磷酸二氫鉀(磷源)配制而成,并補充微量元素濃縮液[3],采用磷酸緩沖溶液調節進水pH值為7.5～8.0.模擬廢水水質如下:(549.89± 31.27)mg/L COD、(30.96±4.53)mg/L NH4+-N、(5.67±0.69)mg/L TP、0.61mg/L NaCl、0.19mg/L Ca(OH)2、5.07mg/L MgSO4?7H2O、0.28mg/L MnCl2?4H2O、0.44mg/L ZnSO4?7H2O、0.39mg/L CuSO4?5H2O、0.42mg/L CoCl2?6H2O、1.45mg/L FeCl3、30.00mg/L酵母浸膏.

反應器共運行75d.接種掛膜15d,載體內表面觀察到淺褐色的生物膜,鏡檢有輪蟲、線蟲等微型后生動物,其種類和數量較多,表明生物膜已成熟[28],開始正式試驗.正式運行期0～17d,載體上生物膜量從3～7mg/cm3快速增加到8～12mg/cm3;17～42d在6.5～ 17.5mg/cm3范圍內波動;42～60d從8～17mg/cm3平穩增長到12～18.5mg/cm3.結合微型動物種類及廢水處理效果,將60d運行期劃分為運行前期(0～17d)、運行中期(17～42d)和運行后期(42～60d) 3個階段描述.每天運行2個周期,12h/周期,其中,曝氣10h、沉淀1.5h、排水與進水0.5h.掛膜期反應器換水率為50%左右,運行期換水率更換為100%.

1.3 微型動物鑒別與計數

用塑料刮片小心將從反應器中取出的載體外表面極少量生物膜(0.01～0.05mg/cm3)輕輕刮去,將載體外表面殘留生物膜及內孔中截留的懸浮生物膜用清水輕輕沖洗干凈.然后將載體用超聲波振蕩1h,再用蒸餾水沖洗數次,將從載體內部剝離的生物膜制成均勻混合液,使用微量移液器(727026,中國)吸取25μL混合液,在光學顯微鏡(BX53T-32P01,中國)下進行種類鑒別與數量統計.采用明美成像系統采集視頻圖片,結合文獻和圖譜[29-30],將微型動物鑒別至種或類群,再換算成“個/cm3載體”.

1.4 微型動物多樣性分析

將微型動物分成鞭毛綱(植鞭毛亞綱、動鞭毛亞綱)、肉足綱和纖毛綱,又根據運動方式與攝食習慣將纖毛綱分為游泳型、匍匐型、固著型、肉食型4個類群[31],在工程上,常將它們稱為:植鞭毛蟲、動鞭毛蟲、肉足蟲、游泳型纖毛蟲、匍匐型纖毛蟲、固著型纖毛蟲、肉食型纖毛蟲.分別采用Margalef指數、Pielou指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數表征微型動物群落豐富度()、均勻度()、優勢度()和多樣性()[32],多樣性穩定指數值(W)越小,結構越穩定,W=s/m,其中,s為多樣性值標準差,m為多樣性值平均值[33].

1.5 水質指標分析

COD、NH4+-N、TP按照國家標準方法[34]測定; DO和水溫采用便攜式溶解氧測定儀(雷磁JPBJ- 608,中國)測定;pH值采用數顯pH計(雷磁pHS-25,中國)測定.

1.6 數據處理與分析

所有試驗數據均取3個平行樣的均值進行分析.采用Excel軟件進行數據統計,采用SPSS19軟件進行相關性分析,采用Origin 9.0和Excel 2007完成相關圖表制作.

2 結果與分析

2.1 載體上微型動物類群

試驗運行60d中,載體生物膜上共鑒別出92種微型動物.其中,原生動物鞭毛蟲51種(植物毛綱24種,動物毛綱27種);肉足蟲9種(裸變形蟲8種,太陽蟲1種);纖毛蟲30種(游泳型纖毛蟲12種,匍匐型纖毛蟲1種,固著型纖毛蟲17種);微型后生動物2種.微型動物優勢種屬主要有裸藻屬(sp.)、瓣胞藻屬(sp.)、波豆蟲屬(sp.)、卡變蟲屬(sp.)、草履蟲屬(sp.)、楯纖蟲屬(sp.)、斜葉蟲屬(sp.)、漫游蟲屬(sp.)、鐘蟲屬(sp.)、累枝蟲屬(sp.)、輪蟲(Rotifer)、線蟲(Nematode)等,具體見表2.部分常見微型動物見圖1.

運行前期,各載體生物膜上微型動物以一些小型鞭毛蟲與肉足蟲為主,種類及數量均較少.除10d時R1上數量達31200個/cm3外,其他載體均小于20000個/cm3.運行中期,生物膜生態系統逐步豐富,微型動物食物鏈增長,逐漸出現以尾草履蟲、俏藍口蟲、斜管蟲(sp.)為代表的游泳型纖毛蟲、以楯纖蟲(sp.)為代表的匍匐型纖毛蟲以及以鐘蟲(sp.)、累枝蟲(sp.)為代表的固著型纖毛蟲.以活動范圍較廣的游泳型纖毛蟲為主,數量為160～35200個/cm3.31～41d時,5種內孔孔徑載體微型動物物種數量均達到最大43200～84000個/cm3.運行后期,生物膜成熟,鞭毛蟲數量顯著下降造成微型動物總數降低,數量基本維持在2880～28640個/cm3.但其生態系統物種變得更為豐富,有固著型纖毛蟲(種類增多)、鞭毛蟲、肉足蟲、游泳型纖毛蟲、微型后生動物等.

表2 生物載體內孔生物膜微型動物

a. 波豆蟲,′400; b. 近蛞蝓卡變蟲,′400; c. 尾草履蟲,′100; d. 有肋楯纖蟲,′400; e. 微盤蓋蟲,′100; f. 輪蟲,′100

2.2 不同孔徑載體生物膜上微型動物多樣性

5種載體內微型動物物種多樣性指數與豐富度、優勢度、均勻度的相關性如表3所示.

5種孔徑載體的多樣性指數與優勢度均呈顯著負相關(<0.05),除R2外與豐富度均呈顯著正相關(<0.05),而與均勻度僅有R2表現出顯著正相關(<0.05),與其他孔徑載體均勻度的相關性不顯著(>0.05).說明孔內生物膜微型動物物種豐富度和優勢度是影響多樣性指數變化的重要因素,而均勻度對多樣性指數影響較小.

表3 不同內孔徑載體微型動物多樣性特征指數間的相關性

注:*<0.05;**<0.01.

運行前期,5種載體微型動物群落多樣性指數均出現小幅跌落(圖2(a)),因為此時生物膜上細菌種類較少,更適小型鞭毛蟲、肉足蟲生長并成為優勢種群,使得豐富度不同程度降低(圖2(b)),優勢度出現一定程度的增加(圖2(c)).如中等孔徑R3的第11～15d,豐富度由0.44降至0.12,優勢度由0.36增至0.50,多樣性指數由1.29降至0.69.

運行中期,不同載體上微型動物多樣性均出現不同程度的波動.中大孔徑R4、大孔徑R5多樣性波動幅度大.R4豐富度前半段降低幅度較大,后又增長至較高水平,微型動物生態類型逐漸合理,優勢度在中后段不斷降低.因此R4多樣性指數呈“先減后增”變化,為1.35±0.66,23d達到最低(0.21),多樣性總體趨向更優.而大孔徑5多樣性指數呈“M”型波動,為1.00±0.43,總體處于較低水平.這由于波動幅度大且較低(0.59±0.34),較高,鞭毛蟲長期為優勢種群.大孔徑載體,空隙率高,內孔生物膜易受到水流和氣泡的沖擊,加速了生物膜的脫落.R5載體上生物膜量極差達到6.5mg/cm3,使得膜內各種類微型動物比例失衡,物種分布不均,多樣性波動大.

運行中期的小孔徑R1、中小孔徑R2和中等孔徑R3上微型動物多樣性指數波動較小.R1和R3的均呈小幅波動上升趨勢,這是由于它們的豐富度總體波動上升所造成的.小孔徑R1上升趨勢較R3更加穩定,且R1的(1.73±0.30)大于R3(1.53± 0.34),因為R1優勢度(0.24±0.07)小于R3(0.34±0.15),而R3種群集中程度更高.中小孔徑R2的呈“先減后增”變化,總體較低(1.04±0.35),這是因為此階段其物種豐富度(0.47±0.23)低,均勻度下降(19～39d由0.86降低至0.29)(圖2(d)),且優勢度增加(19～ 39d由0.24增長至0.72)所致.小孔徑載體上附著生物膜不易受到水力剪切作用,生物膜較穩定不易脫落,如R2載體上生物膜量極差只有9.0mg/cm3,因此,其微型動物群落穩定,物種多樣性波動小.

運行后期,各載體微型動物多樣性指數均較穩定.對于R2、R3和R5載體,生物膜相對穩定,生態系統達到相對平衡.豐富度逐步增加,優勢度逐漸減小,均勻度平穩,故多樣性指數平穩上升.其中,R3平穩度高,(均值為2.12)最大.R1和R4的先小幅跌落再上升,其原因是降低或增加不顯著,而其出現了顯著的增加.跌落時,R1生物膜上缺少其他孔徑內均出現的個體很大的輪蟲與線蟲,但體積很小的鞭毛蟲數量卻很大,從而導致其變小,變大而R4則相反,生物膜上出現較多的輪蟲,使得變大,各種鞭毛蟲數量減少,使其變化不大.

運行后期5種孔徑生物載體的值排列順序為R3(2.12±0.28)>R4(1.83±0.54)>R1(1.81±0.52)>R2(1.78±0.30)>R5(1.39±0.66),這是因為后期生物膜相對穩定,載體孔徑過大(R4、R5)生物膜易脫落,生物膜量小(R4為10.2mg/cm3、R5為9.5mg/cm3),或孔徑過小(R1、R2),雖然載體上生物膜量較高(R1為17.4mg/ cm3、R2為16.6mg/cm3),但傳質較困難,生物膜活性不高.因而載體內孔徑過大過小均不利微型動物多樣性的增加,因此,中等孔徑R3上微型動物多樣性指數最高.

2.3 不同孔徑載體生物膜上微型動物穩定性

物種多樣性的增加是增強群落穩定性的重要因素[35].采用多樣性穩定指數W作為群落穩定性的評判參數,計算結果如表4所示.

表4 不同孔徑載體生物膜微型動物穩定性

由表4可見,不同孔徑載體上微型動物多樣性穩定指數W在不同階段均不同,呈現不同變化規律.在運行后期,小孔徑載體R1、大孔徑載體R5多樣性穩定指數W大于運行前期、中期,穩定性變差.其中,R1的W呈“V”型變化,在運行中期內達到最低值0.14,群落穩定性最高.大孔徑載體R5多樣性穩定指數W不斷升高,運行后期達到0.47,表明其微型動物群落穩定性不斷降低.

中小孔徑R2和中大孔徑R4載體微型動物多樣性穩定指數W均呈倒“V”型變化.R2變化幅度較小(方差為0.03×10-2),各個階段相差不大,因而一直處于較為穩定的狀態.而R4穩定指數W變化幅度較大(方差為2.31×10-2),尤其是在運行中期,W增加了2.5倍,到運行后期其W仍然較高,故微型動物群落穩定性較差.

雖然中孔徑載體R3微型動物多樣性穩定指數W在運行前期、中期高于R1、R2,但其不斷降低,在后期達到最低值(0.13).從運行后期看,小孔徑R1、中小孔徑R2微型動物群落穩定性又高于中大孔徑R4、大孔徑R5,而中等孔徑載體R3上微型動物群落穩定性顯著優于其他所有孔徑生物載體上的微型動物.這是因為內水流可較順利地通過R3的中等孔徑,具有良好傳質效果,內部生物膜可獲得豐富的營養與氧氣,生物膜活性較高.同時,水力剪切能使生物膜正常脫落更新,并將脫落的生物膜帶出內部空隙,而不堵塞載體內部孔隙,為微型動物的生長創造了良好的生態環境.R3各運行期(尤其是后期),微型動物物種豐富,出現了鞭毛蟲、肉足蟲、纖毛蟲、微型后生動物等各營養級的微型動物,而且鐘蟲(sp.)、累枝蟲(sp.)等固著型纖毛蟲的優勢度很高,這是污水生物處理系統成熟穩定的標志.

2.4 微型動物穩定性和廢水處理效果的相關性

在污水處理系統中,微型動物是污水處理微生態系統中重要的環節,微型動物可指示污水處理效果,其群落穩定性與污水處理效果之間存在一定的相關性,兩者的具體關系分析如表5所示.

表5 微型動物穩定性與廢水處理效果的相關性

注:*<0.05;**<0.01.

由表5可見,微型動物多樣性穩定指數W與3個污染指標間的相關性各不相同.W與CODCr在運行前期、中期與后期3個時期均存在顯著相關性(<0.05),相關系數均超過0.92,說明微型動物穩定性越高,污水處理效果越好.W與TP在運行后期相關非常顯著(=-0.975,<0.05),其相關系數值比運行前期、中期高出30%,表明生物膜成熟后,穩定的微型動物群落有利于生物膜的更新、脫落,系統具有良好的除磷效果[36].W與NH4+-N的相關性從運行前期到后期逐漸提高,但總體上還是較弱,相關系數小于0.73,可能的原因是微型動物多樣性穩定,微型動物的活躍活動破壞生物膜的厭氧環境,抑制反硝化,從而影響NH4+-N的去除效果.因此,微型動物多樣性穩定指數W可作為廢水中CODCr去除效果的指標參數,也可作為生物膜成熟系統中TP去除效果的指標參數,但不適合于NH4+-N去除效果.

2.5 不同孔徑載體與廢水處理效果的相關性

圖3可見,隨著生物膜量的增加,不同孔徑生物載體對污水處理的效果逐步提高.同時,在運行前期、中期對CODCr的去除效果明顯要好于對NH4+-N、TP的去除,到運行后期,差距明顯縮小.在污水處理系統中,微型動物可指示污水處理效果,微型動物穩定性與廢水處理效果的相關性分析結果如表5所示.

圖3 不同內孔徑生物載體廢水處理效果

小孔徑載體R1在運行中期的廢水處理效果最好,CODCr、NH4+-N、TP平均去除率分別達到93.4%、85.0%、90.2%,這得益于小孔徑填料具有更大的比表面積,能附著更多的生物量.但由于傳質困難,到運行后期對污染物的去除效果優勢降低.R2在運行前期對廢水的處理效果有明顯的優勢,運行12d時, CODCr的去除率達到96.9%,運行中期、后期去除效果表現一般.R4在運行前期的12d時,CODCr的去除率高達98.5%,運行中期顯著降低,運行后期表現良好.大孔徑R5整個過程表現最差,運行后期對CODCr、NH4+-N、TP的去除率分別為82.3%、85.7%、70.1%,且處理效果不穩定,因為孔徑較大易受到水流的沖擊,生物膜易脫落,生物量低,處理能力差.

中等孔徑載體R3在運行前期、中期表現不突出,但到運行后期,微型動物群落穩定性達到最佳,其生物膜特性優異,對CODCr的平均去除率達到96.3%.生物膜內部存在厭氧層[37]可進行反硝化,從而表現出很好的NH4+-N去除效果,平均去除率達到94.4%.同時,生物膜上存在輪蟲、線蟲等個體較大的微型后生動物,它們對生物膜產生一定的松動作用[14],加速部分生物膜的脫落,將生物膜中聚磷菌積累的磷通過排泥而去除[36],對TP的平均去除率達到了90.3%.因此,中等孔徑載體3在生物膜成熟后的具有更為穩定的廢水去除效果,更適于實際工程長期使用.

3 討論

3.1 微型動物群落穩定性的作用

一般在污水處理中,由于污水處理工藝條件的變化會影響到微型動物的變化,特定類型的微型動物適應特定的環境條件,活性污泥微型動物與污水廠運行狀況之間存在著密切的關系,可作為活性污泥/生物膜法污水處理性能的指示生物[15,38],反映活性污泥系統運行狀態.但在污水處理系統中,微型動物不是出現一種或一個類群,而是存在多種、不同生態類型,它們形成了一個微生態系統.群落多樣性反映群落中包含的物種數目和個體在種群間的分布情況.在污水處理中,進水水質、處理工藝、運行參數等環境因子的改變均會影響微生物群落的組成及生物多樣性[39-40].在COD濃度較低的水質環境下,營養物質的匱乏導致微生物群落多樣性較低[41].廢水中常見重金屬污染物,如銅、鉻、鎳等會抑制微生物大部分代謝途徑、微生物活性低,部分細菌相對豐度降低[42-43].處理工藝影響整個微型動物群落,MBR中處理工藝和進水水質的改變導致微生物群落結構多樣性降低[44],因此,研究者又采用微型動物生態系統的群落結構的多樣性參數來反映污水處理系統狀況[45].因為多樣性變化較大,與污水處理工藝參數的相關性不是非常顯著,相關性系數通常小于0.5(<0.05)[38].且有研究表明多樣性越高也并不意味著穩定性越高,多樣性過高反而會使種群間平衡發生波動,導致群落局部穩定性降低[46-48].穩定性作為一個綜合的生態因素,其包含了生物之間的相互作用(互生、競爭、捕食等)以及環境波動所引起的物種或群落的變化[49-50],體現了生物群落對環境變化的抵抗力及適應力[51].群落穩定性同樣受水體中營養物質濃度(COD、NH4+-N、TP等)、溶解氧、pH值、水溫及運行參數的影響[52-54].微生物群落的穩定性保證了進水基質底物的有效降解[53].

探究微型動物群落穩定性與廢水處理效果的關系,對于研究污水處理工藝效果以及定量化分析污染物去除指標與微生物群落間關系具有重要意義.本文采用微型動物多樣性穩定指數W時,其與污染去除指標之間的相關性系數超過0.9(<0.05).因此,微型動物多樣性穩定指數W是一個更加理想的污水處理效果指標.

3.2 生物載體最佳孔徑確定意義

目前研究主要集中于載體外部形態、尺寸大小對生物膜特性、污水處理效果研究上,而對載體內部孔徑大小的影響研究相對較少.內部有空隙的生物載體(填料)在生物學性能上比無孔載體更優越[5],目前在水處理領域中,使用最廣泛的是多孔填料.孔徑作為載體最重要的物理性能之一,其大小對載體內部生物膜生長及微生物群落結構有重要影響.由于不同孔徑大小載體其內部孔隙結構的復雜程度以及流場不同,使得孔隙內生物膜所受到的水力剪切應力大小不同[55],而不同的剪切應力會影響生物膜的脫落更新以及細菌群落之間的競爭與發展,從而導致生物膜活性、微生物群落組成及空間分布發生改變[56-58].如果內部孔徑小,則低水力剪切應力作用下的生物膜微生物群落穩定,其多樣性水平更高;而高水力剪切應力對生物膜的沖刷剪切作用大,生物膜易脫落,微生物多樣性較低[59].

實際工程中所使用的多孔生物載體種類多樣、形態各異,其內孔徑也相差很大.如小孔徑的陶粒、沸石等多孔載體,其比表面積大,孔隙細小(孔徑<1mm),生物載體內部水流阻力大,傳質慢,掛膜速度慢;孔徑遠小于成熟生物膜厚度(100～1000mm),妨礙生物膜生長,同時不利于個體較大的微型后生動物(如輪蟲,60～700mm)活動,一旦生物膜生長較多時,會將內部孔隙封閉起來,導致孔隙堵塞[60],不利于內部生物膜脫落更新,導致生物膜活性降低,水處理效率降低.內孔徑(3～5mm)較大的K型填料[61]、大空間(大于10mm)的多面空心球載體,內空間大,布水布氣功能較強,生物膜活性較高,但沖擊負荷大時,易脫落的生物膜穩定性差,微生物群落多樣性低,處理效果變差[59,62].這些內部空間過小或過大的生物載體為“低效載體”,生產生物載體的成本昂貴,造成資源與能源的浪費.

因此,生物載體內部孔徑多大有利于微型動物生態系統穩定,有利于污水處理,目前沒有研究報道,值得研究.而在實際生產上,大多依靠經驗去篩選生物載體,不能發揮生物載體的作用,處理效果不理想.本文確定的中等孔徑載體R3生物膜中微型動物物種多樣性以及穩定性最優,具有較好的廢水處理效果,是理想的多孔載體內孔徑.這個結論將為新型“高效載體”研發、生產上載體選型提供依據.

4 結論

4.1 不同運行期的優勢類群不同,研究鑒別出的92種微型動物,鞭毛蟲、肉足蟲及游泳型纖毛蟲在運行前期、中期占優勢;游泳型纖毛蟲、固著型纖毛蟲和輪蟲在運行后期占優勢地位.

4.2 在不同時期,不同孔徑載體上生物膜微型動物多樣性等參數變化差異較大.中孔徑R3微型動物群落多樣性變化最為穩定且不斷增強,其物種豐富且分布均勻,運行后期(2.12)、(1.19)最高,最低(0.16)小孔徑R1和中小孔徑R2微型動物群落多樣性波動較小,而中大孔徑R4、大孔徑R5多樣性波動大,不穩定.

4.3 不同孔徑載體中,中孔徑R3載體附著生物膜微型動物群落穩定性最好,隨運行期不斷增強,到運行后期達到最穩定(W=0.13).小孔徑載體(R1、R2)群落穩定性次之,總體上相較于大孔徑(R4、R5)更好一些.

4.4 微型動物穩定性與廢水處理的相關性分析表明,微型動物多樣性穩定指數W可作為廢水中CODcr去除效果的指標參數.

4.5 在運行前期,中大孔徑R4、中小孔徑R2對廢水的處理效果有較大優勢.運行中期內,小孔徑載體R1對廢水的處理表現最好.而在運行后期時,群落穩定性最高的中孔徑R3有最好的廢水去除效果,大孔徑R5整個過程廢水處理效果表現均不理想.因此,中孔徑R3是理想的生物載體內部孔徑.

[1] ?agód G, Babko R, Jaromin-Gleń K, et al. Biofilm communities in successive stages of municipal wastewater treatment [J]. Environmental Engineering Science, 2016,33(5):306-316.

[2] Yang D Z, Zhang X F, Zhou Y B, et al. The principle and method of wastewater treatment in biofilm technology [J]. Journal of Computational & Theoretical Nanoence, 2015,12(9):2630-2638.

[3] Nguyen T T, Ngo H H, Guo W S, et al. Effects of sponge size and type on the performance of an up-flow sponge bioreactor in primary treated sewage effluent treatment [J]. Bioresource Technology, 2010,101(5):1416-1420.

[4] Sun L,Wang J X, Liang J D, et al. Boric acid cross-linked 3D polyvinyl alcohol gel beads by NaOH-Titration method as a suitable biomass immobilization matrix[J]. Journal of Polymers and the Environment, 2020,28(2):532-541.

[5] Nelson M J, Nakhla G, Zhu J. Fluidized-bed bioreactor applications for biological wastewater treatment: A Review of Research and Developments [J]. Engineering, 2017,3(3):330-342.

[6] Seok J. Hybrid adaptive optimal control of anaerobic fluidized bed bioreactor for the de-icing waste treatment [J]. Journal of Biotechnology, 2003,102(2):165-175.

[7] 朱榮芳.不同掛膜空間尺度載體生物膜特性研究 [D]. 馬鞍山:安徽工業大學, 2017:1-88.

Zhu R F. Study on biofilm characteristics of carriers with different space scale for biofilm formation [D]. Ma'anshan:Anhui University of Technology, 2017:1-88.

[8] Chen X, Kong L, Wang X, et al. Accelerated start-up of moving bed biofilm reactor by using a novel suspended carrier with porous surface [J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2015,38(2):273-285.

[9] Madoni P. Protozoa in wastewater treatment processes: A minireview [J]. Italian Journal of Zoology, 2011,78(1):3-11.

[10] 丁國際,張周翀,何 韻,等.旋輪蟲在污水生物處理中的作用機制初探 [J]. 環境科學學報, 2019,39(10):3356-3363.

Ding G J, Zhang Z C, He Y, et al. Preliminary study on the function of Philodina sp. in biological wastewater treatment [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019,39(10):3356-3363.

[11] Zhu X F, Yuan W Y, Wang Z W, et al. Effect of worm predation on changes in waste activated sludge properties [J]. Water Environment Research, 2016,88(5):387-393.

[12] 隋海然,李宏君,巢云龍,等.多孔載體中微型動物與原位剩余污泥減量的相關性 [J]. 環境工程學報, 2016,10(4):1735-1739.

Sui H R, Li H J, Chao Y L, et al. Correlation between microfauna on porous carrier and excess sludge in situ reduction [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016,10(4):1735-1739.

[13] Liang P, Huang X, Qian Y, et al. Determination and comparison of sludge reduction rates caused by microfaunas' predation [J]. Bioresource Technology, 2006,97(6):854-861.

[14] Derlon N, Peter-Varbanets M, Scheidegger A, et al. Predation influences the structure of biofilm developed on ultrafiltration membranes [J]. Water Research, 2012,46(10):3323-3333.

[15] Canals O, Salvado H, Auset M, et al. Microfauna communities as performance indicators for an A/O Shortcut Biological Nitrogen Removal moving-bed biofilm reactor [J]. Water Research, 2013,47(9):3141-3150.

[16] Papadimitriou C A, Samaras P, Zouboulis A I, et al. Effects of influent composition on activated sludge protozoa [J]. Desalination & Water Treatment Science & Engineering, 2011,33(1-3):132-139.

[17] Papadimitriou C A, Rouse J D, Karapanagioti H K. Treatment efficiency and biomass characteristics in conventional activated sludge and suspended PVA-Gel biocarrier systems treating phenol-containing wastewater [J]. Global Nest Journal, 2018,20(1):42-48.

[18] Li Z H. Evaluation of decentralized treatment of sewage employing bio-contact oxidation reactor integrated with filter bed [J]. Process Safety & Environmental Protection, 2013,91(4):295-303.

[19] 賀紀正,李 晶,鄭袁明.土壤生態系統微生物多樣性-穩定性關系的思考 [J]. 生物多樣性, 2013,21(4):412-421.

He J Z, Li J, Zheng Y M. Thoughts on the microbial diversity-stability relationship in soil ecosystems [J]. Biodiversity Science, 2013,21(4):412-421.

[20] 王廣春,席勁瑛,胡洪營.不同填料甲苯生物濾塔中微生物群落結構與代謝功能解析 [J]. 環境科學學報, 2017,37(10):3936-3942.

Wang G C, Xi J Y, Hu H Y. Analysis of microbial community structure and metabolic function in biofilters treating gaseous toluene with different packing media [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017,37(10):3936-3942.

[21] Yang S H, Peng Y Z, Zhang S J, et al. Carrier type induces anammox biofilm structure and the nitrogen removal pathway: Demonstration in a full-scale partial nitritation/anammox process [J]. Bioresource Technology, 2021,334:125249.

[22] Chu L B, Wang J L, Quan F, et al. Modification of polyurethane foam carriers and application in a moving bed biofilm reactor[J]. Process Biochemistry, 2014,49(11):1979-1982.

[23] 劉 娜,姜 鴻,謝學輝,等.不同載體對MBBR-CAST工藝中微生物群落結構的影響 [J]. 環境科學與技術, 2020,43(5):18-24.

Liu N, Jiang H, Xie X H, et al. Effect of different carriers on microbial community structure in MBBR-CAST process [J]. Environmental Science & Technology, 2020,43(5):18-24.

[24] 方 芳,龍騰銳,郭勁松,等.多孔填料表面物理特性對生物膜附著的影響 [J]. 工業用水與廢水, 2004,35(6):1-4.

Fang F, Long T R, Guo J S, et al. Effects of surface physical characteristics of protruded packing on biofilm attachment [J]. Industrial Water & Wastewater, 2004,35(6):1-4.

[25] 劉培生.多孔材料孔徑及孔徑分布的測定方法 [J]. 鈦工業進展, 2006,23(2):29-34.

Liu P S. Determining methods for aperture and aperture distribution of porous materials [J]. Titanium Industry Progress, 2006,23(2):29-34.

[26] 耿 佳,馮 芳,孔 丹,等.聚氨酯生物膜載體處理高氨氮廢水的研究 [J]. 環境科學與技術, 2013,36(6):124-127.

Gen J, Feng F, Kong D, et al. Polyurethane foams biofilm carrier for treatment of wastewater containing strong ammonium [J]. Environmental Science & Technology, 2013,36(6):124-127.

[27] 周 芬.混凝土改性親水性生物填料的開發及其應用研究 [D]. 廣州:華南理工大學, 2012:45-46.

Zhou F. Study on the development and application of concrete modified hydrophilic biological filler [D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2012:45-46.

[28] 廖榆敏,湯 兵,陳秋雯.移動床生物反應器啟動特性研究進展 [J]. 水處理技術, 2011,37(2):5-8.

Liao Y M, Tang B, Chen Q W. Moving-bed biofilm reactor start-up characteristics [J]. Technology of Water Treatment, 2011,37(2):5-8.

[29] 馬 放,楊基先,魏 利,等.環境微生物圖譜 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2010:1-345.

Ma F, Yang J X, Wei Li, et al. Environmental microbial map [M]. Beijing:China Environmental Science Press, 2010:1-345.

[30] 沈韞芬,顧曼如,龔循矩,等.微型生物監測新技術 [M]. 北京:中國建筑工業出版社, 1990:1-524.

Shen Y F, Gu M R, Gong X J, et al. New microbiological monitoring technology [M]. Beijing:China Architecture & Building Press, 1990: 1-524.

[31] Madoni P. A sludge biotic index (SBI) for the evaluation of the biological performance of activated sludge plants based on the microfauna analysis [J]. Water Research, 1994,28(1):67-75.

[32] 白耀宇,龐 帥,韋 珊,等.煙草青枯病危害對煙田中小型土壤動物群落的影響 [J]. 生態學報, 2018,38(11):3792-3805.

Bai Y Y, Pang S, Wei S, et al. Effects of tobacco bacterial wilt on meso-micro soil fauna in tobacco fields of Chongqing [J]. Acta Ecologica Sinica, 2018,38(11):3792-3805.

[33] 蔣杰賢,萬年峰,季香云,等.桃園生草對桃樹節肢動物群落多樣性與穩定性的影響 [J]. 應用生態學報, 2011,22(9):2303-2308.

Jiang J X, Wang N F, Ji X Y, et al. Diversity and stability of arthropod community in peach orchard under effects of ground cover vegetation [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011,22(9):2303-2308.

[34] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法-第4版 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2002:1-800.

State Environmental Protection Administration. Water and wastewater monitoring and analysis method (fourth edition) [M]. Beijing:China Environmental Science Press, 2002:1-800.

[35] 張立敏,陳 斌,李正躍.應用中性理論分析局域群落中的物種多樣性及穩定性 [J]. 生態學報, 2010,30(6):1556-1563.

Zhang L M, Chen B, Li Z Y. Analysis of the species diversity and community stability in local-community using the Neutral Theory [J]. Acta Ecologica Sinica, 2010,30(6):1556-1563.

[36] Yin J, Zhang P Y, Li F, et al. Simultaneous biological nitrogen and phosphorus removal with a sequencing batch reactor-biofilm system [J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2015,103:221- 226.

[37] 周 律,李 哿,Shin Hangsik,等.污水生物處理中生物膜傳質特性的研究進展 [J]. 環境科學學報, 2011,31(8):1580-1586.

Zhou L, Li G, Shin H, et al. Research progresson mass transfer in biofilms for wastewater treatment [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011,31(8):1580-1586.

[38] Araújo Dos Santos L, Ferreira V, Pereira M O, et al. Relationship between protozoan and metazoan communities and operation and performance parameters in a textile sewage activated sludge system [J]. European Journal of Protistology, 2014,50(4):319-328.

[39] 房 平,李雨娥,魏東洋,等.污水處理過程中微生物群落多樣性及其對環境因子響應的研究進展 [J]. 微生物學通報, 2020,47(9):3004- 3020.

Fang P, Li Y E, Wei D Y, et al. Microbial community diversity and its response to environmental factors during sewage treatment [J]. Microbiology China, 2020,47(9):3004-3020.

[40] 薛銀剛,劉 菲,江曉棟,等.太湖不同湖區冬季沉積物細菌群落多樣性 [J]. 中國環境科學, 2018,38(2):719-728.

Xue Y G, Liu F, Jiang X D, et al. The diversity of bacterial communities in the sediment of different lake zones of Lake Taihu in winter [J]. China Environmental Science, 2018,38(2):719-728.

[41] 張曉紅,姜 博,張文武,等.京津冀區域市政污水廠活性污泥種群結構的多樣性及差異 [J]. 微生物學通報, 2019,46(8):1896-1906.

Zhang X H, Jiang B, Zhang W W, et al. Microbial community diversity of activated sludge from municipal wastewater treatment plants in Beiing-Tianjin-Hebei region [J]. Microbiology China, 2019, 46(8):1896-1906.

[42] Ouyang F, Ji M, Zhai H Y, et al. Dynamics of the diversity and structure of the overall and nitrifying microbial community in activated sludge along gradient copper exposures [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2016,100(15):6881-6892.

[43] Stiborova H, Strejcek M, Musilova L, et al. Diversity and phylogenetic composition of bacterial communities and their association with anthropogenic pollutants in sewage sludge [J]. Chemosphere, 2020, 238:124629.

[44] 張 斌,孫寶盛,季 民,等.MBR中微生物群落結構的演變與分析 [J]. 環境科學學報, 2008,28(11):2192-2199.

Zhang B, Sun B S, Ji M, et al. Analysis and succession of microbial community structure in a membrane bioreactor [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2008,28(11):2192-2199.

[45] Dubber D, Gray N F. The influence of fundamental design parameters on ciliates community structure in Irish activated sludge systems [J]. European Journal of Protistology, 2011,47(4):274-286.

[46] Tilman D, Reich P B, Knops J. Biodiversity and ecosystem stability in a decade-long grassland experiment [J]. Nature, 2006,441(7093): 629-632.

[47] Roscher C, Weigelt A, Proulx R, et al. Identifying population- and community-level mechanisms of diversity-stability relationships in experimental grasslands [J]. Journal of Ecology, 2011,99(6):1460- 1469.

[48] 田 旺,張化永,王中玉,等.南四湖浮游植物多樣性與群落生物量、時間序列穩定性關系 [J]. 中國環境科學, 2017,37(1):319-327.

Tian W, Zhang H Y, Wang Z Y, et al. Phytoplankton diversity effects on community biomass and temporal stability in Lake Nansihu [J]. China Environmental Science, 2017,37(1):319-327.

[49] Hector A, Hautier Y, Saner P, et al. General stabilizing effects of plant diversity on grassland productivity through population asynchrony and overyielding [J]. Ecology, 2010,91(8):2213-2220

[50] Allesina S, Tang S. Stability criteria for complex ecosystems [J]. Nature, 2012,483(7388):205-208.

[51] Griffiths B S, Hallett P D, Kuan H L, et al. Functional resilience of soil microbial communities depends on both soil structure and microbial community composition [J]. Biology & Fertility of Soils, 2008,44(5): 745-754.

[52] 解豐波,李偉光,張多英,等.BEAC工藝中微生物群落變化和種群穩定性 [J]. 哈爾濱工業大學學報, 2010,42(12):1874-1878.

Xie F B, Li W G, Zhang D Y, et al. Analysis of microbial community dynamics and population stability in BEAC procedure [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2010,42(12):1874-1878.

[53] Tian L, Wang L. A meta-analysis of microbial community structures and associated metabolic potential of municipal wastewater treatment plants in global scope [J]. Environmental Pollution, 2020,263:114598.

[54] Bradley I M, Sevillano-Rivera M C, Pinto A J, et al. Impact of solids residence time on community structure and nutrient dynamics of mixed phototrophic wastewater treatment systems [J]. Water Research, 2019,150:271-282.

[55] Carrel M, Morales V L, Beltran M A, et al. Biofilms in 3D porous media: Delineating the influence of the pore network geometry, flow and mass transfer on biofilm development [J]. Water Research, 2018, 134:280-291.

[56] Coyte K Z, Tabuteau H, Gaffney E A, et al. Microbial competition in porous environments can select against rapid biofilm growth [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016,114(2): 161-170.

[57] Nadell C D, Ricaurte D, Yan J, et al. Flow environment and matrix structure interact to determine spatial competition inbiofilms [J]. Elife, 2017,6:e21855.

[58] Chang J F, He X Y, Bai X Q, et al. The impact of hydrodynamic shear force on adhesion morphology and biofilm conformation of[J]. Ocean Engineering, 2020,197:106860.

[59] Rochex A, Godon J J, Bernet N, et al. Role of shear stress on composition, diversity and dynamics of biofilm bacterial communities [J]. Water Research, 2008,42(20):4915-4922.

[60] 郝曉地,安兆偉,孫曉明,等.懸浮填料強化污水生物處理的實際作用揭示 [J]. 中國給水排水, 2013,29(8):5-9.

Hao X D, An Z W, Sun X M, et al. Effect of suspended carriers on enhancing biological wastewater treatment [J]. China Water & Wastewater, 2013,29(8):5-9.

[61] Zhang X B, Chen X, Zhang C Q, et al. Effect of filling fraction on the performance of sponge-based moving bed biofilm reactor [J]. Bioresour Technology, 2016,219:762-767.

[62] 吳春篤,張 波,李海燕.生物接觸氧化工藝用填料的生物膜特性 [J]. 江蘇大學學報(自然科學版), 2008,29(1):74-77.

Wu C D, Zhang B, Li H Y. Biofilm characteristics in biological contact oxidation packing [J]. Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition), 2008,29(1):74-77.

致謝：對馬鞍山市污水廠在污泥取樣等方面提供的幫助表示感謝.

Effect of inner-pore diameter of bio-carrier on community diversity and stability of microfauna in biofilm.

HU Xiao-bing1,2*, WANG Zhen-zhen1, LIN Rui1, SHEN Yi-jun1,2, ZHONG Mei-ying1, LI Jing-jing1, CHEN Hong-wei1, ZHOU Jia-ying1

(1.College of Architectural Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China；2.Engineering Research Center of Water Purification and Utilization Technology based on Biofilm Process, Ministry of Education, Ma'anshan 243032, China)., 2021,41(11)：5292～5302

In order to provide the basis for the selection of biological carrier with the best pore size in wastewater treatment production, polyurethane sponges with five kinds of inner-pore diameter (0.6～4.0mm) were used as the biological carriers in this study. The effects of the inner-pore diameter on the species diversity and stability of microfauna were systematically investigated. The results showed that flagellates, sarcodina etc., were the dominant species in the intial and middle periods of reactor operation. Whereas, the swimming and sessile ciliates and rotifers mainly occurred in the later stage. Diversity, stability and other parameters of microfauna in different carrier pore sizes exhibited significantly divergence at three distinct periods. The microfauna in the carrier with small pore size (0.6mm) showed high diversity only during the middle period of reactor operation, while the diversity of microfauna in the carriers of 1.0mm diameter was generally lower. However, the diversity of microfauna in the carriers with larger (3.0mm) and big pore size (4.0mm) fluctuated dramatically during the whole process. The stability of microfauna in the carriers with small (0.6mm) and small-moderate pore size (1.0mm) were superior to the carriers with larger pore in the middle and later periods of reactor operation, but worse in the intial periods of reactor operation. Notably, the stability of big pore bio-carrier (4.0mm)was the most undesirable throughout the reactor process. Compared to other size of bio-carriers, the microfauna community in the bio-carrier with moderate pore (2.0mm) possessed higher species richness and uniformity, resulting in a high and stable diversity (=2.12,=1.19,=0.16 in the later period). In addition, microfauna community on the moderate-pore bio-carrier emerged the strongest stability (W=0.13 in later period) with an excellent efficiency of wastewater treatment. In the biofilm system, the stability indexWcan be used as the index parameter of CODcrremoval efficiency.

inner-pore diameter；microfauna；community；diversity；stability

X17

A

1000-6923(2021)11-5292-11

胡小兵(1966-),男,安徽涇縣人,博士,副教授,主要從事水處理生物學與污水生態處理研究.發表論文50余篇.

2021-04-04

生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心項目(BRT19-02);安徽省重點研究與開發計劃(202004h07020027)

* 責任作者, 副教授, 1061046269@qq.com