生物流化床处理造纸中段废水生物膜性质的研究

疏明君，李友明，谢澄，陈中豪
（华南理工大学造纸与污染控制国家工程中心，广东 广州 510641）

　　摘要：采用生物流化床处理造纸中段废水。试验中观测到，生物膜的生长过程是由局部扩散到整个载体表面，生物膜中起骨架作用的是累枝虫和丝状物。中段废水中含有有机氯化物对生物膜活性有一定抑制作用，但当中段废水的比例增加到80％时，生物膜的比耗氧速率（SOUR）仍在80mg[O]·L/(g[MLSS]·h)以上。实验还得出最佳生物膜厚度为45μm。
　　关键词：生物膜；SOUR；最佳生物膜厚；水力停留时间
　　中图分类号：X703.1；X793
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　好氧生物流化床处理工艺具有单位反应器体积所含微生物浓度高、抗底物负荷冲击能力强、处理效果好、占地面积少等优点。在流化床的运行过程中，生物膜的生长状态是影响流化床处理效果的决定性因素。造纸中段废水中所含的有机氯化物对生物膜的生长有一定的抑制作用，是生物流化床能否应用于造纸中段废水处理的关键。本文利用好氧生物流化床处理中段废水，研究了影响生物膜生长的因素。

1 实验

1.1 废水水质
　　中段废水取自广东省江门甘化厂制浆车间的洗、选、漂混合废水，水质指标见表1。

表1 废水水质 项目 BOD5/(mg·L^-1) COD_cr/(mg·L^-1) pH TSS/(mg·L^-1) 色度／(C.U.) 颜色 平均含量 363 1030 6.5 4810 1487 黄褐色

1.2 接种污泥来源
　　活性污泥由广州市猎德污水处理厂提供。污泥的MLSS为24.15g/L，MLVSS为20.085g/L。
1.3 实验设备
　　本实验的主要反应器为内循环三相流化床，有效体积为26L。反应器上部分离区是一个三相分离器，使气液回分离，同时阻止载体的流失。内筒中部开有4个孔，主要是为了在流化床内造成多重环流来提高混合强度，增加氧气的传质效率。曝气方式为射流曝气，目的在于提高气液混合程度和氧传递效率，并节省动力消耗。流化床内生物膜载体为颗粒活性炭（市售），其物理参数见表2。活性炭表面官能团的多样性和粗糙度有利于微生物的附着和避免受流体剪切力的影响月时，活性炭的吸附作用使炭-液界面的基质浓度大大提高，有利于微生物获得底物和氧气，可以提高有机物的去除能力，并增强在污染负荷过大时系统操作稳定性。

表2 载体颗粒活性炭物理性质 名称 平均粒径/μm 密度/(kg·m^-3) 强度/％ 产地 活性炭 500 1940 ＞90 广州

1.4 分析方法
　　①COD_cr、BOD、TSS、色度均按标准方法测试；
　　②生物膜的生长情况用NIKON TE300激光散射显微镜观察。
1.5 实验方法
1.5.1 生物膜的培养
　　先向反应器内投加占有效体积6％的活性炭，并按5g[MLSS]/L投加接种污泥。挂膜最初两天以葡萄糖、尿素、KH₂PO₄、K₂HPO₄为碳、氮、磷源，制成m(COD):m(N):m(P)=100:5:1的废水，进行间曝。2d后以20％的比例定期增加废水浓度，同时减少葡萄糖的投加量以保持进水COD_cr稳定在1000mg/L左右。
1.5.2 比耗氧速率SOUR的测定^[1]
　　比耗氧速率是指单位重量的微生物在单位时间内所利用的溶解氧量，它可以用来反映生物膜的活性。其计算式为：

　　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－反应器内的生物膜的重量，g[MLSS]/L。
　　通过得到的点连成的直线的斜率，可求出dDO/dt。
1.6 数据处理方法
1.6.1 生物膜厚度与生物量的计算方法
　　首先做以下几点假设：
　　①载体与包有生物膜的载体均呈球形；
　　②载体流失量很小可以忽略不计。
　　生物膜厚与生物膜量的具体计算方法参见文献^[2]。
1.6.2 底物的比去除率q_obs
　　底物的比去除率是指单位重量的生物膜对于底物去除率的贡献。它可以反映生物膜的活性，进而利用它来确定最佳生物膜厚。其计算方法为：
　　　　　　　q_obs=Q(S₀-S)/x
式中：Q－进水流量，L/h；
　　　(S₀-S)－进出水COD_cr差，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 生物膜生长的显微镜图描述
　　生物膜的整个生长过程，大致可分为三个阶段。第一阶段：生物膜生长的初期，见图1。初期阶段首先附着在载体上的是单个的累枝虫和钟虫，而菌胶团附着量很少。这个时期由于菌胶团与载体之间相合力较弱，附着上的菌胶团容易再次被冲离载体表面。第二阶段：生物膜的生长期，见图2。在这个阶段，随着生物膜的进一步形成，累枝虫呈团状生长。在载体的四面由于受到水力冲刷程度较小，附着有少量的菌胶团。同时，还可以看见载体表面有丝状物伸向液相中。这些丝状物可能是丝状菌和一些菌胶团所释放的胞外多糖物质。丝状物与固定着的累枝虫、钟虫相互交联，形成三维网状的立体结构，捕获着水体中游离的菌胶团和微生物，增加了菌胶团与微生物在载体表面的停留时间，让微生物分泌的胞外多糖物质有充分的时间与载体表面官能团反应，有利于菌胶团的附着。第三阶段：生物膜的成熟，图3是生物膜生长成熟后局部生物膜的照片。从照片中可以看出，生物膜的轮廓较为平滑，整个生物膜的透明度不一致，这表明生物膜内菌胶团的分布并不均匀。另外，在生物膜生长的成熟期中还可观察到有较高等的微型生物，如轮虫、线虫等存在，这些原生动物以生物膜上的微型动物或细菌为食，具有松散生物膜，抑制生物膜的过度增厚，促使生物膜脱落等功能，可使生物膜不断更新，经常保持良好的活性和净化功能。

2.2 废水的比例对生物膜活性的影响
　　中段废水含有一定量的有机氯化物。这些有机氯化物对微生物活性都有一定的抑制作用。本实验通过定期增加进水中中段废水所含的比例来测定废水对生物膜活性的影响。废水比例对生物膜活性的影响见图4。

　　从图4可以看出，随着废水比例的增加，生物膜的活性呈下降趋势。这说明中段废水中有机氯化物对好氧微生物是有抑制作用的。但是，当进水中中段废水的浓度增加到80％时，生物膜的SOUR仍可保持在80mg[O]·L/(g[MLSS]·h)。分析其原因，可能为以下两点：一是中段废水中漂白废水所占的比例只有30％左右，故有机氯化物的含量并不是很大，其毒性对微生物的抑制性不太大；二是经过一定时间的驯化，生物膜对中段废水的适应性增强。
2.3 最佳生物膜厚的确定
　　生物膜厚度与生物去除率的关系见图5。

　　从图5中得出，在生物膜厚度为45μm左右时，底物的比去除率最大。所以，在本实验的条件下，最佳生物膜厚度为45μm。但是在具体操作中不能只考虑到生物膜增厚、生物量增加的情况，更要把最佳生物膜厚的概念引入反应器的设计中去。另外，生物膜如果过厚，一则会造成内部厌氧层的增厚，使生物膜容易脱落；二则，生物膜过厚会使固相的密度降低，容易被冲出反应器外，引起载体流失。
2.4 水力停留时间对生物膜性质的影响
　　水力停留时间对生物膜的生长起到了一定的影响作用。在流化床反应器内存在着固着生物膜与悬浮微生物相竞争的生长情况。悬浮微生物生长过多，会造成固着生物膜所能得到的营养物质减少，抑制了生物膜的生长。通常，固着生物膜的比生长速率μ_f要比悬浮微生物的比生长速率μ_s小，所以，水力停留时间要控制在1/μ_s与1/μ_f之间，使悬浮生长的微生物能被冲出反应器外，而保证生物膜能生长正常。图6、图7表明了水力停留时间对生物膜量、悬浮生物量的影响。可以看出，当水力停留时间大于5h时，水力停留时间延长，固定生物膜量减小，反应器内悬浮生长的微生物则相应增加，这说明了悬浮微生物生长的竞争优势更大些。但是当HRT从5h缩短到3.2h时，单位载体上生物膜量从0.8g/g下降到0.7g/g，而反应器内悬浮微生物从1.2g/L增加到1.7g/L。这是因为，本反应属于底物抑制型，水力停留时间过短会造成单位体积生物膜所承受的底物负荷过高，会抑制生物膜的生长，并容易导致生物膜脱落，造成悬浮生物量增加。实际处理过程中，应根据废水性质及出水COD_cr要求来控制水力停留时间。

3 结论

　　①在本实验中，生物膜的生长是先局部生长，再覆盖整个载体表面。在生物膜中起骨架作用的是累枝虫和丝状物；
　　②中段废水中的氯化有机物可降低微生物的活性，但是，用流化床进行处理，当中段废水增加到80％时，生物膜的SOUR仍在80mg[O]·L/(g[MLSS]·h)以上，活性较好；
　　③本实验得出最佳生物膜厚为45μm左右；
　　④水力停留时间越大，则会造成水中悬浮生长的微生物越多，而生物膜量则相对减小。

参考文献：
[1]刘雨，等．生物膜法污水处理技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．
[2]周平，等．空气提升内循环生物流化床反应器动力学研究[J]．环境科学，1996，17(6)：9～12．

作者简介：
疏明君（1975～），女，湖南衡阳人，华南理工大学99级研究生，主要研究工业废水的治理，电话 13640319698。