1 引言(Introduction)

　　現(xiàn)有污水處理技術(shù)有活性污泥法和生物膜法.跟活性污泥法相比, 生物膜法因不存在污泥膨脹問題和剩余污泥少, 能夠處理復(fù)雜的水質(zhì)和節(jié)省處理空間等, 受到污水處理廠的青睞(許保玫等, 2003).目前使用的傳統(tǒng)填料分兩種, 一是固定型填料, 它材質(zhì)輕、韌性好, 可長期使用, 但存在易堵塞, 需安裝更換等問題.二是懸浮型填料, 它不易堵塞, 接觸面大, 但需要安裝攔截裝置, 以免堵塞和流失.故此本實(shí)驗(yàn)嘗試設(shè)計(jì)出一種半懸浮生物填料, 集中了固定型和懸浮型的優(yōu)點(diǎn).填料呈紡錘體型, 空隙率大, 能夠在污水中三維均勻流動(dòng), 且不易堵塞.同時(shí)填料在污水處理過程中繞中心繩運(yùn)動(dòng), 無須安裝攔截裝置.

　　氨氮在好氧條件下氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽(硝化), 隨后在缺氧條件下還原為氮?dú)?反硝化), 以上兩個(gè)步驟同時(shí)發(fā)生在同一反應(yīng)器中, 即為同步硝化反硝化(SND).相比活性污泥法, 生物膜法的優(yōu)勢(shì)為在單一反應(yīng)器上實(shí)現(xiàn)SND (Pochana et al., 1999).SND脫氮效率的主要影響因素包括：碳源、溶解氧(DO)、生物膜形態(tài)學(xué)和微生物群落, 以及反應(yīng)器的操作條件等(Fu et al., 2010).

　　不同的COD / NH4+(C / N)的比例會(huì)影響微生物群落的比例.微生物群落在生物膜中進(jìn)行著物質(zhì)交換, 然而微生物活動(dòng)會(huì)影響生物膜中的物質(zhì)傳遞(Fu et al., 2010;Vanbenthum et al., 1997).在前人研究的基礎(chǔ)上, 本文將進(jìn)一步研究以下問題(Deygout et al., 2013):首先由于不同C/N產(chǎn)生的不同微生物群落比例對(duì)于新填料生物膜的SND過程有何影響?其次不同C/N對(duì)生物膜中的物質(zhì)傳遞速率有何影響?其傳遞速率對(duì)于生物膜SND過程有何影響?

　　物質(zhì)傳遞中的DO在生物膜中的擴(kuò)散限制促成了好氧、缺氧和厭氧微生物共存于生物膜中, 氧分層有利于生物膜SND的進(jìn)行(Mattei et al., 2015).周小紅等用微電極研究異養(yǎng)生物膜的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù), 結(jié)果表明生物膜外部的葡萄糖濃度對(duì)生物膜內(nèi)DO擴(kuò)散有抑制的影響(Sriwiriyarat et al., 2008).而這種影響對(duì)生物膜SND過程的影響研究是少有的(Zhou et al., 2012).本試驗(yàn)將用微電極測(cè)量不同C/N生物膜中的DO變化, 分析DO傳質(zhì)系數(shù), 進(jìn)一步研究不同C/N下的DO傳質(zhì)系數(shù)對(duì)新填料生物膜SND過程的影響.由于微電極的脆弱性, 鮮有報(bào)道關(guān)于它應(yīng)用于填料上的生物膜的測(cè)量.最普遍的方法是從填料上刮下生物膜放置于海綿上或在海綿上培養(yǎng)生物膜來進(jìn)行測(cè)量, 但生物膜周圍的營養(yǎng)基質(zhì)和主反應(yīng)器中不一樣(Ning et al., 2014;Zhou et al., 2012).本研究創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)蠕動(dòng)泵將主反應(yīng)器與測(cè)量槽連接在一起, 最大限度地還原生物膜周圍的真實(shí)營養(yǎng)基質(zhì), 提高生物膜DO測(cè)量的可靠性.生物膜特性, 如EPS、外部形態(tài)、厚度和生物量也影響生物膜物質(zhì)的傳遞.它對(duì)新填料上的生物膜SND有怎樣的影響, 與物質(zhì)傳遞和生物群落有怎樣的影響, 也是本文研究的方向(Horn and Hempel, 1997;Bassin et al., 2012).總之, 不同C/N會(huì)產(chǎn)生生物膜不同的SND, 但其中包含的因素有多種.本實(shí)驗(yàn)旨在研究新填料由于不同C/N產(chǎn)生不同的物質(zhì)傳遞、生物群落、生物膜特性對(duì)于SND過程的影響.

　　2 材料和方法(Materials and methods)2.1 填料

　　本研究設(shè)計(jì)了一種新型載體, 用于處理廢水, 如圖 1所示.半懸浮生物填料由ABS材料制成, 呈紡錘體型形狀, 其目的是減少其在水中的阻力.它長6 cm, 最大直徑為4 cm, 并有40個(gè)2 mm直徑的小孔.經(jīng)儀器檢測(cè)得其BET面積為35 m2·g-1, 濕密度接近水密度, 干重6.1768 g.

　　圖 1

　　圖 1半懸浮生物填料 

　　2.2 反應(yīng)器構(gòu)建

　　針對(duì)新型生物填料的特殊性, 設(shè)計(jì)了適用于生物填料的反應(yīng)器.如圖 2所示, 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器是用有機(jī)玻璃(長156 mm, 寬160 mm, 高190 mm, 有效容積5.5 L)制作而成, 反應(yīng)器內(nèi)裝有斜板, 斜板的作用是收集從底部側(cè)面曝氣器中心曝氣出來的氣泡到反應(yīng)器中心, 以避免中心曝氣對(duì)掛膜初期生物填料上生物膜的沖擊導(dǎo)致的生物膜脫落.3 d之后, 運(yùn)行反應(yīng)器中心生物填料下面的曝氣裝置, 而側(cè)面底部曝氣裝置用于調(diào)節(jié)水中溶解氧.

　　圖 2

　　圖 2反應(yīng)器和測(cè)量裝置 

　　2.3 微電極測(cè)量

　　首先, 將生物填料上的生物膜刮下置于測(cè)量槽(圖 2)上專用的海綿上.其次, 使用外部蠕動(dòng)泵在轉(zhuǎn)速20 r·min-1下連接測(cè)量槽和反應(yīng)器, 實(shí)現(xiàn)測(cè)量槽和反應(yīng)室的循環(huán)連接.反應(yīng)室保持恒定的曝氣通量, 然后測(cè)量過程開始，在反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間1、4、8、24 h進(jìn)行.

　　2.4 運(yùn)行方案

　　從當(dāng)?shù)氐奈鬯�處理廠曝氣池的活性污泥取得接種污泥(瀝滘污水處理廠, 位于廣州市海珠區(qū))，其接種的濃度控制在1000 mg·L-1.啟動(dòng)操作時(shí)氮負(fù)荷率(NLR)和有機(jī)負(fù)荷率(OLR)分別在20和80~480 g·m-3·d-1.系統(tǒng)運(yùn)行24 h, 喂養(yǎng)1 h, 曝氣運(yùn)行23 h.運(yùn)行環(huán)境溫度通過調(diào)節(jié)水浴設(shè)備保持在27~28 ℃.在運(yùn)行的最初3 d里, 曝氣方式為側(cè)面底部曝氣, 接后11 d, 曝氣方式為中心曝氣聯(lián)合側(cè)面曝氣.反應(yīng)器的初始溶解氧通過側(cè)面曝氣裝置控制在3 mg·L-1.第14 d的平均流量數(shù)據(jù)如圖 6所示.在第14 d, 此時(shí)的生物膜是成熟的, 分別在2、4、6、8、10、12、14、24 h提取反應(yīng)器內(nèi)的處理污水進(jìn)行分析.不同的條件下的生活污水配方, 如表 1所示.

　　表 1 營養(yǎng)液配方

 　　生活污水配方為:溶解性葡萄糖(456、380、304、190、114、76 mg·L-1), 75 mg·L-1NH4Cl, 2 mg·L-1 KH2PO4, 2 mg·L-1Na2HPO4.其他營養(yǎng)成分包括：200 mg·L-1 NaHCO3, 58 mg·L-1 MgSO4, 0.517 mg·L-1 MnSO4·H2O, 13 mg·L-1 CaCl2, 1.43 mg·L-1 FeSO4·7H2O, 2.25 mg·L-1 ZnSO4·7H2O, 0.317 mg·L-1 EDTA, 0.08 mg·L-1 CuSO4·5H2O, , 0.05 mg·L-1 Co(NO3)2·6H2O, 0.037 mg·L-1 Na2B4O7·10H2O.

　　2.5 分析方法

　　本研究測(cè)定了反應(yīng)器進(jìn)水和出水的化學(xué)成分.包括化學(xué)需氧量(COD)的化學(xué)分析, 以及氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、硝態(tài)氮(NO3--N)的測(cè)定, TN的測(cè)定值是基于NH4+-N和NO2--N和NO3--N的總和而不是直接的測(cè)試, 按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定一個(gè)填料上的質(zhì)量MLSS和MLVSS, 采取3個(gè)填料取平均值(國家環(huán)境保護(hù)總局, 2002).溶解氧(DO)和pH值使用DO和pH計(jì).用游標(biāo)卡尺測(cè)量在不同水位(高、中、低水位)填料上的生物膜厚度.EPS的提取和測(cè)量方法根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告的方法(Geyik et al., 2015).

　　載體上的生物膜固定在4%多聚甲醛溶液中, 經(jīng)乙醇脫水系列處理(即25%、50%、75%、100%, V/V, 0.25 h處理), 每次轉(zhuǎn)移到丙酮3次, 每次0.25 h.這些載體在Tousimis 815 autosamdri臨界點(diǎn)干燥器(Tousimis Inc., Rockville, MD, USA)進(jìn)一步干燥.為了保持微生物的結(jié)構(gòu).處理后的樣品涂金和可視化在15 kV掃描電鏡(Hitachi, s-3400N, Japan).

　　2.6 COD、NH4+在生物膜內(nèi)的傳遞分析

　　利用回歸方程得到NH4+、TN、COD消耗率(mg·L-1·h-1)：R(NH4+)、R(TN)、R(COD).記NH4+消耗時(shí)間為T(NH4+)、COD消耗時(shí)間為T(COD)、TN消耗時(shí)間為T(TN)、TN去除效率為E(TN), 計(jì)算公式如下：

(1) (2) (3) (4)

　　式中, Cin(NH4+)為氨氮進(jìn)水濃度;Cin(COD)為進(jìn)水COD;Cin(TN)為TN的進(jìn)水濃度;Cef(TN)為TN出水濃度.生物硝化過程分為兩步, 即氨氧化為亞硝酸鹽, 隨后被氧化為硝酸鹽，見公式(5)(Gapes et al., 2003):

(5)

　　反硝化反應(yīng)方程見式(6)和(7)：

(6) (7)

　　2.7 OUR實(shí)驗(yàn)分析

　　對(duì)于定量描述在一個(gè)過程中或者涉及到水的生物反應(yīng)器中的氧傳遞, 通常以微分方程(8)進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量(Zerari et al., 2013)：

(8)

　　式中, dCL/dt是氧濃度隨時(shí)間的變化, kLɑ是在T ℃氧在液體內(nèi)的傳遞系數(shù), Cs*是在T ℃的飽和濃度, CL在特定時(shí)間點(diǎn)上和在T℃的溶解氧濃度.

　　鑒于在反應(yīng)器中生物膜的氧消耗過程中溶解氧的質(zhì)量平衡, 可以建立公式(9)(Garcia-Ochoa et al., 2009).此處OUR是生物膜中微生物的耗氧速率.

(9)

　　2.8 溶解氧在生物膜的分布

　　在每一個(gè)條件中設(shè)定頭1 h從生物膜外到生物膜零氧處的厚度作為傳遞層.假設(shè)溶解氧傳遞系數(shù)KS不改變, 根據(jù)式(10)(Garcia-Ochoa et al., 2009).

(10)

　　式中, Cs*是在生物膜外溶解氧濃度;CL是在初始1 h零氧層的溶解氧濃度.

　　當(dāng)溶解氧的傳質(zhì)是穩(wěn)定的, 即:

(11) (12)

　　在同一時(shí)間的不同生物膜的傳質(zhì)系數(shù)KS是不同的.此時(shí)把傳質(zhì)過程受到的阻力生物耗氧OUR考慮到總的傳質(zhì)系數(shù)KS中, 將此時(shí)的新傳質(zhì)系數(shù)標(biāo)記為KS*:

(13)

　　2.9 高通量測(cè)序

　　采用高效土壤DNA提取試劑盒E.Z.N.A.TM (Omega, Bio-Tek, Norcross, GA, USA), 根據(jù)制造方指示, 從生物載體上刮下的生物膜上提取DNA.從整體DNA中提取16S rRNA基因片段進(jìn)行放大研究, V3正向引物為Nobar_341F (5′-Fusion A-Barcode-CCTACGGGAGGCAGCAG-3′), 反向引物為Nobar_534R (5′-Fusion B -ATTACCGCGGCTGCTGG-3′), V4正向引物為Nobar_515F (5′-Fusion A- Barcode-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′), 反向引物為Miseq-805R (5′-Fusion B- GACTACHVGGTATC TAATCC-3′).

　　聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)完成之后, 采用Sangon agarose回收工具(種類：SK8131)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行凝膠電泳試驗(yàn), 以便對(duì)DNA進(jìn)行復(fù)原.根據(jù)實(shí)際測(cè)得的DNA濃度, 采用一定量的Qubit2.0對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行回收, 反應(yīng)產(chǎn)物與所有樣品進(jìn)行1:1的混合;樣品混合之后充分震動(dòng).將混合后的樣品按順序放入樣本庫(貼上序列標(biāo)簽), 以供測(cè)序時(shí)使用.基因的測(cè)序活動(dòng)和生物信息學(xué)研究是在上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司的支持下開展的.

　　焦磷酸測(cè)序數(shù)據(jù)分析：采用默認(rèn)設(shè)置的微生物生態(tài)學(xué)定量分析工藝過程對(duì)16S rRNA基因擴(kuò)增子焦磷酸測(cè)序分析過程中產(chǎn)生的基因序列進(jìn)行加工(過濾、聚合、按分類學(xué)進(jìn)行分配和校直).上述加工過程包括質(zhì)量檢查、消除干擾、微生物多樣性分析.總之, 消除流程圖的干擾, 然后采用UCLUST運(yùn)算法對(duì)操作分類單元(OUT)進(jìn)行分配.在最豐富序列的基礎(chǔ)上選取具有代表性的操作分類單元, 利用帶綠基因操作分類單元數(shù)據(jù)集合的核糖體數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目(RDP)分類器(置信級(jí)至少為0.8)進(jìn)行分類任務(wù).之后, 采用芬多精最近校直空間終端工具(PyNAST)的校直運(yùn)算法對(duì)上述基因序列進(jìn)行校直.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion)3.1 有機(jī)物、生物膜中的NH4+傳遞和SND過程分析

　　從圖 3a可知, COD消耗的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于氨氮消耗時(shí)間, COD的消耗時(shí)間為4~8 h, 而氨氮的消耗時(shí)間為8~14 h.隨著COD的增加, 氨氮消耗時(shí)間呈遞減趨勢(shì), 然而COD消耗時(shí)間和COD的消耗率卻在增加.從圖 3b可知, C20條件下TN去除率為最高, 基本能夠完成SND, 但C24卻低于C20, 與其他條件一樣不能實(shí)現(xiàn)完全的SND.除了C24, TN去除率是隨著COD的增加而增加.從上面的分析, 可以得出除了C24, 附著在新型生物填料上的生物膜的SND效率的提高主要取決于COD的增加;COD的增加加快了氨氮的傳遞速率和COD消耗率.

　　圖 3

　　圖 3生物膜中物質(zhì)傳遞 (a.不同條件下NH4+、TN消耗時(shí)間和COD消耗時(shí)間和消耗率, b.不同條件下TN去除率和消耗率) 

　　公式(6)和公式(7)表明, COD的增加, 會(huì)加速反硝化作用, 增加TN的去除率, 使公式中的NO2-和NO3-減少, 進(jìn)而使得使氨氮氧化速率加快.即COD的增加使得SND過程中的硝化和反硝化過程縮短.由于氨氮的氧化速率加快相對(duì)應(yīng)的是氨氮的消耗時(shí)間的縮短, 但從圖 3a可知, COD的增加對(duì)氨氮的氧化速率不一定有完全的積極影響.在C24條件下, 氨氮消耗時(shí)間反彈增加, COD的消耗時(shí)間比氨氮的消耗時(shí)間短, TN不能完全去除, 故TN的去除率下降, 這表明在SND過程中過多的COD不會(huì)促進(jìn)硝化反應(yīng), 也會(huì)使得完成反硝化受到限制.這其中的原因需要進(jìn)一步去分析.

　　從圖 3a可知, C4和C6的COD消耗時(shí)間大于TN的消耗時(shí)間, 這表明即使COD足夠用于反硝化反應(yīng), 反硝化還是不進(jìn)行.反硝化是在貧氧條件下進(jìn)行的, 而有機(jī)質(zhì)傳遞此時(shí)沒有結(jié)束, 可以推測(cè)出在C4和C6條件下生物膜的缺氧條件丟失.C10、C16的條件下, COD消耗時(shí)間后, 生物膜仍能進(jìn)行反硝化.由于生物膜外碳源已經(jīng)用完, 則有兩種存在的可能原因：一種是微生物在生物膜缺氧層可能使用自身代謝物進(jìn)行反硝化, 目前這一方面沒有充分的證實(shí);另一種是貧氮層反硝化緩慢進(jìn)行, 這說明反硝化的活性不高.在C20的條件下, TN和氨氮的消耗時(shí)間基本上與COD的消耗時(shí)間相同, 說明發(fā)生了同步硝化反硝化.COD消耗時(shí)間略低于前兩種, 其原因與前兩種條件是相同的.C24的條件下, 氨氮消耗時(shí)間反彈, TN不能完全去除.此時(shí)有機(jī)物無論是外源的還是內(nèi)源的, 兩者都是足夠的, 則反硝化效率下降的主要原因是硝化效率下降.

　　理論上反硝化反應(yīng)所需要的COD一般為3.5~4.5 g COD/ g N (Pochana et al., 1999), 試驗(yàn)中沒有實(shí)現(xiàn)低碳比的SND.C4和C6條件下不能進(jìn)行反硝化的原因是有機(jī)物不能被利用, 以及此時(shí)的硝化能力也較弱.故SND過程在低C/N條件下硝化和反硝化都受到了限制.根據(jù)菲克擴(kuò)散定律：COD越高, 擴(kuò)散到缺氧層越多.結(jié)合用于反硝化的COD和實(shí)際消耗的COD, 無論在任何條件, 試驗(yàn)中反硝化碳值占比都不會(huì)超過總碳值20%.這說明好氧層用的COD比缺氧層多的多, 才降低了脫氮效率.在這種情況下, C20是最好的條件.

　　3.2 EPS對(duì)SND過程的影響

　　圖 4a反映了在開啟底部曝氣裝置前后TN去除率的改變值.在相同的流量范圍變化前后, C24的條件下, TN去除率的差值最低.底部曝氣出的氣泡會(huì)沖擊生物填料, 使得生物膜在生物膜初期生長過程中不容易粘附在生物填料上.圖 4b反映了生物膜內(nèi)3種類型的EPS的比例變化：Tightly Bound-EPS (TB-EPS)、Loosely Bound-EPS (LB-EPS)和Soluble EPS.根據(jù)研究結(jié)果, C20和C24相比其他條件的TB-EPS占EPS的比例最大.TB-EPS占EPS比重越大, 表明生物膜與生物填料表面的結(jié)合更加緊密(Tang et al., 2016).前3 d中微生物在生物填料上固定并在其上面形成生物膜, 由圖 4a可知, 開啟底部曝氣之后, 低C/N的粘附并不穩(wěn)定, 才使得整體的TN去除率下降.在生物膜SND過程中硝化和反硝化都需要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的場(chǎng)所, 高C/N會(huì)使得生物膜在生物填料上粘附的更緊, 提高了SND的效率.

　　圖 4

　　圖 4 EPS對(duì)SND的影響 (a.TN去除率變化值, b.不同條件生物膜中EPS不同成分的比例) 

　　3.3 生物膜的結(jié)構(gòu)對(duì)SND過程的影響

　　在廢水處理中, 底物基質(zhì)在生物膜內(nèi)的消耗主要靠擴(kuò)散.物質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)速率與生物膜的結(jié)構(gòu)和厚度有很大關(guān)系.最近的研究表明, 生物膜不是均勻而是不均勻和多孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的(Seker et al., 1995).并且其內(nèi)部的微生物聚集形式多樣.其形態(tài)可以緊密或松散的, 生物膜的結(jié)構(gòu)可致密光滑或粗糙(Iltis et al., 2011). 圖 5顯示了附著在生物填料上的不同條件下生物膜的形態(tài).C4條件下, 長在生物膜表面有似彈簧形狀的微生物, 使生物膜表面的孔比其他條件的大, 表現(xiàn)出比較疏松.由圖 5a~5f可知, 直到條件C24可以看到越來越多的絲狀微生物生長在膜表面.同時(shí), 在條件C24可以證明高厚度的生膜空隙是更加的小, 表現(xiàn)出更加緊密.生物膜的結(jié)構(gòu)是從疏松到緊密, 這說明從低C/N條件到高C/N條件, 微生物趨勢(shì)為疏松生長到密集生長(Lewandowski et al., 2000).SND過程中物質(zhì)需要有通道去傳遞, 過于密集和過于疏松的生物膜會(huì)難以實(shí)現(xiàn)SND.

　　圖 5

　　圖 5生物膜表面形態(tài)SEM圖 (a. C4, b. C6, c. C10, d. C16, e. C20, f. C24) 

　　3.4 生物膜氧傳遞對(duì)SND過程的影響3.4.1 反應(yīng)器中的耗氧速率試驗(yàn)分析

　　底部側(cè)面流量增加會(huì)增加氣泡和營養(yǎng)液之間的KLɑ值.在反應(yīng)器中, 假定流體物質(zhì)是恒定的, 那么因?yàn)闇囟仁呛愣ǖ? 所以CS*是恒定的.當(dāng)CL控制在3 mg·L-1, 結(jié)合公式(9), OUR與KLɑ正相關(guān), 這意味著當(dāng)KLɑ增加, OUR將增加.由此可以得出結(jié)論, 底部側(cè)面流量的大小可以反映出OUR的大小, 即生物膜的活性指標(biāo).

　　從圖 6a和圖 6b可以看出, 大體上質(zhì)量、OUR和厚度會(huì)隨著C/N增加而增加.

　　圖 6

　　圖 6生物膜OUR與生物量的關(guān)系 (a.不同條件側(cè)面底部曝氣量, b.不同條件下粘附在生物填料的生物膜VSS和厚度) 

　　3.4.2 生物膜中的溶解氧分布

　　定義好氧為大于0.5 mg·L-1, 缺氧是0.2~0.5 mg·L-1, 厭氧是小于0.2 mg·L-1.在同一時(shí)間的不同條件的生物膜內(nèi)DO的分布都不一樣.隨著C/N增加, 生物膜好氧層厚度會(huì)更小, 但可以提供反硝化條件的缺氧和厭氧層厚度就更大.隨著時(shí)間的推移, 缺氧和厭氧層逐漸減少, 有些甚至消失.前面討論的問題, 在C4和C6條件下, TN消耗時(shí)間低于COD消耗時(shí)間的原因則可以解釋為由于缺乏進(jìn)行反硝化的缺氧環(huán)境.

　　根據(jù)公式(12), 在表 2所示的OUR在每一種條件下會(huì)隨著時(shí)間變小.在同一生物膜外部營養(yǎng)物濃度變小會(huì)使得生物膜的OUR變小.這一點(diǎn)跟其他研究結(jié)論相同, 生物膜外COD越高生物膜的OUR就越大(Zhou et al., 2009).從圖 7a~7b可以看出隨著時(shí)間的變化, DO在生物膜內(nèi)部的分布變化為好氧層厚度逐漸增加, 最后占領(lǐng)整個(gè)生物膜厚度.

　　圖 7

　　圖 7生物膜中溶解氧的分布 (a. 1 h, b. 4 h.c. 8 h, d. 24 h) 

表 2 不同條件下隨時(shí)間變化的OUR值

　　結(jié)合圖 7a和公式(13)可知, 因?yàn)榫嚯x長傳遞的時(shí)間越長, 有更多的時(shí)間來傳遞, 因此可以從傳遞距離得出：KS*(C4)> KS*(C6)> KS*(C10)> KS*(C16)> KS*(C20)> KS*(C24).由于傳質(zhì)系數(shù)越大, 傳質(zhì)阻力將越小.研究可以得出高COD會(huì)使得生物膜DO傳質(zhì)阻力更大.但這有助于DO在生物膜好氧、缺氧和厭氧層的形成.結(jié)合生物膜在圖 5所示的形態(tài), 更高的生物膜的孔密度具有更高的傳遞阻力.

　　C/N越高, 生物膜的生物量和OUR就越大, 反應(yīng)器提供的氧氣就要更多, 硝化反應(yīng)需要在好氧的條件下進(jìn)行, 即高C/N需要更高的曝氣量.高C/N生物膜的傳質(zhì)阻力越大, 更加有利于反硝化進(jìn)行.鑒于圖 3, C20的運(yùn)行時(shí)間可以減少到8 h就可以完成SND.

　　3.5 生物高通量數(shù)據(jù)分析

　　生物膜樣品分別取不同的條件C4、C6、C10、C16、C20、C24, 接種污泥(Initial)也被采樣進(jìn)行比較.一系列的通量數(shù)據(jù)分析, 結(jié)果顯示在圖 8a和圖 8b, 代表著6個(gè)條件和接種污泥的門相對(duì)豐度和生物多樣性.如圖 8所示, 接種污泥的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門和綠彎菌門;在C4樣品的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門和浮霉菌門;在C6樣品的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門和浮霉菌門;在C10樣品的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門、浮霉菌門和綠彎菌門;在C16樣品的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門和暫定種Saccharibacteria; 在C20樣品的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門、暫定種Saccharibacteria和浮霉菌門;在C24樣品的微生物群落中, 主要菌群為變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門和浮霉菌門;其中C4和C6的主要菌群一致, C10和C24主要菌群一致, C16和C20略微有差別.一開始碳氮的比例不是很明顯, C4和C6差別不是很大, 隨著COD的增加生物膜的主要菌群發(fā)生改變.在所有樣品中, 硝化螺旋菌門類菌群分別占0.49、0.02、0.05、0.43、0.73、1.64和0.3.

　　圖 8

　　圖 8生物高通量數(shù)據(jù)分析 (a.不同條件和初始接種污泥的不同門相對(duì)豐度; b.不同條件的生物多樣性)

　　一些研究已經(jīng)表明, 變形桿菌和擬桿菌主要是負(fù)責(zé)一些污染物(COD的去除和脫氮硫代謝)(Gao et al., 2011;Snaidr et al., 1997).硝化螺旋菌門中包含有在氮素循環(huán)過程中重要的硝化螺旋菌種(Ushiki et al., 2013).在條件C20的硝化螺旋菌門的比例大于其他條件.條件C4到C20的硝化螺旋菌門的比例越來越大, 這表明碳源是硝化微生物生長所必需的.然而, 在條件C24, 硝化螺旋菌門比例下降并低于C10, 這表明較高的碳源會(huì)使得硝化細(xì)菌的生存空間減少.這一現(xiàn)象與一些研究生物膜SND是一樣的(Bassin et al., 2012;FIgueroa et al., 1992).從而得出, 較高的COD將提高TN去除率, 但會(huì)占用硝化細(xì)菌的生存空間, 使得SND的硝化過程受阻礙, 降低了TN去除率.

　　為了定量評(píng)價(jià)生物膜不同狀態(tài)下的生物多樣性, 采用了Shannon-Wiener多樣性指數(shù).指數(shù)越高則代表其生物多樣性越高.不同條件和接種污泥中微生物群落的差異有明顯的變化.各個(gè)條件的生物多樣性都比初始接種污泥的高, 表明半懸浮生物填料能夠提高微生物的多樣性, 除C24條件外, 不同條件下的微生物群落多樣性呈上升趨勢(shì).在低C/N比下, 由于碳源缺乏, 大多數(shù)細(xì)菌、異養(yǎng)細(xì)菌可能受到限制(Fu et al., 2010).高COD有利于異養(yǎng)生物的發(fā)展, 它比自養(yǎng)生物的生長速度更快, 并掠奪更多的氧氣和營養(yǎng)(Lee et al., 2004).生物膜微生物的多樣性的提高增加了同步硝化反硝化效率.因此, C20是最佳條件.

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　新的半懸浮生物填料生物膜最佳C/N比是20, 而運(yùn)行時(shí)間可以縮短至8 h.不同C/N新型生物填料的SND過程影響研究表明：

　　1) 半懸浮生物填料在C/N=20實(shí)現(xiàn)完全脫氮, 在底部氣泡的沖擊下仍然可以實(shí)現(xiàn)高效的同步硝化反硝化, 表明填料具有很好的耐沖擊能力, 符合填料的水流線性設(shè)計(jì).填料上生物膜的主要菌群為變形菌門和擬桿菌門.該填料可以增加接種活性污泥的生物多樣性, 因而也增加了SND的效率.

　　2) 半懸浮生物填料生物膜反應(yīng)器的側(cè)面曝氣減少了迅速掛膜過程中對(duì)填料的沖擊, 在處理水質(zhì)方面, 在C/N=20時(shí), COD消耗率為49.26 mg·L-1·h-1, TN的消耗率為2.4 mg·L-1·h-1, 兩者基本完全去除.

　　3) 在基于該半懸浮生物填料的反應(yīng)器中, C/N比對(duì)同步硝化反硝化過程的影響規(guī)律為：低C/N比的缺氧環(huán)境變少, 使得生物膜和生物填料之間的粘附力不足, 導(dǎo)致SND效率較弱;高C/N比可以促進(jìn)硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行, 并且提高生物膜孔密度促使氧傳質(zhì)阻力變大, 增加了硝化螺旋菌門類菌群的比例和生物多樣性, 更加有利于提高SND效率.然而太高的C/N比將減少硝化螺旋菌門類菌群的比例, 減少生物多樣性, 使SND效率下降.

　　從生物膜特性、物質(zhì)傳遞和分子生物學(xué)三大方面研究可以為新型填料的推廣和穩(wěn)定使用提供可靠的科學(xué)依據(jù).(來源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 作者：鄭麗純)