半悬浮填料上生物膜的生长变化特征

摘要

本课题构建以新型半悬浮填料为载体的生物膜反应器来处理人工模拟废水，基于以往研究中宏观尺度的生境与传统填料存在的缺陷，本课题开发了一种新型半悬浮填料，不仅可以很好融合传统填料的优点，而且能够在反应器内部构建亚微尺度（<10 mm）的微生境，从而增加微生物群系的结构层次。新型半悬浮填料纺锤体的特殊结构使同个填料的不同位置形成不同的生物膜厚度。在反应器的运行阶段，运用各种检测技术对同个填料的不同位置的生物膜进行测定与比较，如通过原子力显微镜测定其生物膜表面粗糙度、形貌与粘附力的变化，运用高通量测序技术测定其生物膜内微生物群落的演替。本课题将反应器分成两个相同体积的区域（“A”区与“B”区），采用不同的测试技术来研究与比较不同曝气量下的生物膜形成过程、物理化学特征与微生物群落的变化，并采用溶解氧系统测定反应器内不同区域的溶解氧变化。主要研究结果如下：
　　以新型半悬浮填料为载体的生物膜反应器采用快速挂膜法挂膜，水力停留时间为24 h，采用间歇进出水的方式运行反应器。从第6天起，黏附在填料表面的生物量逐渐增加，直到第21天左右达到最大值。半悬浮填料的纺锤体结构使填料的椎体部分（Cell1）的表面积小于填料底部（Cell2）的表面积，Cell2生物膜的生物量大于 Cell1生物膜，从而 Cell2生物膜厚度大于 Cell1生物膜。由于“B”区的曝气量是“A”区的10倍，“B”区的生物膜活性更高，繁殖速率高，“B”区生物膜量大于“A”区生物膜量。高曝气量意味着生物膜所受的剪切力更大，低曝气量的“A”区生物膜厚度大于“B”区生物膜。然而，24 h的水力停留时间无法满足生物膜的生长需要，使生物膜从第24天开始逐渐脱落。随着运行时间的推移，“A”区与“B”区的溶解氧逐渐降低，在运行阶段后期，两个区域内相对稳定的溶解氧浓度表明随着反应器中微生物的增长，溶解氧的供给与消耗最终维持平衡。尽管生物膜反应器运行周期较短，但在反应器稳定运行的阶段（第1030天），出水的 CO DCr小于40 mg/L，氨氮小于3 mg/L，生物膜反应器对 CODCr与总氮去除率都在90％左右。
　　采用原子力显微镜测定生物膜表面粗糙度与粘附力变化，实验结果表明：随着微生物逐渐增殖，粗糙度逐渐增大，生物膜后期粗糙度逐渐降低至相对稳定值。剪切力是影响生物膜表面粗糙度的重要因素。高曝气量意味着剪切力更大，相比于“A”区，高曝气量的“B”区生物膜表面粗糙度更低。纺锤形的填料结构使同个填料上的 Cell1生物膜所受到的剪切力小于 Cell2生物膜，从而 Cell1生物膜的表面粗糙度高于 Cell2生物膜。“A”区与“B”区中的生物膜与同个填料上的 Cell1生物膜与 Cell2生物膜具有相似的生长趋势。剪切力是影响半悬浮填料上的生物膜机械强度的重要因素。高曝气量的区域能使生物膜分泌更多的 EP S，“B”区生物膜的 EP S含量大于“A”区生物膜，Cell2生物膜的 EPS含量大于 Cell1生物膜。EP S与生物膜粘附力存在良好的相关性，相对于蛋白质，生物膜中的多糖类物质对粘附力具有更显著的影响。
　　采用高通量测序技术测定不同阶段的生物膜内微生物群落变化，实验结果表明：初始生物膜的主要微生物为变形菌门，α-变形菌纲，γ-变形菌纲与β-变形菌纲，红环菌目与肠杆菌目。成熟生物膜的主要微生物为α-变形菌纲，γ-变形菌纲，δ-变形菌纲与β-变形菌纲，伯克氏菌目与红环菌目。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 课题来源与研究内容

1.4 创新点

第二章 实验部分

2.1 填料设计

2.2 流体力学计算

2.3 反应器

2.4 常规指标分析

2.5 生物膜与填料表面的粘附力测定

2.6 生物膜表面粗糙度测定

2.7 生物膜的生物量测定

2.8 生物膜厚度测定

2.9 生物膜胞外聚合物测定

2.10 高通量测序

第三章 生物膜反应器的运行性能

3.1 反应器启动

3.2 生物量变化

3.3 反应器内溶解氧水平的变化

3.4 CODCr去除效果

3.5 氮的去除效果

3.6 生物相观察

3.7 本章小节

第四章 生物膜粘附性能

4.1 生物膜的形成

4.2 生物膜厚度

4.3 生物膜的表面形态变化

4.4 生物膜内 EPS含量变化

4.5 生物膜的粘附力

4.6 本章小节

第五章 生物膜中微生物群落的演替

5.1 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

攻读硕士学位期间参加的科研项目

声明

致谢