低温生物膜及其微生物特性的研究

摘要

低温是造成寒冷地区冬季生活污水生化处理效果差的主要原因。当温度降低至4℃左右时，活性污泥中大多数微生物的生长活性受到抑制，只有少数的耐冷微生物可以存活下来并保持一定的活性。本课题组以往的研究结果证明：在我国北方地区，完全可以分离到在低温下高效降解污水中有机物的耐冷细菌。通过投加耐冷菌可使污水的去除效率大大提高。但由于投加的耐冷菌的流失等原因，必须隔一定时间再次投菌，既费时费力，又增加投资。
　　本研究从活性污泥中寻找到6株耐冷细菌，经鉴定，它们分别属于无色杆菌属（Achromobacter）、丛毛单胞菌属(Comamonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)、微球菌属(Micrococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞杆菌属(Pseudomonas)。这些耐冷细菌均能在2℃下生长，在4℃低温下，仍具有水解淀粉、蛋白质、纤维素和脂肪的能力，产生的淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和脂肪酶的适合pH值在中性和偏碱性范围内。经过低温优化组合得到低温生活污水高效降解菌群。
　　为了应用耐冷细菌固定化膜技术增加低温污水处理系统中的微生物数量，提高低温污水处理效率。本试验采用连续流固定化载体选择装置和配套的静态试验，在聚胺脂泡沫、破碎陶粒、柱状活性炭等载体上固定耐冷细菌，形成固定化生物载体。实验结果表明：固定化生物载体的效果取决于载体的孔径及载体表面的粗糙程度。载体固定化效果为：聚胺脂泡沫>陶粒>活性炭；最佳载体投加量为30％，适合投加菌量为湿重1g。
　　为了达到工程应用的目的，设计了复合式低温污水生物处理反应器，在活性污泥处理基础上增加了生物接触氧化单元，并将固定化载体投入其中，在系统稳定运行时监测各项参数的影响。结果表明：投加固定化载体后，低温污水的处理效果明显得到改善，COD、BOD、TP均比未投菌时有较大幅度提高；COD去除率达到90%以上，出水水质达到一级B排放标准；BOD在系统稳定运行期间，去除率平均可达92%；TP平均去除率为87.95%。
　　从耐冷菌群落生态学角度，探讨了生物接触氧化单元低温生物膜上的微生物特性。研究发现，组成低温生物膜的微生物种群多样，顶级群落复杂的营养结构为系统提供了强大的自我平衡调节能力，是低温复合式反应器具有稳定、高效处理能力的基础。低温生物膜主要由芽孢杆菌属、黄杆菌属、假单胞菌属、节杆菌属(Arthrobacter)、弧菌属（Vibrio）从毛单胞菌属、微球菌属、无色杆菌属等组成，各种群在整个生物膜上的分布比较均匀，并没有明显的内层和外层差别，但是种群数量在空间分布上存在明显差异，外层高于内层。
　　脱氢酶活性检测的低温生物膜生物活性结果标明：脱氢酶反应的温度范围为2℃-50℃，其中最适温度是30℃，比中温微生物的温度低10℃左右；适宜的pH值范围是7.5-9.0。组成生物膜的耐冷活细菌脱氢酶显色反应结果说明：组成低温生物膜耐冷菌的脱氢酶变色率是100%，但各种细菌的数量和生长速率是不同的，生长速度快的菌落，脱氢酶的活性也高。
　　当季节转换，低温生物膜中的微生物群落也发生演替。夏季温度升高时，微生物种类和种群数量均有增加，由耐冷菌和中温菌共同组成生物膜。当温度再次降低时，中温菌不能适应低温环境而被淘汰，分离得到的优势耐冷菌群基本上仍为第一年冬季组成低温生物膜的耐冷菌，只是数量和种群上有轻微的变化。
　　以上试验结果说明，采用固定化耐冷菌的方法能够有效克服低温污水生物处理系统中微生物的流失，从而使低温污水处理效率大大提高；同时固定在生物膜系统中的耐冷菌完全可以耐受季节变换过程中温度升高和降低的冲击，即同时在低温和中温污水处理中起到重要作用。

目录

低温生物膜及其微生物特性的研究

LOW TEMPERATURE BIOFILM AND ITS MICROBIAL CHARACTERISTICS

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

寒冷地区生活污水处理概况

低温对生物处理法的影响

1.2 国内外对冷适应微生物的研究现状

低温微生物多样性

低温微生物的适冷机制

冷适应微生物在环境工程中的应用

1.3 生物膜技术发展过程

固定化技术发展

废水生物处理中生物膜的形成过程

生物膜的脱落

生物膜的研究方向

固定化细胞反应器的主要形式

1.4 课题研究的目的、意义和主要内容

课题研究的目的、意义

研究内容

第2章 试验方法

2.1 试验装置流程

固定化载体选择试验装置

低温反应器设计及试验装置

试验运行条件

静态试验装置

2.2 反应器中活性污泥的接种、驯化及耐冷细菌的固定化

污泥的接种

污泥的培养驯化

耐冷细菌细胞固定化

2.3 试验分析项目和方法

电子显微镜观察方法

水质分析方法

2.4 耐冷细菌的分离纯化和鉴定

耐冷细菌的分离纯化

细菌的鉴定方法

2.5 细菌计数法

生物膜中微生物种群数量分析

耐冷细菌的生长曲线测定

2.6 脱氢酶活性分析方法

标准曲线制备

样品制备

样品脱氢酶活性的测定

活细菌数（ABN）的TTC-DHA显色试验

2.7 有机物分解酶的定性分析方法

淀粉酶

纤维素酶

脂肪酶

蛋白酶

第3章 耐冷菌固定化的试验研究

3.1 耐冷细菌的分离及鉴定

耐冷细菌的分离

耐冷细菌的鉴定

耐冷细菌的生长温度

3.2 冷活性酶对有机污染物的降解

生活污水中有机污染物的生物降解途径

耐冷细菌产生的冷适应酶

处理生活污水高效混合菌群的组成

高效耐冷菌群产生的冷活性酶

3.3 载体的优化及固定化方法的选择

固定化方法的确定

固定化载体与包埋剂的选择

吸附包埋条件的选择

3.4 固定化生物载体对污水中有机物的去除

3.5 固定化生物载体表面观察

3.6 本章小结

第4章 低温生物膜的形成及其污水处理效果

4.1 低温生物膜的形成

填料的选择

不同固定化方法对生物膜形成的影响

耐冷细菌数量对生物膜形成的影响

载体性质和浓度对生物膜形成的影响

4.2 生物膜量及其在载体上的分布

生物膜的增长曲线

生物膜在载体上的分布

生物膜的结构及微生物形态

4.3 低温生物膜的脱氢酶活性分析

温度对脱氢酶活性的影响

PH对脱氢酶活性的影响

反应时间对脱氢酶活性的影响

生物膜中脱氢酶活性的空间分布

活细菌数（ABN）的TTC-还原染色试验

4.4 生物膜对反应器处理效果的改善

COD的去除

BOD的去除

TP的去除与机制

SS的去除

氨氮的去除

4.5 本章小结

第5章 低温生物膜中群落生态学的研究

5.1 群落的生态特征

生态位

低温生物膜的组成及空间分布

耐冷细菌的Biolog鉴定

生物膜中原生动物

5.2 环境因子的作用规律

任何微生物有机体都生长在特定的客观环境体系当中，从环境中分析出来的具体条件单位，称为环境因子（Environmental

温度的影响

底物的种类和浓度的影响

pH值的影响

水力停留时间的影响

有机负荷的影响

DO的影响

5.3 低温生物膜中微生物群落演替

生态系统的群落演替及特征

季节交替对微生物群落的影响

季节交替对反应器去除效率的影响

顶级群落的内平衡与反馈调节

EPS对低温生物膜的影响

5.4 分子生物学技术在污水处理微生物检测中的应用

PCR-DGGE技术在污水处理微生物生态学中的应用

16SrDNA的结构和性质

FISH技术在环境微生物生态学分析中的应用

5.5 应用PCR-DGGE技术检测低温生物膜中的微生物生态

细菌基因组DNA的提取

PCR 扩增16SrDNA 特定片断

PCR产物的DGGE分离及序列分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢