复合式生物膜反应器中生物膜的特性
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内 溶解氧的浓度在 &1./0左右(系统连续进 水及 污 泥回流均由蠕动泵来完成并可按需要进行流量控制(
粉碎的轮胎颗粒用作本研究中的微生物附着生长
图 * 实验室研究的复合式生物膜反应器系统 图 , 实地研究的复合式生物膜反应器系统
第 一 作 者 ! 赵 庆 良 " 男 " #$%&年 出 生 " #$$’年 哈 尔 滨 建 筑 大 学 博 士 毕 业 ( 副 教 授 (
9 -9
赵庆良 复合式生物膜反应器中生物膜的特性
载体!其形状不规则!但可近似圆形或卵圆形"经在 显 微 镜 下 对 #$个 轮 胎 颗 粒 的 观 察 测 定! 其 直 径 在 %&%#’(&$)**"按平均粒径为 %&%#** 来计算!则 比表面积为 %+((*%,*+!或每 )-颗粒所提供的表面 积 为 $#.*%"轮 胎 颗 粒 主 要 由 天 然 橡 胶 和 聚 丁 橡 胶/ 碳 黑 和 其 他 一 些 少 量 添 加 剂 所 组 成 ! 0)1 颗 粒 比 重 为 )&)%"反应器内投加 $(-,2的该颗粒时约占反应器总 容积的 )%3"
M 试验结果与讨论
%&) 附着生长生物膜量 在各复合式生物膜反应器系统投入运行以后!分
别考察在轮胎颗粒表面附着生物膜的生长状况"一般 说来!微生物从附着固定在轮胎颗粒表面到形成成熟 的 生物膜约需 %@ +个 月 的 时 间! 这 还 需 视 反 应 器 构 型/基质种类及浓度/水力剪切力的大小/微生物种 类及温度等因素而定!成熟生物膜的生物膜量及厚度 更是与上述因素息息相关"在复合式生物膜反应器系 统处理以奶粉为主配制的合成污水时!生物膜的生长 过程约需 N(O0+1!如图 +所示"两套复合式生物膜反 应 器内生物膜量的比较见表 )!其中曝 气 强度 指 的 是
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使颗粒悬浮搅拌的剪力"后者自投入运行时!反应器 内水的温度只有 )%H@)#H!此时生物膜的生长速 度 极为缓慢!待温度上升至 %(H以上时!生物膜开始 生长并逐步成熟!故成熟生物膜需时较长"有研究表 明0?1!在一用粒径为 (&+N** 的砂作为载体的曝气流
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K #K
环境污染与防治 第 cc卷 第 d期 ceee年 c月
化床生物膜反应器处理淀粉废水时!当曝气强度控制 在 "#$%&’()*+’,时!每 -砂上可以固定 ,./0.’的生物膜量!同时要取决于 123.的负荷4这些结果与 本研究中所得的结果基本一致4 ,#, 附着生长生物膜厚度
下面首先估算一下成熟生物膜的厚度4假设轮胎 颗粒为圆形且其平均粒径为 ,5!成熟生物膜的厚度为 6!生物膜密度为 7!单个颗粒表面的生物膜重为 89!则 有下式成立:
菌种不同所致"对后者!为使轮胎颗粒呈悬浮混合状 态!还在反应器内辅设一慢速桨板型搅拌装置!以使 轮 胎颗粒不至于沉底!该桨板 4)+#**XN#**7转 速为 ?(Y,*RS!则根据文献 可 0$1 计算出平均雷诺数
DZV []\%V 4?(A,&N+(N7X4)((&^)+##7%V%#$ 据 此 可 进 一 步 计 算 出 平 均 摩 擦 系 数 _0#1和 作 用 在 颗 粒 表面的平均剪切力 ‘a0N1!即
单位时间内曝气区横断面上所通过的气体流量!在图 )中指复合式生物反应器内导管断面积!而在 图 %中 则指反应器进水端曝气区的断面积"
图 P 生物膜量随时间的增长变化过程
表 Q 复合式生物膜反应器内生物膜量的比较
试验 污水 曝气强度
成熟生物膜 成熟生物膜量
环境条件
规模 类型 42,*RSK.*%7
所需时间 4O7 4*-,-7
关键词 生物膜量 生物膜厚 微生物活性 复合式生物膜反应器
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无论是生物膜量还是生物膜厚度都只能反映附着
生长微生物的生物量的多寡!而不能反映其活性!因 此需借助于其他指标来评判悬浮生长与附着生长微生
物 的 活 性4这 里 选 用 应 用 最 为 广 泛 的 比 耗 氧 速 率 >R2ST@作 为 反 映 悬 浮 生 长 的 活 性 污 泥 和 附 着 生 长 生 物 膜的活性指标4表 ,列出了在 ,.U和起始 V23浓 度 为 <""/ .""’-&%条 件 下 两 套 复 合 式 生 物 反 应 器 内附着生长成熟生物膜的 R2ST值!为便于与悬浮生 长的污泥活性进行比较!表 ,中还列出了悬浮微生物 的 R2ST值4
量!在生物膜量为 ."’-&-时对 J"个轮胎颗粒测得的 平 均 膜 厚 为 $,,K’! 比 计 算 的 结 果 ,..K’ 偏 高 P.Q 4这 种 差 异 主 要 是 来 源 于 对 轮 胎 颗 粒 进 行 的 圆 形 假设以及计算中对生物膜密度的取值!测定时生物膜 上生长有一些丝状菌也导致对厚度读数时的误差4 ,#< 附着生长生物膜活性
7$<; =>5?6@<A5<BC89 假设每 D轮胎颗粒含有 )个!其上生物膜重 8!则
)7$<; =>5?6@<A5<BC)89C8 由此式便可得出膜厚 6的计算式:
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有 研 究 表 明 ! FG!HI 生 物 膜 密 度 为 7C ,./ <" ’-&+’<!这里可假定其密度为 7C<"’-&+’<!轮胎颗 粒 的平均粒径为 "#,,.+’!亦即 5C"#JJ,.+’!实验 室测得每 -轮胎颗粒平均含有 )C<<"个颗粒!则当每 -轮胎颗粒 上有 ."’-生 物量 时!生 物 膜 厚度 为 6C "#",..+’!或 ,..K’4
及生物膜量)生物膜厚度和生物膜活性(
* 试验设施与方法
采用两种类型的复合式生物膜反应器!第一种为 内 置套筒的圆柱型 )图 #,"容积为 &-0"用于实验室 内处理人工合成污水+第二种呈长方体状"似实际应 用 的曝气池"内置隔板防止生物膜颗粒流出 )图 &,"容 积 为 $+0"用 于 实 地 处 理 啤 酒 加 工 所 产 生 的 有 机 废 水(两套复合式生物膜反应器系统中的反应器均由透 明的有机玻璃加工而成"以便于能观察到轮胎颗粒在 反应器中的流动状态(曝气采用微孔橡胶蛇管"单独 使用压缩空气或补充一定量的纯氧以保证生物反应器
除了用上述的估算法以外!本研究中还采用立体 显微镜对颗粒上的生物膜厚度进行实际测量!方法如 下:首先用放于显微镜载物台上的测微尺调校置于目 镜 中的方格状测微尺!计算每格相当于多少 ’’L然后 随机取出 )个用去离子水淋洗过的带有生物膜的轮胎 颗粒置于载玻片上!并将此载玻片放在显微镜物镜下 的载物台上L对于生物膜较薄且不均匀的生物膜轮胎 颗粒来讲!从垂直的上下左右四个方向分别测量每个 颗粒上生物膜的厚度!分别计为 MJNM,NM<和 M$!取 其 平均值作为单个颗粒上的膜 厚 6(!)个 颗 粒 上 生 物 膜的平均厚度即为 6CO6(&)4用此方法对实地的复合 式生物膜反应器中的轮胎颗粒上的生物膜进行厚度测
环境污染与防治 第 --卷 第 .期 -///年 -月
复合式生物膜反应器中生物膜的特性
赵庆良
)哈尔滨建筑大学市政环境工程学院" 哈尔滨 #*++$+,
黄汝常
)香 港 科 技 大 学 土 木 结 构 工 程 系 ,
摘 要 传统的活性污泥工艺中加入废弃轮胎颗粒作为生物膜载体形成的复合式生物膜反应器 "在颗粒浓度为 -+./0时"稳定运 行 条 件 下 在 轮 胎 颗 粒 表 面 可 形 成 约 *+1./.的 生 物 膜 量"即 在 传 统 曝 气 池 的 &+++2 ’+++1./0悬 浮 生 长 污 泥 的 基 础 上"可 增 加 &+++ 1./0的附着生物膜量(此时生物膜的厚度为 &**31"其活性以比耗氧速率 )4567,表示为 -+28+1./.9:(
轮胎颗粒上附着生长的生物膜量的测定参照文
献 进 0%1 行!每 -轮胎颗粒上 生 物 膜 的 干 重 以 *-,-来 表 示"比耗氧速率 489CD7的测定采用 E8FG#A型溶 解氧测定仪!整个过程在 %#H的恒温水浴槽中进行" 对于测定悬浮生长的 I288的 89CD来讲!先从反应 器中取出一定量的混合液!然后离心分离!将离心后 的 I288加入装有预曝气充氧的一 定 =9>浓 度 的原 水 J9>瓶 中!记 录 >9 随 时 间 的 变 化 情 况!再 测 定 J9>瓶 中 I288的 浓度!便可计 算出 以 I288为 基 础的 89CD!以 *-,-KL来表示"对于测定附着生长 生物膜的 89CD来讲!先从反应器中取出适量的生物 膜轮胎颗粒 4基本相当于测定悬浮生长污泥 89CD时 的 生 物 量 7!然 后 用 去 离 子 水 淋 洗 至 不 含 悬 浮 的 微 生 物 为止!用此带有生物膜的颗粒采用与上述一致的方式 测定和计算出 89CD!亦以 *-,-KL来表示"
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在污水生物处理工艺中"附着生长生物膜与悬浮 生长微生物复合在一起形成的复合式生物膜反应器" 越来越发挥着不可低估的作用(本研究旨在考察一种 新型的生物膜载体 (( 废弃轮胎颗粒作为附着生长载 体时的生物膜的特性"具体研究内容包括不同构型的 复合式生物膜反应器中生物膜在载体表面的生长过程
实验 人工 室内 配水 (&()TN U6V?&(@A&( #(@N(
#(@ N#
生物
反应器
实地的
啤酒 废水
生物
反应器
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由表 )可以看出!复合式生物膜反应器系统处理 合成污水与啤酒废水时的生物膜量相近!每 -轮胎颗 粒 上 的生 ห้องสมุดไป่ตู้膜量 各为 #(@ )((*-左 右"存在 的差 异 主要由曝气所产生的水力剪切力及轮胎颗粒表面上的
人工合成污水主要由全脂奶粉配制而成!配比为 每 2自来水中 )(((*-!再加入 %+%*-456$7%89$/ +#&%*-:6%;9$和 #((*-5<6=9+!则此合成污水 =9>的浓度约为 )(((*-,2"实地处理的啤酒加工废 水 进 入 复 合 式 生 物 反 应 器 系 统 的 =9> 值 在 )((( *-,2左 右" 试 验 期 间 测 得 的 总 =9> 为 +#?@ )A#( *-,2!平均值为 ))?A*-,2B溶解性 =9>值为 %%)@ )##)*-,2!平均值为 A+%*-,2"
粉碎的轮胎颗粒用作本研究中的微生物附着生长
图 * 实验室研究的复合式生物膜反应器系统 图 , 实地研究的复合式生物膜反应器系统
第 一 作 者 ! 赵 庆 良 " 男 " #$%&年 出 生 " #$$’年 哈 尔 滨 建 筑 大 学 博 士 毕 业 ( 副 教 授 (
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赵庆良 复合式生物膜反应器中生物膜的特性
载体!其形状不规则!但可近似圆形或卵圆形"经在 显 微 镜 下 对 #$个 轮 胎 颗 粒 的 观 察 测 定! 其 直 径 在 %&%#’(&$)**"按平均粒径为 %&%#** 来计算!则 比表面积为 %+((*%,*+!或每 )-颗粒所提供的表面 积 为 $#.*%"轮 胎 颗 粒 主 要 由 天 然 橡 胶 和 聚 丁 橡 胶/ 碳 黑 和 其 他 一 些 少 量 添 加 剂 所 组 成 ! 0)1 颗 粒 比 重 为 )&)%"反应器内投加 $(-,2的该颗粒时约占反应器总 容积的 )%3"
M 试验结果与讨论
%&) 附着生长生物膜量 在各复合式生物膜反应器系统投入运行以后!分
别考察在轮胎颗粒表面附着生物膜的生长状况"一般 说来!微生物从附着固定在轮胎颗粒表面到形成成熟 的 生物膜约需 %@ +个 月 的 时 间! 这 还 需 视 反 应 器 构 型/基质种类及浓度/水力剪切力的大小/微生物种 类及温度等因素而定!成熟生物膜的生物膜量及厚度 更是与上述因素息息相关"在复合式生物膜反应器系 统处理以奶粉为主配制的合成污水时!生物膜的生长 过程约需 N(O0+1!如图 +所示"两套复合式生物膜反 应 器内生物膜量的比较见表 )!其中曝 气 强度 指 的 是
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使颗粒悬浮搅拌的剪力"后者自投入运行时!反应器 内水的温度只有 )%H@)#H!此时生物膜的生长速 度 极为缓慢!待温度上升至 %(H以上时!生物膜开始 生长并逐步成熟!故成熟生物膜需时较长"有研究表 明0?1!在一用粒径为 (&+N** 的砂作为载体的曝气流
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环境污染与防治 第 cc卷 第 d期 ceee年 c月
化床生物膜反应器处理淀粉废水时!当曝气强度控制 在 "#$%&’()*+’,时!每 -砂上可以固定 ,./0.’的生物膜量!同时要取决于 123.的负荷4这些结果与 本研究中所得的结果基本一致4 ,#, 附着生长生物膜厚度
下面首先估算一下成熟生物膜的厚度4假设轮胎 颗粒为圆形且其平均粒径为 ,5!成熟生物膜的厚度为 6!生物膜密度为 7!单个颗粒表面的生物膜重为 89!则 有下式成立:
菌种不同所致"对后者!为使轮胎颗粒呈悬浮混合状 态!还在反应器内辅设一慢速桨板型搅拌装置!以使 轮 胎颗粒不至于沉底!该桨板 4)+#**XN#**7转 速为 ?(Y,*RS!则根据文献 可 0$1 计算出平均雷诺数
DZV []\%V 4?(A,&N+(N7X4)((&^)+##7%V%#$ 据 此 可 进 一 步 计 算 出 平 均 摩 擦 系 数 _0#1和 作 用 在 颗 粒 表面的平均剪切力 ‘a0N1!即
单位时间内曝气区横断面上所通过的气体流量!在图 )中指复合式生物反应器内导管断面积!而在 图 %中 则指反应器进水端曝气区的断面积"
图 P 生物膜量随时间的增长变化过程
表 Q 复合式生物膜反应器内生物膜量的比较
试验 污水 曝气强度
成熟生物膜 成熟生物膜量
环境条件
规模 类型 42,*RSK.*%7
所需时间 4O7 4*-,-7
关键词 生物膜量 生物膜厚 微生物活性 复合式生物膜反应器
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无论是生物膜量还是生物膜厚度都只能反映附着
生长微生物的生物量的多寡!而不能反映其活性!因 此需借助于其他指标来评判悬浮生长与附着生长微生
物 的 活 性4这 里 选 用 应 用 最 为 广 泛 的 比 耗 氧 速 率 >R2ST@作 为 反 映 悬 浮 生 长 的 活 性 污 泥 和 附 着 生 长 生 物 膜的活性指标4表 ,列出了在 ,.U和起始 V23浓 度 为 <""/ .""’-&%条 件 下 两 套 复 合 式 生 物 反 应 器 内附着生长成熟生物膜的 R2ST值!为便于与悬浮生 长的污泥活性进行比较!表 ,中还列出了悬浮微生物 的 R2ST值4
量!在生物膜量为 ."’-&-时对 J"个轮胎颗粒测得的 平 均 膜 厚 为 $,,K’! 比 计 算 的 结 果 ,..K’ 偏 高 P.Q 4这 种 差 异 主 要 是 来 源 于 对 轮 胎 颗 粒 进 行 的 圆 形 假设以及计算中对生物膜密度的取值!测定时生物膜 上生长有一些丝状菌也导致对厚度读数时的误差4 ,#< 附着生长生物膜活性
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及生物膜量)生物膜厚度和生物膜活性(
* 试验设施与方法
采用两种类型的复合式生物膜反应器!第一种为 内 置套筒的圆柱型 )图 #,"容积为 &-0"用于实验室 内处理人工合成污水+第二种呈长方体状"似实际应 用 的曝气池"内置隔板防止生物膜颗粒流出 )图 &,"容 积 为 $+0"用 于 实 地 处 理 啤 酒 加 工 所 产 生 的 有 机 废 水(两套复合式生物膜反应器系统中的反应器均由透 明的有机玻璃加工而成"以便于能观察到轮胎颗粒在 反应器中的流动状态(曝气采用微孔橡胶蛇管"单独 使用压缩空气或补充一定量的纯氧以保证生物反应器
除了用上述的估算法以外!本研究中还采用立体 显微镜对颗粒上的生物膜厚度进行实际测量!方法如 下:首先用放于显微镜载物台上的测微尺调校置于目 镜 中的方格状测微尺!计算每格相当于多少 ’’L然后 随机取出 )个用去离子水淋洗过的带有生物膜的轮胎 颗粒置于载玻片上!并将此载玻片放在显微镜物镜下 的载物台上L对于生物膜较薄且不均匀的生物膜轮胎 颗粒来讲!从垂直的上下左右四个方向分别测量每个 颗粒上生物膜的厚度!分别计为 MJNM,NM<和 M$!取 其 平均值作为单个颗粒上的膜 厚 6(!)个 颗 粒 上 生 物 膜的平均厚度即为 6CO6(&)4用此方法对实地的复合 式生物膜反应器中的轮胎颗粒上的生物膜进行厚度测
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赵庆良
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)香 港 科 技 大 学 土 木 结 构 工 程 系 ,
摘 要 传统的活性污泥工艺中加入废弃轮胎颗粒作为生物膜载体形成的复合式生物膜反应器 "在颗粒浓度为 -+./0时"稳定运 行 条 件 下 在 轮 胎 颗 粒 表 面 可 形 成 约 *+1./.的 生 物 膜 量"即 在 传 统 曝 气 池 的 &+++2 ’+++1./0悬 浮 生 长 污 泥 的 基 础 上"可 增 加 &+++ 1./0的附着生物膜量(此时生物膜的厚度为 &**31"其活性以比耗氧速率 )4567,表示为 -+28+1./.9:(
轮胎颗粒上附着生长的生物膜量的测定参照文
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在污水生物处理工艺中"附着生长生物膜与悬浮 生长微生物复合在一起形成的复合式生物膜反应器" 越来越发挥着不可低估的作用(本研究旨在考察一种 新型的生物膜载体 (( 废弃轮胎颗粒作为附着生长载 体时的生物膜的特性"具体研究内容包括不同构型的 复合式生物膜反应器中生物膜在载体表面的生长过程
实验 人工 室内 配水 (&()TN U6V?&(@A&( #(@N(
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反应器
实地的
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人工合成污水主要由全脂奶粉配制而成!配比为 每 2自来水中 )(((*-!再加入 %+%*-456$7%89$/ +#&%*-:6%;9$和 #((*-5<6=9+!则此合成污水 =9>的浓度约为 )(((*-,2"实地处理的啤酒加工废 水 进 入 复 合 式 生 物 反 应 器 系 统 的 =9> 值 在 )((( *-,2左 右" 试 验 期 间 测 得 的 总 =9> 为 +#?@ )A#( *-,2!平均值为 ))?A*-,2B溶解性 =9>值为 %%)@ )##)*-,2!平均值为 A+%*-,2"