比較不同的粒狀固體作為生物膜載體

1、比較不同的粒狀固體作為生物膜載體Szilvia Tarjányi-Szikoraa, József Oláh a, Magdolna Makó a, György Palkó a, Katalin Barkácsb, Gyula Zárayb布達(dá)佩斯污水廠有限公司，AsztalosS·U4，H-1087布達(dá)佩斯，匈牙利合作研究羅蘭大學(xué)中心環(huán)境科學(xué)，Pázmány Péter sétány/A，H-1117布達(dá)佩斯，匈牙利文章歷史：收錄至2011年12月20

2、日在修訂后的表格2012年3月28日收到接受2012年5月25日可在線2012年6月6日關(guān)鍵詞：好氧污水處理 生物膜 支架 脫氫酶活性 脫氮除磷摘要：檢測(cè)城市污水中生長(zhǎng)在三個(gè)不同的載體（Biolite，Perl的和沸石）的生物膜，其生化特性如脫氫酶活性（DHA）并對(duì)脫氮除磷效率進(jìn)行了研究。人工載體Biolite和Perl從陶瓷和玻璃廢棄物中產(chǎn)生，分別對(duì)載體的物理化學(xué)性質(zhì)，如比表面積，組合物，亞甲基藍(lán)和蛋白質(zhì)的吸附能力進(jìn)行了測(cè)定。根據(jù)DHA的值，確定每個(gè)載體有兩種不同的定植時(shí)期。在第一個(gè)45天，DHA的值分別為0.1和0.9毫克TPF/克干燥載體，并與化學(xué)氧氣一起變化需求和入流的廢水的總凱氏氮比

3、。在此期間，對(duì)生物膜Biolite擁有比那些生長(zhǎng)在Perl和沸石更強(qiáng)的脫氫酶的活性。第45天之后，所述DHA的值增加，分別為約3倍以上的每個(gè)載體上。在這兩個(gè)時(shí)期的定植，在人工載體上生長(zhǎng)的生物膜的DHA值比沸石的高。在市政污水處理實(shí)驗(yàn)比較生物膜載體和活性污泥總有機(jī)碳總量（TOC）總氮（TN），總磷（TP）的去除率。生長(zhǎng)在人工載體生物膜的情況下更有效的去除營(yíng)養(yǎng)物。Perl載體上的生物膜很成功地去除有機(jī)物的。由于活性硝化過(guò)程活性污泥有最高的總碳和NH4+-N去除率，而比起活性污泥法，生物膜有更有效的總氮和總磷去除率。由于氧擴(kuò)散進(jìn)入生物膜層被限制為約40微米，在一些研究，可以同時(shí)發(fā)生氧和厭氧轉(zhuǎn)化過(guò)程，

4、這意味著反硝化和硝化可以存在于同一時(shí)間，與此同時(shí)在情況下的活性污泥的需氧轉(zhuǎn)化過(guò)程是主要的。之間的生物膜載體上的DHA和TN去除數(shù)據(jù)表明在廢水處理技術(shù)中人工載體是比天然沸石更有前途。© 2012愛思唯爾B.V.保留所有權(quán)利。1簡(jiǎn)介如今，生物膜被用于許多廢水處理技術(shù)，作為生物膜系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)超過(guò)傳統(tǒng)活性污泥法。高生物量濃度，好的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物去除效率，耐水質(zhì)波動(dòng)（溫度，pH值，和有毒化合物），操作靈活，和較低的剩余污泥產(chǎn)量是生物膜系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)1 。生物膜是微生物群落，細(xì)菌，真菌和原蟲生活在一起的固體表面。微生物產(chǎn)生胞聚合物（EPS），對(duì)于穩(wěn)定和基板處的細(xì)菌有責(zé)任。EPS的主要成分（多糖

5、，蛋白質(zhì)的主要成分，核酸和脂質(zhì)）決定了生物膜的許多重要性質(zhì)如密度，孔隙率，擴(kuò)散率，強(qiáng)度，彈性和代謝活性2。該EPS可以吸附和累積無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物，如重金屬3，多環(huán)芳烴，氯酚和農(nóng)藥4。在過(guò)去的二十年中，大量的微觀分析技術(shù)用于表征生物膜結(jié)構(gòu)開發(fā)5。最傳統(tǒng)的技術(shù)是電鏡，但使用的傳輸電子顯微鏡（TEM）或掃描電子顯微鏡（SEM）觀察生物膜形態(tài)和性情，也可以研究。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）也已被許多研究人員生產(chǎn)生物膜的3D照片。這些方法是非常有用的和提供信息的，但它的缺點(diǎn)是對(duì)一個(gè)小廢水的實(shí)驗(yàn)室過(guò)于昂貴。一些生化方法（酶的活性測(cè)試）也已經(jīng)經(jīng)常有效的應(yīng)用于研究生物膜。生物有機(jī)化合物的氧化是由許多不同的

6、細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞特異性的脫氫酶介導(dǎo)的脫氫工藝。所有活的微生物具有脫氫酶活性（DHA）;因此推測(cè)，DHA反映微生物活性。DHA的確定是基于氧化還原敏感的四唑鎓指標(biāo)的反應(yīng)。各種化學(xué)化合物應(yīng)用于此目的：三苯基四氮唑氯（TTC）6，2-（對(duì)-碘苯基）-3-（對(duì)硝基苯基）-5-苯基四唑鎓氯化物（INT）7或5-氰基2,3-二甲苯基四氮唑氯（CTC）8。這些四唑化合物是無(wú)色的，還原后它們被轉(zhuǎn)化成不溶于水的紅色著色單堿，可以通過(guò)分光光度法進(jìn)行量化。脫氫酶活性試驗(yàn)用于活細(xì)胞的活性測(cè)定，因?yàn)樗撵`敏度和簡(jiǎn)單所以是廣泛使用的生化方法之一。有許多關(guān)于脫氫酶定量在土壤中的活動(dòng)和沉積物的出版物9-12，在好氧活性污泥13-

7、15，以及在厭氧污泥16,17。不同的天然以及人造的固體物質(zhì)可被用作生物膜載體。天然的載體是如石頭，河岸的部分河流植物，人工載體大多是諸如聚乙烯的聚合物，聚丙烯或聚氨酯。表征生物膜載體中，最重要的媒體特性如密度，耐久性，具體表面積，表面粗糙度和孔隙率，床空隙的百分比空間和吸附性能等主要測(cè)試的。細(xì)菌的表面電荷通常是負(fù)的，因此，如果一個(gè)較高量的正電荷的亞甲藍(lán)吸附載體，可以預(yù)期有更少的細(xì)菌的附著。蛋白質(zhì)是EPS的一部分，因此，如果有更多的蛋白質(zhì)由載體為界，更多的細(xì)菌也可被吸附在其上18。雖然生物膜的結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它是更常見的確定-作為最簡(jiǎn)單的方法以研究生物膜定植于不同載體-總生物膜的量。

8、很多眾所周知的物理（質(zhì)量，密度，厚度）和物理化學(xué)（TOC和COD）參數(shù)也適用于定義19。水相的一些物理化學(xué)性質(zhì)，例如基材的質(zhì)量和濃度，也可能影響生物膜的結(jié)構(gòu)。薩繆爾森和Kirchman20對(duì)固體表面特性，吸附有機(jī)物，附著細(xì)菌生長(zhǎng)之間的關(guān)系進(jìn)行了檢查，采用聚乙烯和硼硅玻璃作為生物膜載體。假單胞菌應(yīng)變S9被用作測(cè)試生物體，施加的蛋白是存在于所有自養(yǎng)生物的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RuBPCase）。未經(jīng)RuBP羧化酶對(duì)疏水聚乙烯表面更高的細(xì)胞數(shù)進(jìn)行定量，但是當(dāng)表面被涂覆有RuBP羧化酶，親水性的玻璃表面會(huì)附著更多的細(xì)胞，并且隨著生物量生長(zhǎng)速率上升而增加吸附的蛋白質(zhì)的量。對(duì)載體的研究，其附著生物

9、量在參數(shù)值表征廢水的凈化狀態(tài)的影響往往是確定的。因此，進(jìn)行了量化的生物膜的情況下碳，氮和磷的去除率，對(duì)七個(gè)不同載體由Nacheva等人1使用連續(xù)下流式反應(yīng)器，采用不同的有機(jī)（0.8-6.0gCOD米-2D-1）和氮?dú)庳?fù)荷（NH4+-N：0.17-1.28GM-2D-1，TN：0.21-1.55GM-2D-1），以及作為溶解氧濃度（2-5毫克/升）。被測(cè)材料是陶瓷球體，粉碎tezontle ，谷物低和高密度的聚乙烯，聚乙烯膠帶，聚丙烯和立方體聚氨酯。最好的COD去除率在聚乙烯反應(yīng)器載體，在更高的負(fù)荷下，最佳的氮和磷的去除是填充有聚氨酯的反應(yīng)器得到（75，分別為50和67）。不同尺寸的聚氨酯海綿在

10、用作生物膜載體通過(guò)Nguyen等人進(jìn)行了成功的應(yīng)用21。反應(yīng)器也在厭氧、好氧條件下的操作過(guò)。在一個(gè)中型海綿和在有氧條件的情況下生物質(zhì)的生長(zhǎng)和污染物的去除效率最好，（因此>90的TOC，95的COD，65總氮和總磷減少90達(dá)到下除去率顯著改善）。本研究的目的是調(diào)查一種天然和兩種不同的人造無(wú)機(jī)材料作為生物膜的載體。對(duì)一些物理化學(xué)性質(zhì)，如比表面積，組合物，亞甲基藍(lán)和蛋白質(zhì)的吸附能力進(jìn)行了比較。定植時(shí)的細(xì)菌，對(duì)生物膜脫氫酶的酶活性和生物膜活性與廢水的化學(xué)成分的相關(guān)性進(jìn)行研究。比較營(yíng)養(yǎng)去除批實(shí)驗(yàn)確定了用了生物膜法的城市污水中碳，氮，磷的去除效率與不同的載體和活性污泥相關(guān)。表1 城市污水一級(jí)處理后的

11、特征參數(shù)（N=5）參數(shù)市政污水TOC（毫克/升）41.8 ±3.7TC（毫克/升）128.4±3.7TN（毫克/升）31.9±1.9NH4+-N（毫克/升）30.0± 1.2TP（毫克/升）3.1±0.2PO43-P (mg/L)3.0±0.1N：樣本數(shù)。2.材料與方法2.1 化學(xué)制品 牛血清白蛋白（BSA），三苯基四氮唑氯（TTC），triphenil-甲（TPF）和丁醇（默克公司，德國(guó)），亞甲基藍(lán)（MB），乙酸鈉，亞硫酸鈉，氯化銨，KH2PO4，K2HPO4和磷酸氫二鈉·7H2O（Reanal私人有限公司，匈牙利）的應(yīng)用

12、。所有化學(xué)試劑均為分析純?cè)噭?.2 生物膜載體的物理化學(xué)性質(zhì) 一個(gè)自然和人工的載體進(jìn)行了調(diào)查。天然生物膜載體是沸石MáD開采（匈牙利）。一個(gè)人工載體，命名為Perl為實(shí)驗(yàn)材料，用廢玻璃，粘土，珍珠巖，木屑，石灰和膨潤(rùn)土（geofil公司，匈牙利）。作為對(duì)照的載體，挪威陶瓷生物膜載體， 選擇了Biolite，用在南布達(dá)佩斯廢水處理工廠。生物膜定植前，這些載體的一些物理化學(xué)性質(zhì)如化學(xué)組成，比表面積，蛋白質(zhì)和亞甲藍(lán)吸附量進(jìn)行了測(cè)定。在105干燥條件下測(cè)量載體樣品。2.2.1 生物膜載體的化學(xué)組成元素組成由X射線熒光光譜法測(cè)量，同時(shí)有研磨和載體材料同質(zhì)化。由ARL8410型X射線熒光設(shè)備（

13、Fisons儀器，美國(guó)）測(cè)量濃度，使用外部校準(zhǔn)的同質(zhì)化。2.2.2 載體的比表面積載體的比表面積在27攝氏度和8帕的水蒸汽下吸附進(jìn)行定量微量法。表2 三個(gè)生物膜載波元素組成載體組成沸石35.5% Si; 6.7% Al; 4.5% K; 1.7% Ca; 1.1% Na; 0.9% Fe;<0.1%:Mg,Ti, Mn, Rb, Zr, Ce, P, Pb, Y, Nd, Cr, As, Th,Zn, Sr, S, Sm, GaBiolite27.4%Si;9.6%Al;6.2%Fe;3.5%K;2.1%Mg;1.8%Ca;1.7%Na;0.6%Ti;0.1%Mn;0.1%S;0.1%P

14、;<0.1%:Ba,Sr,V,Cr,Zr,Co,Rb,Ce,Zn,Er,Sm,Pb,Cu,Y,As,Cl,Ga,NbPerl6.9% Si; 10.3% Al; 8.9% Na; 3.1% Ca; 1.6% Mg; 1.3% K;0.7% Fe; 0.3% Ti; 0.1% Fe;<0.1%: P, Cl, V, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ga, As, Br, Rb, Sr, Y,Zr, Cd, Sb, Ba, W, Ir, Pt, Au, Pb圖1.亞甲藍(lán)吸附三個(gè)生物膜的載體，初始MB的濃度的能力：1毫克/升（白）;3毫克/升（格子）;5毫克/升（內(nèi)襯）;7毫克/

15、升（波浪）;和10毫克/升（灰色）。2.2.3 載體的吸附能力通過(guò)分光光度法測(cè)定亞甲基藍(lán)（MB）和吸附蛋白質(zhì)（BSA）。載體放入含亞甲基藍(lán)濃度為1；3；5；7；10毫克/升的溶液或牛血清白蛋白（100；200；400；800；1000毫克/升）并振蕩1小時(shí)。在吸附過(guò)程后，用分光光度計(jì)在660 nm處測(cè)定MB或BSA液相含量（HACH DR /2000，美國(guó)）22-24。一克干載體吸附MB量或BSA與的計(jì)算為：其中Q是吸附MB或BSA（mg/g），CI是溶液中的MB或BSA的初始濃度（毫克/升）CF是溶液中的MB或BSA的最終濃度（毫克/升），V是溶液的體積（L），W是載體的干重。2.3 生物膜

16、定植生物膜在定植于布達(dá)佩斯污水廠有限公司的一個(gè)活性污泥罐（布達(dá)佩斯，匈牙利）。三種不同的載波放入塑料樣品架，置于水面以下至少30公分。定植實(shí)驗(yàn)過(guò)程中活性污泥的濃度變化介于2.0和2.5克/升TSS（總懸浮固體）。每周兩次取樣，為消除非粘附的細(xì)菌在采樣后立即用自來(lái)水沖洗，并運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室中的冷凍袋以阻止微生物構(gòu)建和降解過(guò)程。2.3.1脫氫酶活性在97天之久的實(shí)驗(yàn)中，脫氫酶活性每周測(cè)量?jī)纱?。為了生物膜法?duì)適用于活性污泥的DHA測(cè)量方法進(jìn)行了優(yōu)化。因此，每解析一克測(cè)定樣品，將其放入玻璃錐形燒瓶中，將以下的溶液中加入：18毫升磷酸鹽緩沖液，12毫升為100g/L乙酸鈉，3毫升3.6克/L的亞硫酸鈉和6毫

17、升4克/L的TTC的溶液。加入所有試劑，將樣品在4下冷藏24h。以前的實(shí)驗(yàn)為了確認(rèn)該TTC可能擴(kuò)散到的整個(gè)厚度生物膜層。測(cè)定未經(jīng)處理和分別經(jīng)過(guò)16、24、48h冷凍所提取的TPF量。介于16小時(shí)和24小時(shí)之間可萃取TPF的量增加了32，24小時(shí)后制冷并沒(méi)有發(fā)生任何變化。根據(jù)結(jié)果這些以前的實(shí)驗(yàn)中，TTC擴(kuò)散到生物膜層的整個(gè)厚度需要24小時(shí)，并為給定樣品以這種方式產(chǎn)生有較小的變異系數(shù)的更可靠的數(shù)據(jù)。1天后，將樣品在37下培養(yǎng)2小時(shí)，然后用5ml丁醇缽提取污泥。正丁醇在一個(gè)玻璃燒瓶中收集、提取，重復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到一種無(wú)色溶劑相。然后TPF濃度通過(guò)分光光度計(jì)在485納米測(cè)量。該數(shù)據(jù)與1.0克干燥載體和表

18、示為TPF毫克/g的載體相關(guān)。圖2 三種生物膜的載體，初始的BSA濃度2.蛋白質(zhì)吸附容量：100毫克/升（白）;200毫克/升（檢查）;400毫克/升（內(nèi)襯）;800毫克/升（波狀）;為1000mg/L的（灰色）。2.4 脫氮除磷實(shí)驗(yàn)在規(guī)模為1L容積的實(shí)驗(yàn)室完成間歇實(shí)驗(yàn)。初級(jí)處理后的廢水被用來(lái)確定的碳，氮和磷的去除率。也測(cè)試了作為對(duì)照的微生物群落活性污泥。選擇了0.8克TSS/L的活性污泥，等同于研究生物膜的質(zhì)量濃度?？刂聘街?2周齡的載體生物膜量（接近50g濕重保證在每種情況下相同的生物膜量）在1-1L污水中連續(xù)曝氣。1，2，3，4和24小時(shí)后對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)分析。測(cè)得的參數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法的所述

19、處方確定（APHA，AWWA，WEF;第21版，2005）。這些調(diào)查的城市污水的特征參數(shù)列于表1。圖3 進(jìn)行DHA實(shí)驗(yàn)的在第四天（三生物膜載體：沸石，B：BIOLITE，C：Perl）和第九十七天（D：沸石，E：BIOLITE，F(xiàn)：Perl）3.結(jié)果與討論3.1 生物膜載體的物理化學(xué)性質(zhì)沸石和Biolite 的粒徑是相同的：2-5毫米，而Perl的載體是12-15毫米。沸石、Perl的和Biolite 載體的比表面積分別是55.29，13.71和10.61平方米/克。載體的元素組成列于表2。Perl的最顯著不同的特征是堿金屬濃度。Perl的鉀和鈉濃度總和是其他兩種載體的約兩倍高，鉀和鈉總和可以

20、影響表面性能，例如表面電荷密度。3.1.1 吸附能力測(cè)試研究了三個(gè)生物膜載體的亞甲基藍(lán)與牛血清白蛋白的吸附能力。圖1表示載體的亞甲基藍(lán)吸附量?？梢钥闯?，在1-10毫克/升的濃度范圍內(nèi)，沸石吸附了最高數(shù)量的亞甲基藍(lán)（0.008-0.102毫克/克載體），而Biolite和Perl吸附較少，吸附的亞甲基藍(lán)的幾乎同量（0.006-0.033和0.006-0.035毫克/克載體）。在100-1000毫克/升的濃度范圍內(nèi)的BSA溶液確定蛋白質(zhì)吸附能力。觀察不同載體粘附的BSA的量無(wú)顯著差異。沸石，Biolite和Perl分別吸附以下數(shù)量：0.39-0.71;0.31-1.60和0.76-1.45毫克BS

21、A/g載體（圖2）。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，在定植過(guò)程預(yù)期無(wú)抑制作用，所有的載體都適合于附著生物膜。3.2 生物膜定植97天的實(shí)驗(yàn)期間，一周兩次測(cè)定載體表面的脫氫酶活性值。在最初的4天是由DHA檢測(cè)到所有載體表面的生物膜的載體（圖3A，B，C）。97天之后，最終所有的實(shí)驗(yàn)載體完全被生物膜覆蓋（圖3D，E，F(xiàn)）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，生物膜內(nèi)的黑色部分是每第四或第五周觀察。它顯然是一種厭氧層，周期性地脫落，然后生長(zhǎng)一新的生物膜層。結(jié)果表明，脫離生物進(jìn)化是一個(gè)循環(huán)過(guò)程中圖5。這些黑色的層，如圖4所示。圖4。在沸石載體上的黑色層（a：42天后，b：后70天）。通過(guò)立體顯微鏡對(duì)載體的生物膜進(jìn)行了研究。在97天的實(shí)驗(yàn)后拍

22、攝立體照片。在沸石和BIOLITE限制擴(kuò)散的情況下，內(nèi)部的細(xì)菌的吸附是不可行的，而在Perl載體的內(nèi)部，大小為0.5-1毫米毛孔，是由于微生物的潛在作用。盡管實(shí)驗(yàn)中生物膜上的氧氣和底物濃度嚴(yán)重影響了細(xì)菌被而無(wú)法達(dá)到載體的內(nèi)孔，所以在所有載體的表面上有生物膜生長(zhǎng)，清楚地示于圖5。脫氫酶的活性值（TPF毫克/g載體）顯示于圖6。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，不同的載體上生長(zhǎng)的生物膜樣本的微生物活性的相對(duì)水平可以遵循。根據(jù)該活性值，可以區(qū)分兩個(gè)時(shí)期。在過(guò)去第一個(gè)45天生物膜定植期，三者的生物膜的DHA值的差異是非常小。直到第35天生長(zhǎng)在Biolite生物膜上的活性最高，Perl的較低，除了三個(gè)樣本數(shù)據(jù)，沸石上

23、脫氫酶的酶活性最低。在這期間脫氫酶酶的活性值介于0.1和0.9mgTPF/g載體之間。這些活性值比在4697天測(cè)得的低得多（0.14.1毫克TPFg載體）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是關(guān)于兩段定植時(shí)間得到關(guān)于進(jìn)行在不同載體上的生物膜的微生物的生命周期的細(xì)節(jié)。這些檢查過(guò)程中實(shí)施了45-97天。在兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)期間產(chǎn)生的DHA平均數(shù)據(jù)如表3所示。 圖5載體的立體照片，在第九十七天的實(shí)驗(yàn)后DHA測(cè)試（a：沸石，b：BIOLITE，c：Perl）。表3 在兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)期間產(chǎn)生的DHA平均數(shù)據(jù)載體I.時(shí)期（1-45天）mgTPF/g載體II.時(shí)期（46-97天）mgTPF/g載體沸石026082Biolite04414

24、0Perl 041149圖6 97天內(nèi)三種載體的生物膜脫氫酶酶活性（X：沸石；：BIOLITE；：Perl）。圖7 在Biolite上的脫氫酶活性變化和實(shí)驗(yàn)中的COD/TKN（X：COD/TKN;：DHA）脫氫酶活性經(jīng)歷了一些周期性變化（圖6）。這些活動(dòng)數(shù)據(jù)與處理過(guò)的廢水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度進(jìn)行比較，人們發(fā)現(xiàn)，在最初的定植期間脫氫酶與COD/TKN比一起變化（TKN：總凱氏氮）。對(duì)于Biolite 載體這些數(shù)據(jù)（具有相關(guān)性的0.745系數(shù)）在圖7中顯示。后來(lái)，當(dāng)生物膜完全成熟，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有連貫性?；钚灾岛拖惹罢故镜纳锬ふ掌M(jìn)行了比較，并可以觀察到的情況下，當(dāng)一黑色層覆蓋了載體，脫氫酶活性迅速下降。3.3 脫氮除磷批量測(cè)試批量實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了在城市污水中的碳，氮和除磷效率，并比較了24小時(shí)曝氣后在不同載體的生物膜和活性污泥中的這些去除效率。結(jié)果總結(jié)在表4中，強(qiáng)調(diào)了這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生相對(duì)較低的生物量濃度。Perl載體生物膜的TOC和TN的去除效率最高（56.7%；30.5%），在活性污泥的TC的去除率最高（41%）。沸石的TP和PO43-P的去除效率