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摘要 给水生物预处理系统中微生物的群落结构分析 摘要 微污染原水中的溶解性有机物与氨氮问题难以用传统的净水工艺解 决，在常规净水工艺之前增设生物预处理工艺，对给水水质的改善有十 分重要的作用。在生物预处理系统中，生物膜内的原核微生物是微污染 原水中碳元素和其他营养物质去除的主要承担者。原水中氨氮和亚硝氮 的去除由化能自养的氨氧化细菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化细菌相继完成， 其中由a o b 完成的将氨转化为亚硝酸盐的过程是硝化反应的限速步骤。 给水生物预处理反应器提供了特殊的贫营养生物膜环境，对反应器中微 生物群落及生态功能的全面认识有助于了解影响污染物降解效率和稳定 性的因素，并将为环境微生物生态学研究提供有意义的信息。 本论文综合使用多种分子生物学手段，包括核酸提取、分子克隆文 库构建、1 6 sr d n a 序列同源性分析、反转录p c r 、变性梯度凝胶电泳 ( d g g e ) 和实时荧光定量p c r 技术等，分析用于给水预处理的生物接 触氧化反应器系统中的微生物群落组成，并重点对反应器内的氨氧化细 菌群落进行研究，结合相关参数，探讨氨氧化细菌种群动态变化、环境 因子变化以及反应器氨氮去除效率间的相互关系，探索以分子手段对反 应器运行进行动态实时监测的可行性。 歹厣支鱼z 擎 s m 蝌g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y博士学位论文 对细菌1 6 sr d n a 片段克隆文库的克隆子序列同源性分析结果表明， 生物接触氧化反应器中细菌群落多样性丰富，至少包含了细菌域的1 3 个 细菌类群，其中属于仍、伊、产变形菌纲的克隆子是克隆文库中的优势细 菌类群。反应器内富集了各种贫营养细菌，属于变形菌纲的紫色非硫 细菌r h o d o b a c t e r 可能是反应器中进行有机物分解的重要细菌种群， n i t r o s p i r a 属细菌是反应器中亚硝酸盐氧化反应的承担者。经由纯培养方 法得到的细菌群落结构与克隆文库方法相比存在很大的差异。 对上海惠南水厂和航头水厂生物接触氧化反应器中生物膜样品的 a o b 群落通过不同的目标片段( 1 6 sr r n a 片段和编码氨单加氧酶活性 部位的a m o a 片段) 结合不同的实验技术路线进行分析。结果表明在进 行氨氧化细菌生态学研究时选择合适的目标片段、引物对、以及合理的 分析手段和实验流程的重要性。给水生物接触氧化反应器中的a o b 至少 由3 种种群组成：属于n i t r o s o m o n a so l i g o t r o p h al i n e a g e 的a o b 种群、 属于n i t r o s o m o n a sc o m m u n i sl i n e a g e 并与其中的n i t r o s o m o n a sn i t r o s a 同源 性较高的a o b 种群、以及一种尚未得到纯培养物的未知a o b 种群。结 合d n a 来源和r n a 来源的a o b1 6 sr r n a 和a m o a 片段扩增产物进行 的d g g e 分析结果表明在两个水厂的生物接触氧化反应器中的a o b 显 示了相同的种群结构和季节变迁特征，说明a o b 种群在给水生物预处理 反应器中遵循特定的环境变化适应机制。对基于r n a 的扩增片段进行 d g g e 指纹图谱分析能够更敏感地反映生物膜样品中a o b 的种群结构 摘要 变化。研究结果还表明同源于n i t r o s a 的a o b 对环境温度的改变较敏 感，在温度较高时显示了较高的生理活性和功能活性。 运用实时荧光定量p c r 技术对生物膜样品中总细菌和总氨氧化细菌 的1 6 sr d n a 片段进行定量分析，结果表明在生物接触氧化反应器内总 细菌和总a o b 的细胞数量在一年内的波动高达4 个数量级。总a o b 细 胞数占总细菌数的0 2 3 至1 8 。统计学分析表明生物膜内细胞数量的 这种波动与原水的温度变化相关，且生物膜内总氨氧化细菌的细胞数量 与反应器的氨氮去除效率呈正相关。 对生物接触氧化反应器内3 种a o b 种群的a m o a 基因片段进行实时 荧光定量p c r 分析，结果表明，一年内生物膜中的a o b 种群结构变化 很大，类o l i g o t r o p h a 和类n i t r o s a 氨氧化细菌在一年中交替成为反 应器的优势a o b 种群。统计学分析表明同源于mn i t r o s a 的a o b 种群 和未知a o b 种群的细胞数量变化与反应器的氨氮去除效率波动呈正相 关，且后者更加显著相关，表明未知a o b 种群很可能就是反应器内影响 氨氮去除效率的关键种群。且该种群细胞数量变化与温度变化不相关， 在1 2 月至1 月的低水温环境中该种群具有较高的竞争优势，这一研究结 果对给水生物预处理反应器在低温环境的运行优化有重要的意义。本文 还证明了实时荧光定量p c r 是一种快速有效的分子监测手段，在反应器 的运行过程中，加强对细菌群落和关键氨氧化细菌种群的监测，将帮助 预测反应器运行效果，并有根据地对反应器进行干预和调控。 i i i 岁厣支鱼天挚 s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y盟堂鱼迨銮 关键词：给水生物预处理系统，细菌群落，氨氧化细菌，分子生物学技 术，1 6 sr r n a 基因，氨单加氧酶基因 i v a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no fm i c r o b l 气lc o m m u n i t y s t r u c t u r ei nb i o f i l mr e a c t o r sf o rr a w 硝口e rp r e t r e a t m e n t a bs t r a c t b i o l o g i c a l p r e t r e a t m e n t p r o c e s s i nt h ew a t e rt r e a t m e n tt r a i nc o u l d i m p r o v et h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s e sf o rb e t t e rd i s s o l v e do r g a n i c s a n da m m o n i ar e m o v a l c o m m u n i t i e so fp r o k a r y o t i cm i c r o o r g a n i s m sp r e s e n t i nt h eb i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n tr e a c t o r sa r er e s p o n s i b l ef o rm o s to ft h ec a r b o n a n dn u t r i e n tr e m o v a lf r o mr a ww a t e ra n dt h u sr e p r e s e n tt h ec o r ec o m p o n e n t o ft h er e a c t o r s n i t r i f i c a t i o ni st h ep r o c e s so fc o n v e r t i n ga m m o n i at on i t r a t e v i an i t r i t ea n di sc a t a l y z e db ya e r o b i cc h e m o a u t o t r o p h i ca m m o n i a o x i d i z i n g b a c t e r i a ( a o 3 ) a n dn i t r i t e o x i d i z i n gb a c t e r i a a m m o n i ao x i d a t i o ni st h o u g h t t ob et h er a t e l i m i t i n gs t e pf o rn i t r i f i c a t i o ni nm o s ts y s t e m s m i c r o b i a l c o m m u n i t ys t r u c t u r ei n t h eb i o l o g i c a lw a t e rp r e t r e a t m e n tr e a c t o r sm a yb e u n i q u eb e c a u s eo ft h em u c hl o w e rs u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ni n t h ei n f l u e n t w a t e ra n dt h ed i f f e r e n to p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sc o m p a r e dt oo t h e rs y s t e m s h o w e v e r , t h em i c r o b i a lc o m m u n i t i e s ，w h i c h d i r e c t l yg o v e r n s u b s t r a t e v u t i l i z a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o c e s s ，a r ep o o r l yu n d e r s t o o d i nt h i ss t u d y , m i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e si nf u l l s c a l e a e r a t e d s u b m e r g e db i o f i l mr e a c t o r sf o rm i c r o p o l l u t e dr a ww a t e rp r e t r e a t m e n tw e r e i n v e s t i g a t e du s i n gm o l e c u l a rt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gn u c l e i ca c i d se x t r a c t i o n ， c l o n el i b r a r yc o n s t r u c t i o n ，16 sr d n as e q u e n c eh o m o l o g ya n a l y s i s ，r e v e r s e t r a n s c r i p t i o n p c r ，d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ( d g g e ) ，a n d q u a n t i t a t i v e r e a l t i m ep c r t e c h n i q u e s i n v e s t i g a t i o n s o f c o m m u n i t y c o m p o s i t i o na n dp o p u l a t i o nd y n a m i c so fa o b w e r ee m p h a s i z e dd u et ot h e p a r t i c u l a r a m m o n i ar e m o v a lr e q u i r ei nt h ep r o c e s s e s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e na o b p o p u l a t i o n s ，s p e c i f i cr e a c t o ro p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r e a c t o rp e r f o r m a n c ew a se x a m i n e d 1 6 sr r n ag e n ec l o n el i b r a r i e sr e v e a l e d1 3b a c t e r i a ld i v i s i o n si nt h e b i o f i l mr e a c t o r t h em a j o r i t yo fc l o n es e q u e n c e sw e r er e l a t e dt ot h ea l p h a 。， b e t a a n dg a m m a - p r o t e o b a c t e r i a av a r i e t y o f o l i g o t r o p h i c b a c t e r i a l s e q u e n c e sw e r ei d e n t i f i e d ，s o m es e q u e n c e sr e l a t e dt ob a c t e r i ao w n i n gh i g h p o t e n t i a l m e t a b o l i cc a p a c i t i e sw e r ed e t e c t e di nb i o f i l ms a m p l e s ，s u c ha s r h o d o b a c t e r 1 i k er r n ag e n es e q u e n c e s n i t r o s p i r a - l i k eb a c t e r i aw a sf o u n d t ob et h en i t r i t e o x i d i z i n gb a c t e r i ai nt h er e a c t o r t h e r ew a sas i g n i f i c a n t d i f f e r e n c eb e t w e e nr e s u l t so ft h eb a c t e r i a lc o m m u n i t yd i v e r s i t yg a i n e df r o m c u l t u r e d e p e n d e n ta n dc u l t u r e - i n d e p e n d e n tm e t h o d s v i a b s t r a c t a o bc o m m u n i t i e si nt h e b i o l o g i c a lw a t e rp r e t r e a t m e n tr e a c t o r so f h u i n a na n dh a n g t o uw a t e r w o r k sw e r ec h a r a c t e r i z e db ya n a l y s i so f16 s r r n ag e n ea n dt h ef u n c t i o n a lg e n ea m o a ，r e s p e c t i v e l y r e s u l t so fd i f f e r e n t i n v e s t i g a t i o n r o u t e sd e m o n s t r a t e dt h a ti ti s i m p o r t a n tt oa p p l ys u i t a b l e m o l e c u l a rm a r k e r s ，u s e f u lp r i m e r so r p r o b e sa n dr e a s o n a b l es t r a t e g i e si n i n v e s t i g a t i n gt h ee c o l o g yo fa o bi ne n v i r o n m e n t s p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s r e v e a l e da tl e a s tt h r e ea o b g r o u p si nt h eb i o f i l mr e a c t o r s ，w h i c ha f f i l i a t e d w i t ht h en i t r o s o m o n a so l i g o t r o p h al i n e a g e ，n i t r o s o m o n a sc o m m u n i sl i n e a g e ( n i t r o s o m o n a sn i t r o s a - l i k ea o b ) a n da nu n k n o w nn i t r o s o m o n a sg r o u p d g g ep r o f i l e so fb o t hm o l e c u l a rm a r k e r ss h o w e di d e n t i c a lt e m p o r a ls h i f t s o fa o bc o m m u n i t i e si nh u i n a na n dh a n g t o ub i o r e a c t o r s ，i n d i c a t i n gt h e i r i d e n t i c a l e c o l o g i c a la d a p t i o nd i r e c t i o n si nb o t hr e a c t o r s d g g ea n a l y s i s b a s e do nt h er n a a p p r o a c h e se x h i b i t e dm o r ev a r i a b l ep a t t e r n so ft e m p o r a l c h a n g e so fa o bc o m m u n i t i e st h a nt h ed n a d e r i v e da p p r o a c h e sd u r i n gt h e s t u d y ，a n dt h er n aa p p r o a c h e sw e r em o r ef u n c t i o n a lt or e f l e c tt h ed y n a m i c s a n d p h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o n so fa o bc o m m u n i t i e s t h er e s u l t s a l s o s u g g e s t e dt h a tt h ea c t i v i t yo fn n i t r o s a l i k ea o bw a sm o r es e n s i t i v et ol o w t e m p e r a t u r e t h ep o p u l a t i o ns i z e so ft o t a lb a c t e r i aa n db e t a p r o t e o b a c t e r i a la o bi n t h eb i o f i l mr e a c t o ro fh a n g t o uw a t e r w o r k sw e r eq u a n t i f i e dw i t h1 6 sr r n a v n g e n er e a l t i m ep c ra s s a y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb a c t e r i a ln u m b e rd e t e c t e d t h r o u g h o u tay e a rv a r i e ds u b s t a n t i a l l y ，b yu pt of o u ro r d e r so fm a g n i t u d e c e l ln u m b e r so fa o bc o r r e s p o n d e dt o0 2 3 1 8 o ft h et o t a lb a c t e r i a l f r a c t i o n w a t e rt e m p e r a t u r ew a ss h o w nt oh a v em a j o ri n f l u e n c eo na o b p o p u l a t i o n s i z ei nt h er e a c t o rb yt h es t a t i s t i ca n a l y s i s ，a n dap o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e na o bc e l ln u m b e r sa n da m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yw a s s u g g e s t e d b a s e do nt h eq u a n t i t a t i v er e s u l t so ft h et h r e es p e c i f i ca o bg r o u p sb y r e a l t i m ep c ra s s a y s ，ac h a n g ei nc o m p e t i t i v ed o m i n a n c eb e t w e e na o b o fn o l i g o t r o p h al i n e a g ea n d c o m m u n i sl i n e a g e w a so b s e r v e d ap o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nc e l ln u m b e r so fn c o m m u n i sl i n e a g ea n da m m o n i a r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s s u g g e s t e d a n d am o r e s i g n i f i c a n tp o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nc e l ln u m b e r so ft h eu n k n o w nn i t r o s o m o a n sg r o u pa n d a m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yw a sa l s or e v e a l e d s t a t i s t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a t v a r i a t i o no fw a t e rt e m p e r a t u r ed i dn o tc o r r e l a t et op o p u l a t i o ns i z eo ft h i s u n k n o w na o bg r o u p ，w h i c hi ss i g n i f i c a t i v ef o ro p t i m i z i n gt h ea m m o n i a r e m o v a lp e r f o r m a n c ei nt h er e a c t o ri nw i n t e r q u a n t i t a t i v er e a l t i m ep c r t e c h n i q u ew a sp r o v e dt ob eaq u i c ka n de f f e c t i v em o l e c u l a rm o n i t o rm e t h o d f o rq u a n t i f y i n gm i c r o b i a lc o m m u n i t i e si nt h er e a c t o r s ，w h i c hw i l lg i v e d i r e c t i o n sf o rf o r e c a s ta n di m p r o v e m e n to fr e a c t o rp e r f o r m a n c ei nt h ef u t u r e a b s t r a c t k e yw o r d s ：b i o l o g i c a lr a ww a t e r p r e t r e a t m e n tr e a c t o r , b a c t e r i a l c o m m u n i t y , a m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a ，m o l e c u l a rt e c h n i q u e s ，16 sr r n a g e n e ，a m o ag e n e i x 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：指导教师签名：石赢 e l 期：p f 年箩月甲日e t 期：川年厂月为日 档叭 i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：7 卵g 年箩月7 * 日 第一章绪论 1 1 给水生物预处理工艺概述 1 绪论 1 1 1 原水水质现状 我国是一个水资源匮乏的国家，虽然淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球 水资源的6 ，但由于人口众多，人均水资源占有量仅为2 3 0 0 立方米，为世界平均水 平的1 4 ，在世界排第1 1 0 位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。不同省份因水资 源特征差异和供水水源类型不同有较大差异，长江沿岸及以南省市主要以地表水为 主，而华北、西北城市则以地下水为主。尽管我国水资源紧缺，但水资源的浪费仍 十分严重。特别是由于近几十年来工业化的迅速发展，城市化规模的不断扩大，人 们在生活和生产过程中排放出来的污染物对原水水质的污染已愈演愈烈。1 9 9 7 年， 全国仅有1 2 3 个城市建成3 0 7 座不同处理等级的污水处理厂，污水处理率仅为1 3 4 ， 从而直接导致了地表水的广泛污染，使水资源匮乏的矛盾更加尖锐( 1 l 。1 9 8 9 年对全国 4 9 个环境保护重点城市主要饮用水地表水源和地下水源保护情况进行调查，结果发 现有4 8 的地表水源、2 0 的地下水源达不到饮用水标准；而1 9 9 6 年对全国2 0 4 个地 级以上城市调查结果表明，这一数字己分别上升至8 3 和2 7 i 引。 我国饮用水水源普遍存在溶解性有机物较多、n h 4 + 浓度高、藻类大量繁殖、水 体有异味和色度高等问题。通常将这些受到污染，但经过特殊工艺处理后尚可饮用 的原水称为微污染原水【3 1 。目前我国七大水系中有8 0 的水域受到污染，3 9 的水源 已不能满足地面水环境质量i i i 类标准，属于微污染水源。 1 1 2 微污染原水中污染物的危害及传统处理工艺的局限性 水源水的微污染对传统净水工艺和出水水质造成很大的影响，给人类的健康带 来了较大的危害。2 0 0 6 年，国家颁布了新的“生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 。超过该标准的饮用水将直接影响人们的日常生活和身体健康：饮用水若色度 与浊度较高，有异臭异昧和肉眼可见物如藻类、浮游生物、悬浮物、飘浮物等时， 歹声支鱼名擎 s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y 博士学位论文 会使人产生厌恶感；过量的铁和锰进入机体后可引起中毒，三价铁对粘膜具有轻度 刺激性和腐蚀性，锰中毒会引起神经衰弱综合症和植物神经功能障碍；水中细菌总 数含量高时，其中可能含有大量对人体有害的致病菌和病毒，饮用后会引起各种传 染性疾病。 水源水中的有机物大致可以分为两类：一类是包括腐殖质、微生物代谢物和动 植物废弃物在内的天然有机物；另一类是由于农业、商业或工业用途需要而产生的 人工合成有机物。其中腐殖质在地面水源中的含量很高，是水体色度产生的主要成 分，占有机物总量的6 0 - - 9 0 ，也是饮用水处理中的主要去除对象【3 1 。由于腐殖质在 天然水体中带负电荷，扩散能力强，分布范围广，是饮用水中多种消毒副产物的前 体物，因此是导致饮用水致突变活性增加的主要因素。美国e p a 水质调查发现供水 系统中有机污染物有2 1 1 0 种，饮用水中含7 6 5 种，其中1 9 0 种对人体有害，2 0 种为 确认的致癌物，2 3 种为可疑致癌物，5 6 种为致突变物1 4 1 。而我国水源水和饮用水的 研究分析结果也表明有机物种类相当大，污染问题突出【5 】。 水源水中的氮素污染主要来自生活污水和工业废水，其主要形式为有机氮和氨 氮。氨氮难以用传统的处理方法去除，在饮用水配水管网中，0 2 5 m g l 的氨氮就足 以使硝化细菌生长，硝化细菌的生长不仅会引起嗅味问题并消耗水中的溶解氧，还 会释放有机物促进异养细菌的生长【6 j 。氨氮还能在一定条件下氧化生成亚硝酸盐和硝 酸盐，硝酸盐进入人体后在人胃中还原为亚硝酸盐，后者可以与仲胺作用形成亚硝 胺，这是一种强致癌物质，主要引起食管癌、胃癌、肝癌和大肠癌等。亚硝酸盐还 能将人体血液中的低铁血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，使之失去输送氧的能力，使 人体缺氧，对婴儿的影响尤大( 蓝婴症) 。另外，氨氮还会消耗大量的氯气，降低消 毒效率，影响水中有机物的氧化效率，并可能导致生成氯化氰消毒副产物。 自2 0 世纪初，人们根据原水水质和用水对象对水质的要求而采用的饮用水净化 技术已整合形成了现在的常规净水工艺：混凝、沉淀、过滤、消毒。目前我国市政 给水处理中9 9 以上使用的是上述的传统工艺，然而面对原水水质的变化，常规的 给水处理过程已显得力不从心。混凝、沉淀工艺主要去除水中的悬浮物和胶体物质， 而对水中溶解性有机物的去除率却很低1 7 1 。且溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体 2 第一章绪论 的稳定性而使常规工艺对原水浊度的去除效果也明显下降。用增加混凝剂投量的方 式来改善处理效果，不仅使水处理成本上升，而且可能使水中金属离子增加，也不 利于居民的身体健康。地面水源中普遍存在的氨氮问题用常规处理也不能有效解决， 氨氮的去除率一般仅为1 5 左右【3 1 。目前国内大多数水厂采用折点加氯的方法来控制 出厂水中氨氮浓度，并获得必要的活性余氯，但由此产生的大量有机卤化物又导致 水质毒理学安全性下降。 对常规净水工艺进出水中的微量有机污染物的气相色谱和质谱联机分析，以及 a m e s 致突变试验结果表明i 娶9 1 ：常规工艺对水中微量有机污染物没有明显的去除效 果，水中有机物数量，尤其是毒性污染物的数量，在处理前后变化不大；预氯化产 生的卤代物在混凝沉淀及过滤处理中不能得到有效去除，反而因混凝剂的作用在处 理过程中产生了部分移码突变物前体物和碱基置换突变物前体物，使出水氯化后的 致突变活性有所增加；在氯化消毒过程中，氯与水中的有机物反应产生三卤甲烷和 其它卤化副产物，这些卤化物中有许多被推测是致癌物或是诱变剂，且在较高浓度 时有毒性。徐祥宽等人的研究发现，长期饮用氯消毒自来水比不饮用的人死于消化 和泌尿系统癌症的危险性大，并发现饮用氯消毒水与癌症死亡之间存在着统计学关 系1 1 0 】。这一发现很明显地揭示了饮用水水源污染的严重性，并暴露出传统氯消毒的 弱点。因此给水处理工艺亟待改进，从事水处理研究的专家正在不断寻求新的工艺， 例如针对当前的微污染水源而设置的各种生物预处理工艺就是其中的一种。 1 1 3 给水生物预处理工艺的引进及其特点 生物处理工艺以往总是应用于城市污水处理之中。自2 0 世纪7 0 年代以来，生 物处理工艺因其所具有的独特性质微生物能够分解有机物而受到给水工作者的 重视，被越来越广泛地用于城市给水处理，逐步成为处理微污染原水的有效手段之 一。生物处理工艺通常设置于常规净水工艺之前，借助于附着在填料上的微生物群 体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐、铁、锰等污染物质进 行初步去除1 1 。b o u w e r 等人的研究指出，生物处理最好设置在物化处理工艺的前面 作为预处理工艺，这样既可以充分发挥微生物的生物降解作用，应付各种水质变化 所带来的不利冲击，保护后续的物化处理工艺，同时生物处理所产生的微生物代谢 3 岁声芡童声挚 s 弛谢g h a ij i a ot o n gu n i v e r s y博士学位论文 产物、脱落生物膜或颗粒生物可以通过后续工艺加以控制，从而增加饮用水的生物 安全性【1 2 l 。 生物预处理在给水处理中虽不是主导工艺过程，但对水质的改善有十分重要的 作用，弥补了传统工艺的缺陷和不足。该技术可有效去除有机碳及消毒副产物的前 体物，并可大幅度地降低氨氮浓度，对铁、锰、酚、浊度、色度、嗅、味均有较好 的去除效果，费用较低，可完全代替预氯化【3 l ，因而避免了由预氯化引起的卤代有机 物的生成，这对降低出水的致突变活性、控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。 生物预处理技术既改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理更好的发挥作用， 也减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷。另外，通过可生物降解有机物的去 除，还能减少细菌在配水管网中重新滋生的可能性。 1 1 4 给水生物接触氧化工艺概述 用于处理微污染原水的生物预处理工艺主要有曝气生物滤池、生物转盘、生物 流化床、生物接触氧化池、生物活性炭滤池、膜生物反应器、生物陶粒技术、电生 物反应器等【3 1 。虽然这些工艺的池型外观、结构、填料形式及相关的工艺参数不同， 但是它们去除污染物的机理大致相同。鉴于微污染原水中污染物质浓度较低( 一般 为几m g l ) ，一般在工程中采用生物膜法的生物接触氧化工艺为多。 生物接触氧化工艺又称“淹没式生物滤池 、“接触曝气法 等，其基础结构见 图1 。给水生物接触氧化处理在2 0 世纪7 0 年代初由日本的小岛贞男博士首次提出，他 选择了蜂窝管式生物填料，以河流自净原理为基础，在东京都玉川给水水源处理中 运用了该方法。由于填料的比表面积和孔隙率较大、重量轻、脱膜容易，整体上处 理效果较好。夏季停留时间为1 0 2 0h ，b o d 去除率为7 5 9 1 ，氨氮去除率为9 7 1 0 0 ；冬季停留时间为2 0 3 0h ，b o d 去除率为6 4 7 9 ，氨氮去除率为5 0 一 7 0 【1 3 l 。 给水生物接触氧化工艺的技术实质是在反应器内充填人工合成的填料，经过充 氧的水以一定的速度流经填料，通过填料上形成的微生物群体的絮凝吸附和新陈代 谢作用使原水中的污染物质得到转化和降解【1 3 】。这个过程的本质是水体天然净化的 人工化，通过微生物的好氧降解，去除包括腐殖质在内的可生物降解有机物及n h 4 + 、 4 第一章绪论 图1 生物接触氧化反应器结构示意图 f i g u r e ls k e t c hm a po ft h ec o n s t r u c t i o no fa na e r a t e ds u b m e r g e db i o f d mr e a c t o r n 0 2 一等污染物。当含有基质的原水通过填料时，水中的微生物吸收其中的营养物质， 在填料表面繁殖。经过一段时间后，填料表面就形成了具有大量微生物群体的粘液 状膜，亦称生物膜。生物膜主要由微生物细胞和这些细胞产生的胞外多聚物组成， 它们是一些亲水性物质，另外生物膜表面是一种凹凸不平的结构，因此在生物膜表 面始终有着一层薄薄的附着水层1 1 4 j 。当水流经生物膜时，有机物和无机物养料通过 附着水层渗透到生物膜表面，被不断地吸附利用并得以降解。由于微生物群落的多 样性，甚至一些结构复杂的有机物经过数个食物链也能被降解。同时由于是好氧的 生化降解过程，氧气也不断地通过液相扩散到生物膜表面，代谢产物如水、二氧化 碳、硝化产物等不断地由生物膜向液相输出。一般认为，给水生物接触氧化反应器 中的生物膜只有好氧层。 生物接触氧化工艺是介于活性污泥法与生物过滤之间的处理方法，具有这两种 处理方法的优点，处理能力大，对冲击负荷有较强的适应性，污泥生成量少。该工 艺中生长在载体上的生物膜不仅具有很大的表面积，能够大量吸附水中的有机污染 物，而且具有很强的氧化能力，在进水有机物浓度较低时，能在很短的时间内将水 中有机物吸附下来，一部分氧化分解，一部分转变成细胞物质，达到细胞的增殖。 生物接触氧化反应器中的生物相很丰富，除细菌、丝状菌外，还繁殖着多种种属的 原生动物和后生动物以及一些肉眼可以看见的蠕虫、昆虫的幼虫等，这些生物种类 以食物链的形式相互制约，相互影响，形成一个有机的、动态的生物群落【1 4 】。 5 岁厣爻鱼名警s h a n g 删j l t o n g u n i v e r s i t y 博士学位论文 生物接触氧化工艺的主要缺点是老化脱落的生物膜会在反应器底部形成积泥， 当反应器较浅时，底部积泥将对原水处理效果产生明显的影响，导致反应器中亚硝 酸盐的积累，甚至产生厌氧腐化作用并滋生昆虫，影响出水水质。某些类型的填料 易引起堵塞，在反应器流态不够合理的情况下，通常发现部分填料上生物膜过厚， 甚至产生积泥现象，这将严重影响污染物的氧气传质过程和生物膜活性，使出水水 质达不到理想效果1 3 l 。另外，给水生物接触氧化工艺还存在运行效果影响因素多、操 作管理难以规范、随意性大、低温运行尤为不利和工艺机理的研究不充分等局限性。 1 2 给水生物预处理工艺中的硝化过程 前已述及，原水中过量的氨氮和亚硝酸盐会影响饮用水出水质量并可能对居民 健康产生严重的危害。国家对饮用水中氨氮含量的控制日益严格，要求出水的氨氮 浓度和亚硝酸盐浓度分别不超过0 5 m g l 1 5 l 。而事实上微污染原水中的氨氮浓度通常 在2 m g l 左右，有时甚至高达6 m g l r 3 1 。因此，氨氮和亚硝酸盐的去除是给水生物预 处理过程中的一个重要目的，利用反应器中微生物的硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 是达到 此目的的经济有效的方法【1 6 l 。硝化作用是化能无机自养细菌将氨氧化为硝酸盐的过 程，它包括了由两类不同细菌承担的两步反应：n h 4 + 在好氧条件下被自养氨氧化细 菌( a u t o t r o p h i ca m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i a ，a o b ) 氧化成n 0 2 一，n 0 2 一进而被亚硝 酸盐氧化细菌( n i t r i t eo x i d i z i n g - b a c t e r i a ，n o b ) 氧化为n 0 3 一【1 7 1 ： ( a ) 2 n h 4 + + 3 0 2 一2 n 0 2 一+ 2 h 2 0 + 4 h + ： ( b ) 2 n 0 2 一+ 0 2 _ 2 n 0 3 一： 其中由氨氧化细菌参与的将n h 4 + 氧化为n 0 2 - 的反应是硝化作用的限速步骤。氨氧 化细菌和亚硝酸盐氧化细菌统称为硝化细菌，由于硝化细菌属于自养细菌，它们的 世代期长，需要在反应器中有较长的停留时间，并对多种外界环境条件变化( 如温 度变化、p h 变化等) 敏感，原水中也可能存在各种抑制硝化细菌活性的污染物，随 时可能影响反应的进行【1 7 1 。因此，许多给水生物预处理系统的实际运行结果表明， 氨氮脱除的效果往往很不稳定，与原设计要求存在一定的差距【3 1 。 温度对硝化细菌的生长速率和硝化速率都有较大影响，大部分硝化细菌的适合 6 第一章绪论 生长温度为1 5 3 5 。当环境温度大于2 0 时，硝化细菌的活性较高；但超过3 8 。c 时，硝化作用将完全停止；当小于2 0 。c 时，氨的氧化会受到影响；在1 0 3 5 之间， 温度每升高1 0 c ，硝化速率可提高3 倍1 1 8 1 。适宜氨氧化细菌生长的p h 值一般为7 0 - - 8 5 ，亚硝酸盐氧化细菌为6 0 7 5 1 1 9 l 。水体中溶解氧浓度的高低将影响到好氧、 厌氧微生物的比例及硝化细菌的活性，在生物处理系统中，溶解氧浓度低于0 5 m g l 时硝化作用将明显减弱【2 0 】。另外，在工艺处理中还应保持一定的水力停留时间和适 合的c n 比，这些参数均对硝化细菌在反应器中的丰度有影响。 1 3 给水生物预处理工艺中的生物相 1 3 1 贫营养环境及其中的微生物 贫营养环境是指环境中有机营养物质缺乏，特别是溶解性有机物浓度很低。这 样的环境中