比较不同的粒状固体作为生物膜载体

1、.比较不同的粒状固体作为生物膜载体Szilvia Tarjányi-Szikoraa, József Oláh a, Magdolna Makó a, György Palkó a, Katalin Barkácsb, Gyula Zárayb布达佩斯污水厂有限公司，AsztalosS·U4，H-1087布达佩斯，匈牙利合作研究罗兰大学中心环境科学，Pázmány Péter sétány/A，H-1117布达佩斯，匈牙利文章历史：收录至2011年12月2

2、0日在修订后的表格2012年3月28日收到接受2012年5月25日可在线2012年6月6日关键词：好氧污水处理 生物膜 支架 脱氢酶活性 脱氮除磷摘要：检测城市污水中生长在三个不同的载体（Biolite，Perl的和沸石）的生物膜，其生化特性如脱氢酶活性（DHA）并对脱氮除磷效率进行了研究。人工载体Biolite和Perl从陶瓷和玻璃废弃物中产生，分别对载体的物理化学性质，如比表面积，组合物，亚甲基蓝和蛋白质的吸附能力进行了测定。根据DHA的值，确定每个载体有两种不同的定植时期。在第一个45天，DHA的值分别为0.1和0.9毫克TPF/克干燥载体，并与化学氧气一起变化需求和入流的废水的总凯氏氮

3、比。在此期间，对生物膜Biolite拥有比那些生长在Perl和沸石更强的脱氢酶的活性。第45天之后，所述DHA的值增加，分别为约3倍以上的每个载体上。在这两个时期的定植，在人工载体上生长的生物膜的DHA值比沸石的高。在市政污水处理实验比较生物膜载体和活性污泥总有机碳总量（TOC）总氮（TN），总磷（TP）的去除率。生长在人工载体生物膜的情况下更有效的去除营养物。Perl载体上的生物膜很成功地去除有机物的。由于活性硝化过程活性污泥有最高的总碳和NH4+-N去除率，而比起活性污泥法，生物膜有更有效的总氮和总磷去除率。由于氧扩散进入生物膜层被限制为约40微米，在一些研究，可以同时发生氧和厌氧转化过程

4、，这意味着反硝化和硝化可以存在于同一时间，与此同时在情况下的活性污泥的需氧转化过程是主要的。之间的生物膜载体上的DHA和TN去除数据表明在废水处理技术中人工载体是比天然沸石更有前途。© 2012爱思唯尔B.V.保留所有权利。1简介如今，生物膜被用于许多废水处理技术，作为生物膜系统有许多优点超过传统活性污泥法。高生物量浓度，好的有机物和营养物去除效率，耐水质波动（温度，pH值，和有毒化合物），操作灵活，和较低的剩余污泥产量是生物膜系统的一些优点1 。生物膜是微生物群落，细菌，真菌和原虫生活在一起的固体表面。微生物产生胞聚合物（EPS），对于稳定和基板处的细菌有责任。EPS的主要成分（多

5、糖，蛋白质的主要成分，核酸和脂质）决定了生物膜的许多重要性质如密度，孔隙率，扩散率，强度，弹性和代谢活性2。该EPS可以吸附和累积无机和有机化合物，如重金属3，多环芳烃，氯酚和农药4。在过去的二十年中，大量的微观分析技术用于表征生物膜结构开发5。最传统的技术是电镜，但使用的传输电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）观察生物膜形态和性情，也可以研究。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）也已被许多研究人员生产生物膜的3D照片。这些方法是非常有用的和提供信息的，但它的缺点是对一个小废水的实验室过于昂贵。一些生化方法（酶的活性测试）也已经经常有效的应用于研究生物膜。生物有机化合物的氧化是由许多不同

6、的细胞内和细胞特异性的脱氢酶介导的脱氢工艺。所有活的微生物具有脱氢酶活性（DHA）;因此推测，DHA反映微生物活性。DHA的确定是基于氧化还原敏感的四唑鎓指标的反应。各种化学化合物应用于此目的：三苯基四氮唑氯（TTC）6，2-（对-碘苯基）-3-（对硝基苯基）-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。这些四唑化合物是无色的，还原后它们被转化成不溶于水的红色着色单碱，可以通过分光光度法进行量化。脱氢酶活性试验用于活细胞的活性测定，因为它的灵敏度和简单所以是广泛使用的生化方法之一。有许多关于脱氢酶定量在土壤中的活动和沉积物的出版物9-12，在好氧活性污泥13

7、-15，以及在厌氧污泥16,17。不同的天然以及人造的固体物质可被用作生物膜载体。天然的载体是如石头，河岸的部分河流植物，人工载体大多是诸如聚乙烯的聚合物，聚丙烯或聚氨酯。表征生物膜载体中，最重要的媒体特性如密度，耐久性，具体表面积，表面粗糙度和孔隙率，床空隙的百分比空间和吸附性能等主要测试的。细菌的表面电荷通常是负的，因此，如果一个较高量的正电荷的亚甲蓝吸附载体，可以预期有更少的细菌的附着。蛋白质是EPS的一部分，因此，如果有更多的蛋白质由载体为界，更多的细菌也可被吸附在其上18。虽然生物膜的结构是一个非常重要的参数，它是更常见的确定-作为最简单的方法以研究生物膜定植于不同载体-总生物膜的量

8、。很多众所周知的物理（质量，密度，厚度）和物理化学（TOC和COD）参数也适用于定义19。水相的一些物理化学性质，例如基材的质量和浓度，也可能影响生物膜的结构。萨缪尔森和Kirchman20对固体表面特性，吸附有机物，附着细菌生长之间的关系进行了检查，采用聚乙烯和硼硅玻璃作为生物膜载体。假单胞菌应变S9被用作测试生物体，施加的蛋白是存在于所有自养生物的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RuBPCase）。未经RuBP羧化酶对疏水聚乙烯表面更高的细胞数进行定量，但是当表面被涂覆有RuBP羧化酶，亲水性的玻璃表面会附着更多的细胞，并且随着生物量生长速率上升而增加吸附的蛋白质的量。对载体的研究，其附着生

9、物量在参数值表征废水的净化状态的影响往往是确定的。因此，进行了量化的生物膜的情况下碳，氮和磷的去除率，对七个不同载体由Nacheva等人1使用连续下流式反应器，采用不同的有机（0.8-6.0gCOD米-2D-1）和氮气负荷（NH4+-N：0.17-1.28GM-2D-1，TN：0.21-1.55GM-2D-1），以及作为溶解氧浓度（2-5毫克/升）。被测材料是陶瓷球体，粉碎tezontle ，谷物低和高密度的聚乙烯，聚乙烯胶带，聚丙烯和立方体聚氨酯。最好的COD去除率在聚乙烯反应器载体，在更高的负荷下，最佳的氮和磷的去除是填充有聚氨酯的反应器得到（75，分别为50和67）。不同尺寸的聚氨酯海绵

10、在用作生物膜载体通过Nguyen等人进行了成功的应用21。反应器也在厌氧、好氧条件下的操作过。在一个中型海绵和在有氧条件的情况下生物质的生长和污染物的去除效率最好，（因此>90的TOC，95的COD，65总氮和总磷减少90达到下除去率显著改善）。本研究的目的是调查一种天然和两种不同的人造无机材料作为生物膜的载体。对一些物理化学性质，如比表面积，组合物，亚甲基蓝和蛋白质的吸附能力进行了比较。定植时的细菌，对生物膜脱氢酶的酶活性和生物膜活性与废水的化学成分的相关性进行研究。比较营养去除批实验确定了用了生物膜法的城市污水中碳，氮，磷的去除效率与不同的载体和活性污泥相关。表1 城市污水一级处理后

11、的特征参数（N=5）参数市政污水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：样本数。2.材料与方法2.1 化学制品 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，德国），亚甲基蓝（MB），乙酸钠，亚硫酸钠，氯化铵，KH2PO4，K2HPO4和磷酸氢二钠·7H2O（Reanal私人有限公司，匈牙利）的应

12、用。所有化学试剂均为分析纯试剂。2.2 生物膜载体的物理化学性质 一个自然和人工的载体进行了调查。天然生物膜载体是沸石MáD开采（匈牙利）。一个人工载体，命名为Perl为实验材料，用废玻璃，粘土，珍珠岩，木屑，石灰和膨润土（geofil公司，匈牙利）。作为对照的载体，挪威陶瓷生物膜载体， 选择了Biolite，用在南布达佩斯废水处理工厂。生物膜定植前，这些载体的一些物理化学性质如化学组成，比表面积，蛋白质和亚甲蓝吸附量进行了测定。在105干燥条件下测量载体样品。2.2.1 生物膜载体的化学组成元素组成由X射线荧光光谱法测量，同时有研磨和载体材料同质化。由ARL8410型X射线荧光设备

13、（Fisons仪器，美国）测量浓度，使用外部校准的同质化。2.2.2 载体的比表面积载体的比表面积在27摄氏度和8帕的水蒸汽下吸附进行定量微量法。表2 三个生物膜载波元素组成载体组成沸石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%

14、P;<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图1.亚甲蓝吸附三个生物膜的载体，初始MB的浓度的能力：1毫克/升（白）;3毫克/升（格子）;5毫克/升（内衬）;7毫克

15、/升（波浪）;和10毫克/升（灰色）。2.2.3 载体的吸附能力通过分光光度法测定亚甲基蓝（MB）和吸附蛋白质（BSA）。载体放入含亚甲基蓝浓度为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）并振荡1小时。在吸附过程后，用分光光度计在660 nm处测定MB或BSA液相含量（HACH DR /2000，美国）22-24。一克干载体吸附MB量或BSA与的计算为：其中Q是吸附MB或BSA（mg/g），CI是溶液中的MB或BSA的初始浓度（毫克/升）CF是溶液中的MB或BSA的最终浓度（毫克/升），V是溶液的体积（L），W是载体的干重。2.3 生物

16、膜定植生物膜在定植于布达佩斯污水厂有限公司的一个活性污泥罐（布达佩斯，匈牙利）。三种不同的载波放入塑料样品架，置于水面以下至少30公分。定植实验过程中活性污泥的浓度变化介于2.0和2.5克/升TSS（总悬浮固体）。每周两次取样，为消除非粘附的细菌在采样后立即用自来水冲洗，并运送到实验室中的冷冻袋以阻止微生物构建和降解过程。2.3.1脱氢酶活性在97天之久的实验中，脱氢酶活性每周测量两次。为了生物膜法对适用于活性污泥的DHA测量方法进行了优化。因此，每解析一克测定样品，将其放入玻璃锥形烧瓶中，将以下的溶液中加入：18毫升磷酸盐缓冲液，12毫升为100g/L乙酸钠，3毫升3.6克/L的亚硫酸钠和6

17、毫升4克/L的TTC的溶液。加入所有试剂，将样品在4下冷藏24h。以前的实验为了确认该TTC可能扩散到的整个厚度生物膜层。测定未经处理和分别经过16、24、48h冷冻所提取的TPF量。介于16小时和24小时之间可萃取TPF的量增加了32，24小时后制冷并没有发生任何变化。根据结果这些以前的实验中，TTC扩散到生物膜层的整个厚度需要24小时，并为给定样品以这种方式产生有较小的变异系数的更可靠的数据。1天后，将样品在37下培养2小时，然后用5ml丁醇钵提取污泥。正丁醇在一个玻璃烧瓶中收集、提取，重复进行直至达到一种无色溶剂相。然后TPF浓度通过分光光度计在485纳米测量。该数据与1.0克干燥载体和

18、表示为TPF毫克/g的载体相关。图2 三种生物膜的载体，初始的BSA浓度2.蛋白质吸附容量：100毫克/升（白）;200毫克/升（检查）;400毫克/升（内衬）;800毫克/升（波状）;为1000mg/L的（灰色）。2.4 脱氮除磷实验在规模为1L容积的实验室完成间歇实验。初级处理后的废水被用来确定的碳，氮和磷的去除率。也测试了作为对照的微生物群落活性污泥。选择了0.8克TSS/L的活性污泥，等同于研究生物膜的质量浓度。控制附着42周龄的载体生物膜量（接近50g湿重保证在每种情况下相同的生物膜量）在1-1L污水中连续曝气。1，2，3，4和24小时后对样品进行化学分析。测得的参数根据标准方法的所

19、述处方确定（APHA，AWWA，WEF;第21版，2005）。这些调查的城市污水的特征参数列于表1。图3 进行DHA实验的在第四天（三生物膜载体：沸石，B：BIOLITE，C：Perl）和第九十七天（D：沸石，E：BIOLITE，F：Perl）3.结果与讨论3.1 生物膜载体的物理化学性质沸石和Biolite 的粒径是相同的：2-5毫米，而Perl的载体是12-15毫米。沸石、Perl的和Biolite 载体的比表面积分别是55.29，13.71和10.61平方米/克。载体的元素组成列于表2。Perl的最显著不同的特征是碱金属浓度。Perl的钾和钠浓度总和是其他两种载体的约两倍高，钾和钠总和可

20、以影响表面性能，例如表面电荷密度。3.1.1 吸附能力测试研究了三个生物膜载体的亚甲基蓝与牛血清白蛋白的吸附能力。图1表示载体的亚甲基蓝吸附量。可以看出，在1-10毫克/升的浓度范围内，沸石吸附了最高数量的亚甲基蓝（0.008-0.102毫克/克载体），而Biolite和Perl吸附较少，吸附的亚甲基蓝的几乎同量（0.006-0.033和0.006-0.035毫克/克载体）。在100-1000毫克/升的浓度范围内的BSA溶液确定蛋白质吸附能力。观察不同载体粘附的BSA的量无显著差异。沸石，Biolite和Perl分别吸附以下数量：0.39-0.71;0.31-1.60和0.76-1.45毫克B

21、SA/g载体（图2）。根据这些数据，在定植过程预期无抑制作用，所有的载体都适合于附着生物膜。3.2 生物膜定植97天的实验期间，一周两次测定载体表面的脱氢酶活性值。在最初的4天是由DHA检测到所有载体表面的生物膜的载体（图3A，B，C）。97天之后，最终所有的实验载体完全被生物膜覆盖（图3D，E，F）。在实验过程中，生物膜内的黑色部分是每第四或第五周观察。它显然是一种厌氧层，周期性地脱落，然后生长一新的生物膜层。结果表明，脱离生物进化是一个循环过程中图5。这些黑色的层，如图4所示。图4。在沸石载体上的黑色层（a：42天后，b：后70天）。通过立体显微镜对载体的生物膜进行了研究。在97天的实验后

22、拍摄立体照片。在沸石和BIOLITE限制扩散的情况下，内部的细菌的吸附是不可行的，而在Perl载体的内部，大小为0.5-1毫米毛孔，是由于微生物的潜在作用。尽管实验中生物膜上的氧气和底物浓度严重影响了细菌被而无法达到载体的内孔，所以在所有载体的表面上有生物膜生长，清楚地示于图5。脱氢酶的活性值（TPF毫克/g载体）显示于图6。在这些数据的基础上，不同的载体上生长的生物膜样本的微生物活性的相对水平可以遵循。根据该活性值，可以区分两个时期。在过去第一个45天生物膜定植期，三者的生物膜的DHA值的差异是非常小。直到第35天生长在Biolite生物膜上的活性最高，Perl的较低，除了三个样本数据，沸石

23、上脱氢酶的酶活性最低。在这期间脱氢酶酶的活性值介于0.1和0.9mgTPF/g载体之间。这些活性值比在4697天测得的低得多（0.14.1毫克TPFg载体）。这个实验是关于两段定植时间得到关于进行在不同载体上的生物膜的微生物的生命周期的细节。这些检查过程中实施了45-97天。在两个不同的实验期间产生的DHA平均数据如表3所示。 图5载体的立体照片，在第九十七天的实验后DHA测试（a：沸石，b：BIOLITE，c：Perl）。表3 在两个不同的实验期间产生的DHA平均数据载体I.时期（1-45天）mgTPF/g载体II.时期（46-97天）mgTPF/g载体沸石026082Biolite0441

24、40Perl 041149图6 97天内三种载体的生物膜脱氢酶酶活性（X：沸石；：BIOLITE；：Perl）。图7 在Biolite上的脱氢酶活性变化和实验中的COD/TKN（X：COD/TKN;：DHA）脱氢酶活性经历了一些周期性变化（图6）。这些活动数据与处理过的废水的营养物质浓度进行比较，人们发现，在最初的定植期间脱氢酶与COD/TKN比一起变化（TKN：总凯氏氮）。对于Biolite 载体这些数据（具有相关性的0.745系数）在图7中显示。后来，当生物膜完全成熟，发现没有连贯性。活性值和先前展示的生物膜照片进行了比较，并可以观察到的情况下，当一黑色层覆盖了载体，脱氢酶活性迅速下降。3.3 脱氮除磷批量测试批量实验测试研究了在城市污水中的碳，氮和除磷效率，并比较了24小时曝气后在不同载体的生物膜和活性污泥中的这些去除效率。结果总结在表4中，强调了这些数据产生相对较低的生物量浓度。Perl载体生物膜的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的去除效率最高