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布達佩斯污水廠有限公司，AsztalosS·U4，H-1087布達佩斯，匈牙利合作研究羅蘭大學中心環(huán)境科學，Pázmány Péter sétány/A，H-1117布達佩斯，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：檢測城市污水中生長在三個不同的載體（Biolite，Perl的和沸石）的生物膜，其生化特性如脫氫酶活性（DHA）并對脫氮除磷效率進行了研究。人工載體Biolite和Perl從陶瓷和玻璃廢棄物中產(chǎn)生，分別對載體的物理化學性質(zhì)，如比表面積，組合物，亞甲基藍和蛋白質(zhì)的吸附能力進行了測定。根據(jù)DHA的值，確定每個載體有兩種不同的定植時期。在第一個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，對生物膜Biolite擁有比那些生長在Perl和沸石更強的脫氫酶的活性。第45天之后，所述DHA的值增加，分別為約3倍以上的每個載體上。在這兩個時期的定植，在人工載體上生長的生物膜的DHA值比沸石的高。在市政污水處理實驗比較生物膜載體和活性污泥總有機碳總量（TOC）總氮（TN），總磷（TP）的去除率。生長在人工載體生物膜的情況下更有效的去除營養(yǎng)物。Perl載體上的生物膜很成功地去除有機物的。由于活性硝化過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。由于氧擴散進入生物膜層被限制為約40微米，在一些研究，可以同時發(fā)生氧和厭氧轉(zhuǎn)化過程，

4、這意味著反硝化和硝化可以存在于同一時間，與此同時在情況下的活性污泥的需氧轉(zhuǎn)化過程是主要的。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)點超過傳統(tǒng)活性污泥法。高生物量濃度，好的有機物和營養(yǎng)物去除效率，耐水質(zhì)波動（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1 。生物膜是微生物群落，細菌，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），對于穩(wěn)定和基板處的細菌有責任。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，擴散率，強度，彈性和代謝活性2。該EPS可以吸附和累積無機和有機化合物，如重金屬3，多環(huán)芳烴，氯酚和農(nóng)藥4。在過去的二十年中，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，但它的缺點是對一個小廢水的實驗室過于昂貴。一些生化方法（酶的活性測試）也已經(jīng)經(jīng)常有效的應用于研究生物膜。生物有機化合物的氧化是由許多不同的

6、細胞內(nèi)和細胞特異性的脫氫酶介導的脫氫工藝。所有活的微生物具有脫氫酶活性（DHA）;因此推測，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的反應。各種化學化合物應用于此目的：三苯基四氮唑氯（TTC）6，2-（對-碘苯基）-3-（對硝基苯基）-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，可以通過分光光度法進行量化。脫氫酶活性試驗用于活細胞的活性測定，因為它的靈敏度和簡單所以是廣泛使用的生化方法之一。有許多關于脫氫酶定量在土壤中的活動和沉積物的出版物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試的。細菌的表面電荷通常是負的，因此，如果一個較高量的正電荷的亞甲藍吸附載體，可以預期有更少的細菌的附著。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，更多的細菌也可被吸附在其上18。雖然生物膜的結(jié)構(gòu)是一個非常重要的參數(shù)，它是更常見的確定-作為最簡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（TOC和COD）參數(shù)也適用于定義19。水相的一些物理化學性質(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對固體表面特性，吸附有機物，附著細菌生長之間的關系進行了檢查，采用聚乙烯和硼硅玻璃作為生物膜載體。假單胞菌應變S9被用作測試生物體，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羧化酶對疏水聚乙烯表面更高的細胞數(shù)進行定量，但是當表面被涂覆有RuBP羧化酶，親水性的玻璃表面會附著更多的細胞，并且隨著生物量生長速率上升而增加吸附的蛋白質(zhì)的量。對載體的研究，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，進行了量化的生物膜的情況下碳，氮和磷的去除率，對七個不同載體由Nacheva等人1使用連續(xù)下流式反應器，采用不同的有機（0.8-6.0gCOD米-2D-1）和氮氣負荷（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器載體，在更高的負荷下，最佳的氮和磷的去除是填充有聚氨酯的反應器得到（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Nguyen等人進行了成功的應用21。反應器也在厭氧、好氧條件下的操作過。在一個中型海綿和在有氧條件的情況下生物質(zhì)的生長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機材料作為生物膜的載體。對一些物理化學性質(zhì)，如比表面積，組合物，亞甲基藍和蛋白質(zhì)的吸附能力進行了比較。定植時的細菌，對生物膜脫氫酶的酶活性和生物膜活性與廢水的化學成分的相關性進行研究。比較營養(yǎng)去除批實驗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。表1 城市污水一級處理后的

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），亞甲基藍（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）的應用

12、。所有化學試劑均為分析純試劑。2.2 生物膜載體的物理化學性質(zhì) 一個自然和人工的載體進行了調(diào)查。天然生物膜載體是沸石MáD開采（匈牙利）。一個人工載體，命名為Perl為實驗材料，用廢玻璃，粘土，珍珠巖，木屑，石灰和膨潤土（geofil公司，匈牙利）。作為對照的載體，挪威陶瓷生物膜載體， 選擇了Biolite，用在南布達佩斯廢水處理工廠。生物膜定植前，這些載體的一些物理化學性質(zhì)如化學組成，比表面積，蛋白質(zhì)和亞甲藍吸附量進行了測定。在105干燥條件下測量載體樣品。2.2.1 生物膜載體的化學組成元素組成由X射線熒光光譜法測量，同時有研磨和載體材料同質(zhì)化。由ARL8410型X射線熒光設備（

13、Fisons儀器，美國）測量濃度，使用外部校準的同質(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行定量微量法。表2 三個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.亞甲藍吸附三個生物膜的載體，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分光光度法測定亞甲基藍（MB）和吸附蛋白質(zhì)（BSA）。載體放入含亞甲基藍濃度為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。在吸附過程后，用分光光度計在660 nm處測定MB或BSA液相含量（HACH DR /2000，美國）22-24。一克干載體吸附MB量或BSA與的計算為：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佩斯污水廠有限公司的一個活性污泥罐（布達佩斯，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。定植實驗過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，為消除非粘附的細菌在采樣后立即用自來水沖洗，并運送到實驗室中的冷凍袋以阻止微生物構(gòu)建和降解過程。2.3.1脫氫酶活性在97天之久的實驗中，脫氫酶活性每周測量兩次。為了生物膜法對適用于活性污泥的DHA測量方法進行了優(yōu)化。因此，每解析一克測定樣品，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。以前的實驗為了確認該TTC可能擴散到的整個厚度生物膜層。測定未經(jīng)處理和分別經(jīng)過16、24、48h冷凍所提取的TPF量。介于16小時和24小時之間可萃取TPF的量增加了32，24小時后制冷并沒有發(fā)生任何變化。根據(jù)結(jié)果這些以前的實驗中，TTC擴散到生物膜層的整個厚度需要24小時，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，然后用5ml丁醇缽提取污泥。正丁醇在一個玻璃燒瓶中收集、提取，重復進行直至達到一種無色溶劑相。然后TPF濃度通過分光光度計在485納米測量。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。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 脫氮除磷實驗在規(guī)模為1L容積的實驗室完成間歇實驗。初級處理后的廢水被用來確定的碳，氮和磷的去除率。也測試了作為對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。控制附著42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小時后對樣品進行化學分析。測得的參數(shù)根據(jù)標準方法的所述

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 進行DHA實驗的在第四天（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 吸附能力測試研究了三個生物膜載體的亞甲基藍與牛血清白蛋白的吸附能力。圖1表示載體的亞甲基藍吸附量?？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（0.008-0.102毫克/克載體），而Biolite和Perl吸附較少，吸附的亞甲基藍的幾乎同量（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)，在定植過程預期無抑制作用，所有的載體都適合于附著生物膜。3.2 生物膜定植97天的實驗期間，一周兩次測定載體表面的脫氫酶活性值。在最初的4天是由DHA檢測到所有載體表面的生物膜的載體（圖3A，B，C）。97天之后，最終所有的實驗載體完全被生物膜覆蓋（圖3D，E，F(xiàn)）。在實驗過程中，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，然后生長一新的生物膜層。結(jié)果表明，脫離生物進化是一個循環(huán)過程中圖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）。通過立體顯微鏡對載體的生物膜進行了研究。在97天的實驗后拍

22、攝立體照片。在沸石和BIOLITE限制擴散的情況下，內(nèi)部的細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。盡管實驗中生物膜上的氧氣和底物濃度嚴重影響了細菌被而無法達到載體的內(nèi)孔，所以在所有載體的表面上有生物膜生長，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)的基礎上，不同的載體上生長的生物膜樣本的微生物活性的相對水平可以遵循。根據(jù)該活性值，可以區(qū)分兩個時期。在過去第一個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天生長在Biolite生物膜上的活性最高，Perl的較低，除了三個樣本數(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天測得的低得多（0.14.1毫克TPFg載體）。這個實驗是關于兩段定植時間得到關于進行在不同載體上的生物膜的微生物的生命周期的細節(jié)。這些檢查過程中實施了45-97天。在兩個不同的實驗期間產(chǎn)生的DHA平均數(shù)據(jù)如表3所示。 圖5載體的立體照片，在第九十七天的實驗后DHA測試（a：沸石，b：BIOLITE，c：Perl）。表3 在兩個不同的實驗期間產(chǎn)生的DHA平均數(shù)據(jù)載體I.時期（1-45天）mgTPF/g載體II.時期（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驗中的COD/TKN（X：COD/TKN;：DHA）脫氫酶活性經(jīng)歷了一些周期性變化（圖6）。這些活動數(shù)據(jù)與處理過的廢水的營養(yǎng)物質(zhì)濃度進行比較，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）。對于Biolite 載體這些數(shù)據(jù)（具有相關性的0.745系數(shù)）在圖7中顯示。后來，當生物膜完全成熟，發(fā)現(xiàn)沒有連貫性?；钚灾岛拖惹罢故镜纳锬ふ掌M行了比較，并可以觀察到的情況下，當一黑色層覆蓋了載體，脫氫酶活性迅速下降。3.3 脫氮除磷批量測試批量實驗測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，強調(diào)了這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生相對較低的生物量濃度。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