飲用水生物濾池的生物量與有機物去除的關(guān)系

飲用水生物濾池的生物量與有機物去除的關(guān)系*摘要：以脂磷法測定了三種不同填料的飲用水生物濾池中的生物量分布，并討論了生物量與有機物去除之間的關(guān)系。受填料表面性質(zhì)和比表面積的影響，三個濾池之間的生物量差異很大，順序是不規(guī)則GAC濾池>柱狀GAC濾池>不規(guī)則陶粒濾池；但不同反應(yīng)器對有機物的去除效率幾乎沒有區(qū)別，說明至少兩個GAC濾池的生物量是過量的。生物量的過量可以解釋反應(yīng)器的抗沖擊負荷能力，其本身可以用微生物的繁殖策略為r選擇解釋。關(guān)鍵詞：飲用水；生物濾池；生物量；有機物；繁殖策略RelationshipbetweentheBiomassandtheRemovalofOrganicMattersinThreeDrinkingWaterBiofilters*Abstract:Thebiomassdistributioninthreebiofilterswithdifferentmediawasinvestigatedusinglipid-Panalysis.Thereweresubstantiallyvarianceinthebiomassduetothesurfacecharacteristicsandspecificsurfaceareaofthemedia.TheirregularGACfilterhadthelargestbiomass,thecolumn-shapedGACfilterhadthesmaller,andtheirregularceramicgranularfilterhadthesmallest.However,therewerealmostnodifferencesamongtheremovaloftheorganicmatterofthethreefilters,whichsuggestedthatatleastthebiomassintwoGACfilterswereexcessive.Thisphenomenoncouldexplaintheabilityofanti-shockloadofthebiofiltersandbeexplainedastheresultthatthemicrobialreproducingstrategywasr-choice.KeyWords:drinkingwater;biofilter;biomass;organicmatters;reproducingstrategy在飲用水的生物處理中，生物濾池是一種普遍采用的工藝，如生物陶粒預(yù)處理濾池、可以取代常規(guī)砂濾池的生物活性濾池，以及作為深度處理工藝的O3-BAC等[1-6]。除了普通濾池的過濾功能之外，它主要依靠在填料表面附著生長的生物膜的生物氧化作用去除可生物降解的溶解性有機物和NH4+-N、NO2--N等污染物質(zhì)；另外，生物膜絮體（細胞和以多糖為主的胞外多聚物）的生物吸附作用可能也對有機物的去除發(fā)揮一定作用。因此生物量是生物濾池工藝的重要參數(shù)。本研究以脂磷法測定并分析了三個小試飲用水生物濾池中的生物量分布規(guī)律，并對生物量與反應(yīng)器對有機物去除效率的關(guān)系以及反應(yīng)器中生物量過量的原因進行了探討。1材料與方法1.1實驗裝置 在X市地面水廠內(nèi)建立起兩套飲用水生物過濾小試裝置，其中一套為兩個并聯(lián)的顆粒活性炭(GAC)-石英砂雙層濾料生物濾池（BF1和BF2），分別填裝有55cm不規(guī)則狀PJ-09型GAC，35cm石英砂（BF1）和55cm柱狀ZJ-15型GAC，35cm石英砂（BF2），兩者的濾速均為7.5~8.5m/h，進水為該廠生產(chǎn)性沉淀池的出水，下向流，不曝氣。另外一套為陶粒生物預(yù)處理濾池（BPF），填裝有170cm的不規(guī)則狀、粒徑2~3mm的頁巖陶粒，濾速為4m/h左右，進水為未經(jīng)處理的該廠原水，下向流，曝氣，氣水比<1:1。實驗期間各反應(yīng)器的進水水質(zhì)見表1。表1實驗期間三個生物濾池的進水水質(zhì)*權(quán)反應(yīng)器輝COD歷Mn雅/mg·L眾-1謊NH哪4占+嚷-N招/mg·L攔-1油NO強2若-呢-N趁/mg·L哥-1覺濁度難/ntu乒DO臺/mg·L款-1臂溫度瑞/兩骨℃急BF1房和有BF2滲最高吳7.23駱0.70抵0.099北16.40岡11.20抓31.5悼最低漁2.25率0.07搭0.001絨1.73扔4.01藥9.7援平均貧4.48攔0.26此0.023踢5.52槽8.11構(gòu)22.2扁BPF夠最高蝕6.85千1.09腔0.105氣123.0廣0妖12.00辣31.7賽最低感3.12宴0.05薄0.001小3.70田3.98搭9.5毛平均釘5.09稍0.29字0.026慨35.14開8.08幅22.3*：表中涉及的水質(zhì)指標均采用國家標準方法測定[7][8]。1.2生物量的測定天然環(huán)境中的大部分微生物屬于有活性但不可培養(yǎng)型，很難在人工培養(yǎng)基上生長繁殖，所以基于培養(yǎng)的測定結(jié)果實際上遠遠低估了樣品中的實際生物量[9]。磷脂是所有微生物細胞膜的主要成分之一，且在細胞中含量穩(wěn)定，在不同的生理條件下波動相對較小，其中的磷酸鹽用比色法很容易測定，是一種理想的生物量標志物。本文按照參考文獻[10]采用脂磷法測定樣品的生物量，以磷脂中的含P量表示生物量，1nmol-P相當于108個E.coli大小的細胞。2結(jié)果與討論2.1三個生物濾池的生物量分布規(guī)律三個生物濾池均從2000年11月底開始進水運行，至2001年4月初生物膜已基本發(fā)育成熟，對各種污染物的去除趨于穩(wěn)定，這時BF1、BF2和BPF填料表面下5cm處的生物量已經(jīng)分別達到95.45、27.73和11.69nmol-P·(cm3)-1，如圖1所示，此后的幾個月里生物量的變化幅度不大，說明三個反應(yīng)器自這時開始已經(jīng)進入生物量的生成量與衰亡量大致相當，總量基本恒定的假穩(wěn)態(tài)（pseudo-steady）時期。弟圖裝1宋驢三個生物濾池話填料表面腎下權(quán)5c內(nèi)m桃處的生物量隨乳時間的變化士圖潛2喪三個生物濾池枝中的生物量沿富程分布永價三個生物濾池盼中生物量的沿需程分布見潔圖示2慌。不同反應(yīng)器嬌之間生物量的冠差異十分明顯岔，如浙在集1禿＃取樣口，三景個反應(yīng)器的生延物量之比哪為嫁6.33:嶼2.11半:迅1斬；在同樣距填劣料表瘡面遍45c陡m眠處的坡BF村1糕、妨BF竭2糞的崇3鑄＃馬和鏟BP掩F芒的凱2掌＃取樣口，三壽者的生物量比革為盞5.02:廉2.02湖:夢1懲。比較這三種豆反應(yīng)器，三者業(yè)的填料互不相蟲同候；缸BF左1演和恒BF過2歇的進水和運行網(wǎng)條件完全相同兇；意BP蒜F僅的進水中各種寸基質(zhì)的濃度稍尼高一些，但濾華速只有前兩者響的獨1/軋2互，相應(yīng)地，其醫(yī)基質(zhì)負荷也只胳有前兩者的一迷半左右。因疾為多BF有1毀和角BF飾2攀之間的生物量慮差異要遠遠大種于羊BF飲2擦和房BP印F紋之間的差異，坊所以可以認為罪造成三者生物勾量差異很大的蔬原因主要是填駁料而不是基質(zhì)涂負荷。鈔飲用水原水屬兔于貧營養(yǎng)系統(tǒng)也，生物膜主要健靠原水中的微急生物細胞吸附則在填料上并生料長繁殖而成，巷因此填料是否斷擁有對微生物孩細胞優(yōu)越的吸腿附功能和給微玉生物提供生長莖繁殖的良好微汗環(huán)境是反應(yīng)器傻具有較高生物缺量的關(guān)鍵所在飯。三個生物濾襲池的填料分別責(zé)是不規(guī)則側(cè)狀饞GA故C扛和石英砂、柱數(shù)狀家GA陷C貝和石英砂以及躲不規(guī)則狀頁巖武陶粒，由于兩揀種烈GA轎C蒸的粒徑遠小于潛陶粒，而且具筆有發(fā)達的微孔止結(jié)構(gòu)，它們能易為微生物細胞和掛膜提供的比貍表面積就要遠甘遠大于后者，位同廟時陜GA綢C讀的吸附性能又交是陶粒所不具韻備的；而在兩墾種志GA院C陽中，前者不規(guī)抗則的形狀很顯抄然還能提供更萌多的比表面積夕和更適合微生主物生長繁殖的屈微環(huán)境。因此憑，三種填料掛驟膜性能優(yōu)劣及光生物量的排序抗是：不規(guī)璃則粥GAC>后玩柱怒狀吳GAC>芬廊不規(guī)則陶粒。爽從禁圖辦2奇中還可以發(fā)現(xiàn)暫：隨著取樣口與深度的增加，聚各個反應(yīng)器的腿生物量呈明顯嘩的遞減趨勢允。胸BF瓜1偵、改BF索2磁和互BP沸F尺最高和最低兩里個取樣口生物含量的比值分別首為晉3.7凈5蛋、錯2.1堤0璃和老3.1冠2奶，這顯然和三陷個反應(yīng)器均采除用下向流方式委，基質(zhì)由上到府下不斷被生物術(shù)膜氧化分解，夢營養(yǎng)水平沿填扁料深度遞減有棒關(guān)遵。貓BF嗓1毛和任BF愁2時的生物量感在恥4化＃取樣口出現(xiàn)匙了較為明顯的踐反彈，這是由槳于該取樣口位駕于同GA慚C令和石英砂兩種遮填料的交界稍謊偏下處，由于遙石英砂的平均鹽粒徑小醒于部GA揭C疤，孔隙率小，坑截留怨了杯GA還C罪層脫落的懸浮脆生物量所致，健并不能說明石尊英砂的掛膜性反能優(yōu)于前者。晉2.2針施三個不同生物屠濾池對有機物頓的去除效果的征比較嘗余三個生物濾池尚對羨以漢COD粱Mn仍表示的有機物岔的去除作用見正圖驚3翅和缸表疫2棒。蒼BF竟1聲和嚼BF弄2嘩對有機物的去廊除效果非常接交近，分別辯為脹18.30鍋%蔬和嫁17.01現(xiàn)%發(fā)，休BP梨F某的去除率稍低蟲于前兩者，幻為也15.92抱%運；三者進出水柳平均濃度差，亮即去除量分別乎為香0.86mg聲·爬L匪-1育、冬0.78mg滔·稍L弟-1握、于0.79mg壟·嫂L鳥-1滴?？梢钥闯觯^三者對有機物夏的去除作用之耕間的差異要遠沃遠小于生物量健之間的差異爆，濟BF秋1掙數(shù)倍拔于糠BF速2誕和夏BP急F勉的生物量并未報使它具有去除碼數(shù)倍于后兩者火的有機物的能獲力劇，誰BF載2橫的生物量約斥為鹽BP粱F肆的兩倍，但是鉛兩者去除有機喚物的量卻基本巨相等，這說明型當反應(yīng)器內(nèi)的痕生物量達到一咱定水平后，有鈴機物的去除作慌用將達到飽和偶，生物量不再掀是有機物去除蒙的限制因子，吃高于此水平的厲生物量實際上數(shù)是過量的，如兇在本研究中，達至到少許BF豎1圈和灰BF命2唉的生物量就是的這樣灶。濕Li誕u印和妹Huc冶k燕等人的工作嘩[5劣]鈴表明，在反應(yīng)脅器的生物量處適于從無到有的胡掛膜階段時，述有機物的去除落率隨生物量的遙增加而提張高，而當生物煙膜進入假穩(wěn)態(tài)騰后羨，售GA述C怖濾池中的生物代量明顯高于無琴煙煤濾池的生耀物量，但后者杠對可生物降解書有機物鳳（反BO柿M躁）的去除卻與用前者接近峽，聯(lián)Urfe貿(mào)r委和墻Huc骨k特等的其它研究狠[4荷]骨也有類似結(jié)果賤，這些都可以霞印證本文生物剩濾池內(nèi)生物量在過量的觀點。謹圖劈3悅謠三個生物濾池餓對放COD題Mn跳的去除作用傻表夕2怎如三個生物濾池栗對亡COD窮Mn櫻的去除作用嘉項目窄BF1桶和黨BF2孝BPF立進水輕/mg慶·患L摧-1買BF1爭出水財/mg青·公L彎-1劉BF2夫出水滾/mg遺·筐L拴-1匆BF1漠去除率甚/%候BF2著去除率泛/%像進水閥/mg儉·緒L嚇-1管出水些/mg芒·泳L啊-1艇去除率纖/%天最高桿7.23據(jù)4.88那5.36喇38.67黑45.92栽6.85袋5.65盒39.65于最低雁2.25夕1.89夜1.65撫3.64寸2.91個3.12雪2.54曉3.02找平均剃4.48哈3.62徐3.70釋18.30切17.01啄5.09桑4.30域15.92載相差數(shù)倍或更蛾多的生物量處體理著同樣水平業(yè)的基質(zhì)，可以命知道，生物量敗越多，其中的短微生逆物細胞個體平幕均獲得的能量累物質(zhì)和合成代甜謝的原料物質(zhì)瓦就越少，其代磨謝水平就越低強，即細胞的生丈化活性會很低刪，這樣一旦遇粥到?jīng)_擊負荷的儀情況，微生物僻細胞依然可以蓬通過提高活性涌加以應(yīng)對，所客以生物量的過麗量可能是一些樂生物濾池具有啞一定的抗沖擊李符合能力的原疤因所在。碌2.3華熱生物量過量的孫生態(tài)學(xué)解釋度市反應(yīng)器內(nèi)形成然一定規(guī)模的生夕物量是生物膜享微生物細胞繁兆殖的結(jié)果。自曉然界中，從鯨扶到細菌的各種誼生物的繁殖策涼略基本可以分道為憶r梢選擇弊和緞K餃選擇兩類。一據(jù)般認為，在穩(wěn)蓮定的環(huán)境中，狡能更好的利用金環(huán)境承載力，系達到接近邏輯壓斯諦方程中的志飽和密歪度稅K針的物種在自然它選擇中更為有衛(wèi)利，其繁殖策茄略可以稱痛為膏K隙選擇，這些物碧種可稱標為梁K總策略者；而在督不穩(wěn)定的環(huán)境私中，具有較高憤繁殖力以補償昂災(zāi)害所造成的跨損失的物種在直自然選擇中更炭為有利，通常添表達繁殖力的艱測度之一是內(nèi)歉稟增長率說r同m依，因此這種繁沃殖策略可稱為柴r鍵選擇，這些物砌種可稱為凝r絕策略者佛[11]胳。這兩種策略梢的一些典型特妥征見桿表前7映。實際上，穿r朱－受K伸選擇只是各種翼生物自然選擇呈模式的兩個極正端，多數(shù)物種聲是以一個、幾喘個或大部分特間征居于這兩者咸之間。而微生贈物微小的個體咐、極短的世代愉時間正是府r搏策略者的典型遷特征；生物濾且池進水水質(zhì)和炭流量的波動足留以造成對它們牲而言生境的不跪穩(wěn)定；微生物糕物種和功能的青多樣性使它們它的種內(nèi)、種間濾競爭不會處于救很激烈的狀態(tài)篩，因此各反應(yīng)宿器中的微生物懇將采取舉r診-英選擇的繁殖策求略，即在環(huán)境傘條件允許下以錫盡可能高的繁頓殖力去適應(yīng)反校應(yīng)器內(nèi)的微環(huán)之境，從而造成屯了反應(yīng)器中生落物量的過量。懂表掃7證r片-忠策略者暴和喜K槽-倚策略者的某些節(jié)特征讓[11]配影響因素耳r殿-挑策略者連K典-展策略者裂環(huán)境條件撈難以預(yù)測址穩(wěn)定，可預(yù)測瞇死亡改非密度制約粉密度制約吉存活灘存活率低耗存活率高傻數(shù)量慚低于環(huán)境承載易力轎通常臨蜘近驢K頭值唯競爭總通常不緊張軌經(jīng)常保持緊張完體形銜小刻大瀉生長發(fā)育流快鑰慢動繁殖執(zhí)一次辯多次條壽命街短照長糾最終結(jié)果涂高繁殖力喬高存活率3結(jié)論痛（堵1昆）生物膜發(fā)育趕成熟之后，生兵物濾池中的生絮物量基本保持重不變，進入生認成量與衰亡量虜大致相當?shù)募僖叻€(wěn)態(tài)階段?？迹ㄏ?裹）不同生物濾鄭池間生物量差罪異很大，不規(guī)拜則繪GA釀C胸濾韻池紙>企柱透狀托GA脊C蛛濾蓄池漂>襯不規(guī)則陶粒濾執(zhí)池，休這種差異主要宋由填料性質(zhì)（子吸附性能和比擺表面積）決定騎。噴（涉3脂）不同生物濾霉池對有機物的闖去除效果差別像不明顯，說明望至少兩廢個英GA攔C經(jīng)濾池中的生物頭量是過量的。翠這一現(xiàn)象可以焰解釋反應(yīng)器的秤抗沖擊負荷能害力。生物量過暈量本身可以用攻生態(tài)學(xué)中的繁壟殖策略理論解菌釋，濾池中的錄微生物屬于覽r擋-達策略者，會通拆過高繁殖力的穴對策來適應(yīng)反先應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境攏。參考文獻忍[1]Bo薯uwerE良.J.an甩dCrow脾eP.B.鍛B(tài)iolo輔gical全proces易sesin斜drink笑ingwa紡tertr劈eatmen窩t[J眾]竹.J.AW鍬WA,19呼88,80(鞋9):82-講93膠[2]Hu想ckP.M煮.,Zha看ngS.擠andPr窮iceM.螺L.BOM添remov桿aldur通ingbi輩ologic胞altre稈atment蜘:afi返rst-or莫dermo悉del[J剃]賊.J.AW糊WA,19欺94,86(說6):61-獵71盞[3]Wa抄ngJ.Z呀.,Sum昏mersR晨.S.,M傭iltner墊R.J.般Biofil擔tratio飼nperf負ormanc畜e:part打1,態(tài)relati悅onship家tobi失omass未[J筒]副.J.AW向WA,19潮95,87(圈12):55拜-63番[4]Ur贈ferD.殊,Huck振P.M.,速Booth氧墊.and緣Coffey唯B.M.渡Biolog媽icalf塔iltrat太ionfo購rBOM病andpa利rticle汪remov酷al:a雷critic洋alrev罵iew[J嫂]賭.