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下水道管渠內壁生物膜的形成及其特性

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  1.概述

  目前普遍的看法是:城市污水系統主要是由污水收集系統(排水管網)和污水處理系統(污水廠)兩部分組成,而且它們各自的功能劃分十分明確,下水道管網的主要功能是收集與輸送污水,而污水廠的主要功能則是凈化污水。

  實際上,城市污水系統對污水的凈化并不是在污水到達污水處理廠時才開始的,從污水進入污水管網的那一刻起,污水系統對污水的凈化就已經開始了,污水管網對于污水處理廠來說,其作用不僅僅只是一個“供應站”,它同時也扮演了一個巨大的中間反應器的角色,對一些排水管道內壁生物膜的大量測試表明:原污水中和下水道管內壁已存在著大量高活性的微生物,管道中的生物不斷發生著細菌增殖、適應及選擇等生物過程,從而在污水輸運過程中誘導出活性很強的微生物群落。

  大量研究表明:排水管渠內表面已存在著大量微生物,其生物群落組成類似于超高負荷曝氣池中的生物群落。特別是在有氧條件下,污水在管道內流行過程中,污水中的微生物幾乎能夠附著到所有與污水接觸的固體表面,這些附生微生物往往包埋在濃稠的細胞外化合物基質中,構成一個結構和功能的整體,稱之為下水道生物膜。這層生物膜不僅能夠有效的降低污水中的有機物質,而且具有較高的生物活性。

  2.下水道生物膜的形成演化

  下水道生物膜的出現與時間密切相關,不同水質的下水道中生物膜微生物的種類和數量及其表現出來的群落特征相差很大。據此,將下水道生物膜的形成演化劃分為以下五個連續的階段。

  ① 附生介質(生物膜載體)表面性質的改變

  不同材料的污水管道與原污水接觸后,水中各種物質,如各種細菌微生物、蛋白質、聚多糖等可能通過疏水作用、表面化合反應等作用吸附到下水道管網內壁,吸附速率取決于水中有機物質的含量、水流特征等。

  發生吸附的有機物對管壁的表面粗糙度影響不大,但它們改變了管道的表面電荷和疏水性等表面特征,同時提供了細菌等微生物生長所需的營養物質,為它們發生粘附創造了有利條件。

  ② 微生物的可逆性粘附

  在下水道內流動的污水中含有各種各樣的微生物和有機質,受范德華力、靜電力的相互作用,在氫鍵、偶極矩、色散力等理化作用力的控制下,部分個體與管壁接觸,進而發生粘附。但這些粘附個體仍作布朗運動,在水流沖擊下很容易解除粘附,處于一種不穩定的可逆粘附狀態。發生可逆性粘附的微生物和有機質都來源于污水中的懸浮性物質,因而水中微生物的種類和數量及其生理狀態決定可逆性粘附的發生速度和發生程度。

  ③ 微生物不可逆粘附

  發生可逆性粘附后,有些粘附個體分泌大量具有粘合作用的細胞外化合物,它們將微生物、有機質和下水道管壁緊密聯系在一起,從而使粘附具有不可逆性。微生物發生不可逆粘附是附生生物膜發育過程中的關鍵階段。這些經受住下水道內較高流速水力沖刷的微生物逐漸形成為結構復雜的生物膜。

  ④ 表面微群落、生物膜的形成

  在下水道生物膜形成初期,下水道附生微生物斑塊狀散布在管道內壁上。由于數量少,加上流動水體源源不斷的“運送”各種營養物質,微生物間不存在對營養物質和空間上的競爭,因而分裂增生速度快,形成的菌落或細胞群體連接成片,相對均勻地覆蓋在管道內壁。隨著細菌微生物的繼續粘附及粘附個體的不斷增生,下水道內管壁生物群落逐漸復雜化。物種組成上,粘附生物種類增加,甚至在水中有機質降低到一定程度時,原生動物也出現在膜表層;在結構上,管壁生物群落逐漸向外伸展,由突出的二維平面變為垂直的三維立體,發育良好時還出現明顯的分層現象。

  ⑤ 生物膜的脫落和擴散

  在膜的增長期內,當微生物的粘附速度超過微生物的降解速度時,粘附管壁生物量就不斷增加。但當膜生長到一定厚度后,由于較大的阻力而阻止了基質,尤其是溶解氧向其縱深的擴散傳遞,當生物膜超過一定厚度后,其內部將出現厭氧區。結果膜深處的出現缺氧狀況,厭氧區的出現容易造成NH4+、CH4、H2S及有機酸的積累,若這些物質不能夠及時向外傳遞,將逐漸影響生物膜的活性和在載體表面的附著程度,甚至導致生物膜的異常脫落。從而引起膜大塊脫落,這種現象在營養豐富的環境中非常普遍。

  水力沖刷也是引起生物膜脫落的重要原因。生物膜外層結構較為疏松,在向外伸展的過程中,水流不斷地將其沖走,這同樣使得下水道生物膜不能無限制地增厚。細菌和微生物在粘附后發生各種各樣的生理變化,尤其分泌的細胞外化合物的性質和數量發生變化以及細胞外酶的積累會破壞生物膜的穩定性。

  3.下水道生物膜的物理特征

  下水道生物膜是一個復雜的微生物系統。受生長時間和環境條件的影響,其結構和組成處在不斷的變化之中,所表現出來的生物和物理特征也隨之改變。

  近年來,一些學者用共焦激光掃描顯微鏡(CSLM)下水道生物膜的三維結構,取得較好效果。

  下水道生物膜的厚度及表面平整狀況與水流強度有關。①在坡度較大、水流流速大的下水道管段,生物膜結構致密且均勻性好,生物膜的厚度不大,表面平整;②在坡度較小、水流平緩的下水道管段,下水道生物膜結構疏松且較大程度地向外垂直伸展,表面凹凸不平,表現出極強的異質性。這主要是各類絲狀微生物伸入水流中獲得營養物質和氧氣而充分生長的結果。

  下水道生物膜的密度隨水流速度增加而增大,這可能與強水流對附生物種的選擇以及膜內水分被水流擠壓出來等因素有關。Hoehn和Ray發現,在膜生長期生物膜的密度較大,到達臨界厚度后相對穩定在一個低值。此外,不同深度處的膜的密度也不一樣,充分反映出生物膜空間結構的復雜性。

  下水道生物膜的生物活性

  對下水道生物膜的細菌進行種群密度和酶活性測定,是一種描述下水道生物群落活性的有效而實用方法,據此可以用生物學方法有效證明下水道內污水水處理過程和效果。

  形成下水道生物膜的細菌微生物分泌細胞外聚合物的能力很強,細菌細胞常被厚厚的粘質外鞘包裹。在由這些細菌微生物形成的生物膜中,細菌占一小部分,而以各種細胞外化合物構成為主體。大量研究表明:下水道生物膜的生物量呈“S”形增長,即在生長初期,生物膜的生物量很小,隨著時間延長,生物量逐漸積累并維持在一個相對穩定的水平。一些學者通過測定下水道生物膜的ATP、蛋白質和脂肪含量 、電子傳遞、氧在生物膜內的分布、同位素示蹤、同化營養基質的能力,結果發現:附生在下水道生物膜內的微生物通常表現出比懸浮個體更高的代謝和酶活性,生長繁殖速度和呼吸速率等都呈增強趨勢。生物膜內部,藻類、細菌和真菌等自養和異養微生物在空間上緊鄰,彼此相互交換代謝產物,尤其藻類分泌的可溶性有機物為異養細菌等利用,引起微生物增生。

  下水道生物膜是固定形式的膜系統,經對下水道生物膜的種群密度和生物活性的研究,發現其表現出來的性質與超高負荷活性污泥系統中的細菌活性相近,例如酪酶、M-和p-葡萄糖昔酶以及磷酸酶在基質轉化方面,各種酶活性表現出相似的趨勢。然而,L-丙氨酸-氨膚酶在高負荷活性污泥中卻顯示出極高的基質轉化率。但是下水道生物膜細菌種群密度卻比在二級廢水處理廠高負異養菌數目高出一個數量級。下水道生物膜中有發達的真核生物機體存在,例如粘土霉菌、各種原生動物和后生動物。多年來,人們廣泛應用這種生物膜系統去除碳和氮。Lemmer發現下水道生物膜所顯示的種群密度和生物活性都是高活性的生物群落,它們的異養活性可與高負荷活性污泥相比甚至超出它們。并且與懸浮性微生物有機體相比,那些附著在生物膜上的微生物能夠更好地抵抗如重金屬之類的毒性物質。

  4.利用下水道空間處理污水的展望

  由于城市污水管道的管徑大,管道長,污水在其中有相當長的滯留時間,而下水道中污染物質降解主要是通過管壁上附著的下水道生物膜來完成。

  如果能夠通過采用適當的技術措施增加管道內的微生物量和溶解氧的濃度,將使直接利用下水道管渠空間處理污水成為可能。

  例如在我國的廣大山地城鎮地區,生活污水水量小、分布面廣,污水排放零散,不利于污水的集中處理,而目前對這些污水進行處理所需的技術和資金都很缺乏,可以通過大力開發下水道管渠處理城市污水的簡易、高效、低能耗工藝,以較少的投資削減較大量的污染負荷。另一方面,對于地形復雜和污染源分散的廣大經濟尚不發達的農村地區,如果利用下水道管渠空間處理污水,將有利于在有限的經濟條件下有效地控制水環境污染。

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