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(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶 400045；2.低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心(重慶大學)，重慶 400045)

生物膜廣泛存在于自然環(huán)境中，當載體表面含有少量的水分和營養(yǎng)物質就能被微生物定植并形成生物膜[1]，因其具有良好的水處理能力而被廣泛地應用于水處理反應器中。生物膜的理化性質包含其生物量、厚度、密度和其胞外聚合物(EPS)的組成成分等，這些性質與生物膜的附著能力、傳質效率和細胞活性密切相關[2-3]，因而影響了生物膜反應器的處理效果。在實際自然環(huán)境中，水體大多處于紊流狀態(tài)，紊流對生物膜特性的影響是紊流時均流速、脈動流速和水流剪切力等共同作用的結果。已有研究表明，時均流速和水流剪切力對生物膜的理化性質有顯著影響[4]，而僅針對紊流脈動對其理化性質影響的研究鮮見報道。研究紊流脈動對生物膜理化性質的影響，可為生物膜反應器的設計與運行優(yōu)化提供理論參考。

在通常的紊流中，均存在時均流速和脈動流速，兩者相互影響、相互耦合，其間的關系極為復雜，難以區(qū)分各自的作用。振動格柵裝置產(chǎn)生的紊流能在距離格柵一定的區(qū)域內(nèi)形成時均流速為零的近似各向同性的紊流，并且通過改變格柵的運行參數(shù)(如格柵幾何尺寸、振動沖程和頻率等)可方便地調控紊流脈動流速和有效紊流強度，因此，借助其研究紊流脈動是一種有效的方法[5]。在過去50年里采用振動格柵形成的紊流已被廣泛用于研究工程中許多與紊流脈動相關的問題[6]?；诖耍O計了振動格柵生物膜反應器，利用粒子圖像測速(PIV)技術對反應器紊流場進行測定，并將生物膜載片放置于近似各向同性紊流區(qū)域內(nèi)，通過改變格柵的振動頻率，研究紊流脈動對生物膜理化性質的影響。

1 實 驗

1.1 振動格柵生物膜反應器

振動格柵生物膜反應器和格柵示意見圖1。該反應器分為主水箱和副水箱兩個部分。主水箱是生成格柵紊流和附著生物膜的場所，副水箱的設置是為了減少微孔曝氣對格柵紊流流場的影響。

圖1 振動格柵生物膜反應器和格柵示意(mm)

主水箱尺寸為310 mm×310 mm×500 mm，有效容積約為48 L。格柵柵條寬度和厚度為10 mm，柵孔寬50 mm，相鄰兩孔中心距M=60 mm，經(jīng)計算格柵孔隙率為0.67(>0.60)，因此，可以產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的紊流[7]；格柵沖程S為50 mm，其振動中心距反應器底部390 mm。聚乙烯生物膜載片尺寸為30 mm×30 mm×10 mm，將載片固定且其中心距格柵振動中心165 mm>2M，因此，載片處于近似各向同性紊流區(qū)域內(nèi)[8]。

副水箱尺寸為210 mm×210 mm×500 mm，有效容積約為20 L。副水箱中的污水曝氣后經(jīng)水箱上部的潛水泵和下部的水管實現(xiàn)與主水箱的水循環(huán)，循環(huán)周期為20 min。

振動格柵生物膜反應器重要部件如下：微孔曝氣頭，D=10 cm；曝氣泵，Q=27 L/min；水泵，Q=300 L/h，2 W；電機，120 W，1 300 r/min。

1.2 實驗用水

所用污水為人工配置，加入葡萄糖、淀粉作為碳源，加入氯化銨作為氮源，并加入磷酸二氫鉀、蛋白胨、硫酸鐵、氯化鈣、鉬酸鈉、硫酸鋅、硫酸鎂、氯化鈷、硫酸錳為微生物提供生命所需微量元素。污水COD為200 mg/L，pH為6.8～7.8。

1.3 接種掛膜

接種污泥來自重慶雞冠石污水處理廠二沉池，為避免污泥沉降對接種產(chǎn)生影響，采用污泥沉降后的上清液進行接種。向反應器加入2 L污泥上清液并注入人工模擬污水，調節(jié)格柵振動頻率，啟動反應器，開始接種掛膜，接種時間為24 h。

1.4 實驗方案

首先利用PIV技術對該反應器的流場進行測量，格柵振動頻率分別為0、0.5、1.0、1.5和2.0 Hz。接著進行生物膜培養(yǎng)實驗，一個振動頻率為一組實驗，每組實驗同時運行3個振動格柵生物膜反應器，反應器在接種掛膜24 h后運行10 d，5組實驗共運行55 d，所有實驗所處運行環(huán)境相同，水溫由恒溫控制器控制在26 ℃左右。每組實驗結束后，將3個反應器中的生物膜載片取出，并將生物膜與載片分離，進行其生物量、厚度、密度和EPS組成成分的測定。

實驗采用間歇進水模式，每天進水兩次，每次進水量為主副水箱總有效容積的1/3，同時，為維持反應器中的營養(yǎng)狀況，每3 d將兩水箱完全排空，清洗兩水箱后重新進水。

1.5 測定方法

振動格柵生物膜反應器紊流流場采用PIV技術測定，PIV系統(tǒng)的CCD高速相機在1 min內(nèi)拍攝600張示蹤粒子運行軌跡照片，經(jīng)過系統(tǒng)圖像處理軟件對所得照片進行一系列的處理，最終得到反應器二維流速場[9]。

生物量由干質量(mD)表示，采用超聲法將生物膜與載片分離，分離后將其置于105 ℃烘箱烘至恒質量，烘干前后的質量相減所得值即為生物膜干質量；生物膜厚度(h)采用圖像分析結構法測定[10]，使用單反相機采集生物膜載片側面圖像，再用ImageJ軟件測量厚度；根據(jù)載片尺寸(A=30×30 mm2)、生物膜干質量和厚度，通過式(1)即可計算生物膜密度：

(1)

EPS的提取方法是在文獻[11]的基礎上進行了適當修改，手工刮取生物膜于50 mL離心管中，用70 ℃ 0.05%NaCl溶液定容至50 mL，振蕩1 min并離心10 min后，收集的上清液即為LB-EPS。再向離心管中加入NaCl溶液，并定容至50 mL，振蕩離心管1 min后，將其60 ℃水浴30 min，水浴后再離心15 min所得上清液即為TB-EPS。提取所得的EPS均冷凍保存，以備EPS組分測定。EPS中蛋白質、多糖和DNA質量分數(shù)分別通過考馬斯亮藍顯色(Bradford)法[12]、硫酸蒽酮法[13]和二苯胺試劑法[14]測定。

2 結果與討論

2.1 反應器二維流速場和載片處有效紊流強度

PIV系統(tǒng)測得反應器在不同振動頻率下的二維流速場，通過Tecplot360軟件對其進行可視化處理后得到瞬時流速場分布，如圖2所示?？梢钥闯?，紊流脈動流速隨頻率的增加而增大。

圖2 不同格柵頻率下的瞬時流速場

由所測得的瞬時流速計算生物膜載片處兩方向上脈動流速的均方根比(u/v)，結果見圖3。不同振動頻率下，載片所處范圍的u/v為0.71～0.80，因此，載片位于近似各向同性紊流區(qū)域內(nèi)[15]。

圖3 不同振動頻率下的兩方向均方根流速比(u/v)

Shy等[16]定義某一水平高度的有效紊流強度為

(2)

表1 不同振動頻率下載片處的平均有效紊流強度

2.2 紊流脈動對生物膜生物量的影響

在不同紊流強度下，單片載片上的生物膜生物量見圖4。隨著紊流脈動的增強，干質量先增大后減小。當紊流強度為0 cm/s時，生物膜干質量最小，為(2.7±0.1) mg，當紊流強度分別為0.56、1.45和1.92 cm/s時，生物膜干質量逐步增大至(3.7±0.3)、(12.01±0.98)和(18.29±0.8)mg，但當紊流強度進一步增大至2.54 cm/s時，生物膜干質量減小為(14.75±0.78)mg。生物膜傳質分為外傳質和內(nèi)傳質，水動力條件可以影響生物膜的外傳質，在一定范圍內(nèi)，紊流脈動增強可以減少生物膜流動邊界層和濃度邊界層的厚度，減小膜外傳質阻力，增加污水中營養(yǎng)物質和氧氣的傳質速率[17]，從而促進微生物的生長，生物膜生物量增加。但是當紊流脈動繼續(xù)增強，各向同性紊流在固體邊界產(chǎn)生的水流剪切力也會增強[18]，生物膜為抵抗高強度的水流剪切力而變得更致密[19]，傳質阻力增大，微生物生長速率降低，同時水流剪切力直接影響生物膜的脫落[20]，因而在水流剪切力的作用下，部分生物膜從載片上脫落，當脫落的速率大于微生物生長速率時，載片上的生物量便減少。

圖4 不同紊流強度下生物膜的生物量變化

生物膜反應器中，在一定范圍內(nèi)生物膜生物量越多，反應器的處理效果越好，但是生物量過高，生物膜活性不一定高，污染物去除率也不一定高[21]。葉星等[22]用實驗證明，隨生物膜生物量的增大，反硝化生物濾池對總氮和硝酸鹽的去除率先增大后減小。另外在生物濾池中生物量過大時，會影響濾池的過水通道，出水水質也會變差[23]。因此，通過改變紊流脈動強度使生物膜反應器內(nèi)保持合適的生物量，可以使反應器維持良好的處理能力。

2.3 紊流脈動對生物膜厚度的影響

在不同紊流強度下，生物膜厚度的變化如圖5所示。生物膜厚度同生物量的增減規(guī)律相似，隨著紊流脈動的增強，厚度先增大后減小。格柵靜止不動時生物膜最薄，厚度為(0.43±0.02)mm，當紊流強度分別為0.56、1.45和1.92 cm/s時，生物膜厚度逐步增大至(0.63±0.03)、(0.73±0.05)和(0.95±0.06)mm，當紊流強度進一步增大至2.54 cm/s時，厚度減小為(0.51±0.02)mm。在一定范圍內(nèi)，紊流脈動增強，生物膜邊界層變薄，傳質阻力降低，傳質速率加快，生物膜生物量增加，其厚度也增加；生物膜結構具有異質性和層次性，分為表層、基底層和中間層，表層生物膜很脆弱，易于從載體上脫落下來[24]，因此，當紊流脈動過強時，表層生物膜會被固體邊界的剪切力沖刷并與載片分離，厚度減小。

圖5 不同紊流強度下生物膜的厚度變化

王榮昌等[25]發(fā)現(xiàn)，膜曝氣生物膜反應器的氨氮表面去除率隨著生物膜厚度先增大后減小。Celmer等[3]采用中空纖維膜生物膜反應器進行實驗，結果顯示，生物膜厚度越大，反應器的反硝化速率越小。因此，生物膜反應器中的紊流脈動強度可影響生物膜的厚度，進而影響反應器的處理效果。

2.4 紊流脈動對生物膜密度的影響

在不同紊流強度下，生物膜密度的變化如圖6所示。當紊流強度為0和0.56 cm/s時，生物膜密度分別為(6.98±0.1)和(6.53±0.2)μg/mm3，幾乎沒有變化，當紊流強度進一步增大為1.45、1.92和2.54 cm/s時，生物膜密度也隨之增大，分別為(18.28±0.3)、(21.39±0.37)和(32.14±0.5)μg/mm3。由此可知，當紊流脈動增強時，生物膜會變得更致密，來抵抗載體邊界產(chǎn)生的水流剪切力，避免從載體上脫落，該結果與Beyenal等[19]的研究結果一致。

圖6 不同紊流強度下生物膜密度的變化

Celmer等[26]認為生物膜密度是底物擴散的決定性因素，生物膜密度過大，會影響底物擴散至生物膜，從而影響生物膜反應器的處理效果。因此，控制好紊流脈動和生物膜密度，有利于保持生物膜反應器良好的處理效果。

2.5 紊流脈動對生物膜EPS組分的影響

EPS提取過程中的各項操作可能破壞微生物細胞，內(nèi)源物質就會進入上清液，對EPS組分的測量產(chǎn)生干擾。為考察本次提取是否可靠，測量了EPS中DNA質量分數(shù)，結果見表2。可以看出，DNA質量分數(shù)大部分小于10 %，細胞破碎程度在可接受范圍內(nèi)。

表2 不同振動頻率下生物膜EPS中DNA質量分數(shù)

在5個紊流強度下，生物膜EPS中蛋白質和多糖質量分數(shù)見圖7、8。蛋白質和多糖在EPS中的質量分數(shù)隨著紊流強度的增大而增加，且該兩種物質在緊密結合型EPS(TB-EPS)中比在松散結合型EPS(LB-EPS)中多，由此可見紊流脈動的增強可以促進生物膜分泌EPS，尤其促進TB-EPS的分泌，TB-EPS質量分數(shù)的增多有利于生物膜附著在載片上而不脫落。蛋白質和多糖是EPS的重要組成部分，影響著生物膜與載片的結合，蛋白質由于其氨基酸和官能團而具有很強的疏水性[27]，同時多糖含有氫鍵，可形成高含水凝聚膠，使EPS具有更強的凝聚力，生物膜的結構更加穩(wěn)定，因此，蛋白質和多糖質量分數(shù)的增加，有利于生物膜抵御紊流脈動的增強。

圖7 不同紊流強度下生物膜EPS中蛋白質質量分數(shù)

圖8 不同紊流強度下生物膜EPS中多糖質量分數(shù)

王榮昌等[25]在實驗的后期發(fā)現(xiàn)，胞外多糖和TB-EPS的分泌增多，會導致氧傳質阻力增加，從而導致氧通量降低，反應器的去除效率降低。因此，紊流脈動會影響生物膜EPS的組分和質量分數(shù)，進而影響生物膜反應器的處理效果。

在不同紊流強度下，生物膜EPS中蛋白質與多糖的比值如圖9所示。無論在LB-EPS、TB-EPS還是總-EPS中，蛋白質多糖質量比均大于1，即蛋白質質量分數(shù)均大于多糖。蛋白質提供生物膜大部分的結合位點[28]，另外，蛋白質與多糖的質量分數(shù)與生物膜的密度有關，密度大的生物膜蛋白質多糖比更高，生物膜也更穩(wěn)定[3]。同時，EPS中還含有大量的胞外蛋白酶，以維持微生物的生長代謝活動。

圖9 不同紊流強度下生物膜EPS中蛋白質多糖質量比

3 結 論

1)紊流脈動速度隨著格柵振動頻率的增加而增大；生物膜載片處兩方向上脈動流速的均方根比(u/v)為0.71 ～ 0.80，載片處于各向同性紊流區(qū)域內(nèi)；在0、0.5、1.0、1.5和2.0 Hz 5種頻率下載片處的有效紊流強度分別為0、0.56、1.45、1.92和2.54 cm/s。

2)隨著紊流脈動的增強，傳質速率加快，生物膜生物量和厚度先增大后減小。當有效紊流強度為1.92 cm/s時，生物量和厚度在5個頻率下達到最大，分別為(18.29±0.8)mg和(0.95±0.06)mm。

3)當有效紊流強度為0和0.56 cm/s時，生物膜密度變化不大，而后密度隨著紊流脈動的增強而增大，生物膜變得越來越致密，從而更好地抵御水流剪切力。當有效紊流強度增加到2.54 cm/s時，生物膜密度達(32.14±0.5)μg/mm3。

4)紊流脈動的增強可以促進EPS的分泌，EPS中蛋白質和多糖的質量分數(shù)隨著紊流脈動的增強而增大，且在TB-EPS中該兩種物質多于LB-EPS中。同時，無論在何種形式的EPS中，蛋白質多糖質量比大于1，即蛋白質的質量分數(shù)均大于多糖。