胡小兵,王振振,林 睿,沈翼軍,2,鐘梅英,李晶晶,陳紅偉,周佳穎

生物載體內(nèi)孔徑對(duì)生物膜微型動(dòng)物多樣性與穩(wěn)定性影響

胡小兵1,2*,王振振1,林 睿1,沈翼軍1,2,鐘梅英1,李晶晶1,陳紅偉1,周佳穎1

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002；2.生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 馬鞍山 243032)

為了給廢水處理生產(chǎn)中最佳孔徑的生物載體選型提供依據(jù),本研究系統(tǒng)考察聚氨酯海綿生物載體5種孔徑(0.6～4mm)大小對(duì)生物膜微型動(dòng)物群落多樣性以及穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明:鞭毛蟲、肉足蟲等是運(yùn)行前期與中期的優(yōu)勢(shì)種屬,游泳型與固著型纖毛蟲、輪蟲是后期的優(yōu)勢(shì)種屬.不同孔徑載體在不同時(shí)期,微型動(dòng)物多樣性、穩(wěn)定性等參數(shù)變化具有明顯差異.小孔徑(0.6mm)載體微型動(dòng)物僅在運(yùn)行中期內(nèi)表現(xiàn)出較高多樣性,中小孔徑(1mm)載體多樣性總體偏低,中大孔徑(3mm)和大孔徑(4mm)載體微型動(dòng)物多樣性波動(dòng)劇烈.小孔徑、中小孔徑載體內(nèi)微型動(dòng)物穩(wěn)定性好,中大孔徑載體穩(wěn)定性波動(dòng)大,而大孔徑載體最不穩(wěn)定.中等孔徑(2mm)載體內(nèi)微型動(dòng)物群落物種豐富度、均勻度高,多樣性高且穩(wěn)定(后期=2.12、=1.19、=0.16),其微型動(dòng)物群落最為穩(wěn)定(后期W=0.13),且表現(xiàn)出較好的廢水處理效果,中等孔徑是理想的生物載體內(nèi)部孔徑大小.在生物膜系統(tǒng)中,微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W可作為廢水中CODcr去除效果的指標(biāo)參數(shù).

內(nèi)孔徑；微型動(dòng)物；群落；多樣性；穩(wěn)定性

生物膜法是廢水生物處理兩大工藝技術(shù)之一,微生物(細(xì)菌、真菌、藻類、微型動(dòng)物等)附著在生物載體(填料)上形成生物膜對(duì)廢水進(jìn)行處理[1-2].生物載體的結(jié)構(gòu)及性能決定了廢水處理效率[3].載體表面富足的孔隙能提供更大的比表面積,固定更多的初始微生物以及保護(hù)生物膜免受外界環(huán)境的影響,有利于微生物的生長(zhǎng)增殖[4].多孔載體更優(yōu)于無孔載體[5],啟動(dòng)時(shí)間短,生物固定量大[6].小孔徑載體雖然能具有更大的內(nèi)比表面積,但內(nèi)部孔隙易堵塞,導(dǎo)致內(nèi)部的生物膜無法脫落更新,傳質(zhì)效果差,同時(shí)也不利于個(gè)體較大的微型后生動(dòng)物(如輪蟲)活動(dòng)[7-8].大孔徑載體雖然內(nèi)部空間大,廢水傳質(zhì)能力強(qiáng),但比表面積較小,孔內(nèi)生物膜易受到水力剪切作用而脫落,附著的微生物量較少[8].內(nèi)部孔隙過大或過小的載體成為污水處理的“低效”生物載體.因此,載體內(nèi)孔徑大小影響到生物膜的更新,對(duì)生物膜的穩(wěn)定與污水處理效果提高具有重要意義.

微型動(dòng)物(原生動(dòng)物、微型后生動(dòng)物)在生物膜生態(tài)系統(tǒng)中處于較高營(yíng)養(yǎng)級(jí),是最主要的捕食者[9],在生物膜微生態(tài)系統(tǒng)中,通過吞噬細(xì)菌、菌膠團(tuán)以及有機(jī)顆粒,降低出水濁度,提高出水水質(zhì)[10-11],減少剩余污泥產(chǎn)量[12-13];微型動(dòng)物的活動(dòng)能使生物膜結(jié)構(gòu)變得松散,加速生物膜的脫落與更新[14];微型動(dòng)物可作為指示生物,反映生物膜系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及廢水處理效果[1,15-17].微型動(dòng)物生物多樣性越高,越有利于污水處理[18].群落物種多樣性反映群落生物種類豐富及分布均勻程度,而群落穩(wěn)定性反映生物群落抵抗外界環(huán)境變化和干擾的能力[19].

生物膜法污水處理系統(tǒng)中,生物載體有無孔隙及孔隙尺度大小對(duì)附著生物膜微生物群落有重要影響.表面粗糙多孔的珍珠巖填料相比于光滑無孔的玻璃珠和聚苯乙烯泡沫,其附著生長(zhǎng)生物膜中的微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性更高[20].多面空心球、K型懸浮填料、短管填料、陶粒4種不同內(nèi)部孔徑大小的生物載體中,內(nèi)部孔徑最大的多面空心球附著生物膜上微型動(dòng)物群落多樣性較高且變化平穩(wěn)[7].對(duì)聚氨酯海綿和聚乙烯塑料環(huán)兩種不同內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)載體研究發(fā)現(xiàn),具有網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯海綿載體其附著生物膜微生物豐富且均勻度高,微生物群落對(duì)外界環(huán)境表現(xiàn)出較強(qiáng)的抵抗力和恢復(fù)力,群落穩(wěn)定性好[21].孔徑為560～680μm的陽(yáng)離子親水聚氨酯泡沫載體改性后孔徑范圍擴(kuò)大為280～880μm,具有更高且復(fù)雜的微生物群落多樣性[22].大孔徑(孔數(shù)8～12個(gè)/cm)和小孔徑(孔數(shù)14～16個(gè)/cm)的兩種改性聚氨酯海綿載體比較研究發(fā)現(xiàn),大孔徑聚氨酯海綿微生物群落整體優(yōu)勢(shì)度低,豐富度、均勻度及多樣性高[23].

但這些研究雖然都明確了載體內(nèi)部不同孔隙對(duì)群落物種多樣性、穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響,但沒有明確載體內(nèi)部孔徑的最適宜的大小尺度,且大多從細(xì)菌角度分析載體孔徑大小對(duì)生物群落多樣性及穩(wěn)定性影響.內(nèi)部孔徑大小是生物載體最基本的特性之一,直接影響到掛膜及水處理效果,值得研究.

本文以生物膜微型動(dòng)物為切入點(diǎn),通過對(duì)生物膜微型動(dòng)物群落多樣性及穩(wěn)定性的考察,研究載體內(nèi)孔徑對(duì)生物膜微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響,揭示各孔徑大小載體群落結(jié)構(gòu)特征、物種多樣性和穩(wěn)定性的變化規(guī)律,闡明微型動(dòng)物群落動(dòng)態(tài)變化與廢水處理效果之間的關(guān)系,確定最佳的生物載體內(nèi)部孔徑大小這個(gè)制約生物膜特性的關(guān)鍵性參數(shù),為合理選擇與研發(fā)新型“高效”的污水處理生物載體提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及載體

試驗(yàn)裝置由5根材質(zhì)、尺寸相同的有機(jī)塑料柱并聯(lián)組成.反應(yīng)柱直徑10.20cm,高23.10cm,有效容積1.5L.反應(yīng)柱內(nèi)裝有不同內(nèi)孔徑載體(體積填充率為40%).在室溫(20±5)℃下運(yùn)行,由空氣泵(ACO- 005,中國(guó))進(jìn)行曝氣,智能定時(shí)器(S12,中國(guó))控制曝氣時(shí)間,轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制供氣量為0.2L/min,溶解氧(DO)濃度維持在2.55～5.31mg/L.

生物載體材質(zhì)為聚氨酯過濾海綿, 切成邊長(zhǎng)10mm的立方體.填料表面孔徑為反應(yīng)器內(nèi)最大微生物的1～5倍時(shí),可獲得最大生物膜量[24].污水處理中常見最大微生物為輪蟲(0.06～0.70mm),故研究中設(shè)置如下內(nèi)部孔徑的系列生物載體:R1小孔徑(0.6mm)、R2中小孔徑(1mm)、R3中等孔徑(2mm)、R4中大孔徑(3mm)、R5大孔徑(4mm).載體經(jīng)0.85%乙醇溶液浸泡1d后取出用蒸餾水清洗,自然晾干待用.生物載體基本物理參數(shù)見表1.平均孔徑、孔隙率、空隙率和表觀密度分別采用斷面直接觀測(cè)法[25]、浸泡介質(zhì)法[26]、體積法[27]和容重法進(jìn)行測(cè)定.采用持水倍率[26]表征親水性.

表1 聚氨酯載體主要物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)運(yùn)行

采用接種掛膜法進(jìn)行載體掛膜,接種污泥取自馬鞍山市某污水廠曝氣池,悶曝48h,沉淀后(污泥濃度4000mg/L)投入到各反應(yīng)器中.

試驗(yàn)采用人工模擬廢水,由自來水中加入葡萄糖(碳源)、氯化銨(氮源)、磷酸二氫鉀(磷源)配制而成,并補(bǔ)充微量元素濃縮液[3],采用磷酸緩沖溶液調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為7.5～8.0.模擬廢水水質(zhì)如下:(549.89± 31.27)mg/L COD、(30.96±4.53)mg/L NH4+-N、(5.67±0.69)mg/L TP、0.61mg/L NaCl、0.19mg/L Ca(OH)2、5.07mg/L MgSO4?7H2O、0.28mg/L MnCl2?4H2O、0.44mg/L ZnSO4?7H2O、0.39mg/L CuSO4?5H2O、0.42mg/L CoCl2?6H2O、1.45mg/L FeCl3、30.00mg/L酵母浸膏.

反應(yīng)器共運(yùn)行75d.接種掛膜15d,載體內(nèi)表面觀察到淺褐色的生物膜,鏡檢有輪蟲、線蟲等微型后生動(dòng)物,其種類和數(shù)量較多,表明生物膜已成熟[28],開始正式試驗(yàn).正式運(yùn)行期0～17d,載體上生物膜量從3～7mg/cm3快速增加到8～12mg/cm3;17～42d在6.5～ 17.5mg/cm3范圍內(nèi)波動(dòng);42～60d從8～17mg/cm3平穩(wěn)增長(zhǎng)到12～18.5mg/cm3.結(jié)合微型動(dòng)物種類及廢水處理效果,將60d運(yùn)行期劃分為運(yùn)行前期(0～17d)、運(yùn)行中期(17～42d)和運(yùn)行后期(42～60d) 3個(gè)階段描述.每天運(yùn)行2個(gè)周期,12h/周期,其中,曝氣10h、沉淀1.5h、排水與進(jìn)水0.5h.掛膜期反應(yīng)器換水率為50%左右,運(yùn)行期換水率更換為100%.

1.3 微型動(dòng)物鑒別與計(jì)數(shù)

用塑料刮片小心將從反應(yīng)器中取出的載體外表面極少量生物膜(0.01～0.05mg/cm3)輕輕刮去,將載體外表面殘留生物膜及內(nèi)孔中截留的懸浮生物膜用清水輕輕沖洗干凈.然后將載體用超聲波振蕩1h,再用蒸餾水沖洗數(shù)次,將從載體內(nèi)部剝離的生物膜制成均勻混合液,使用微量移液器(727026,中國(guó))吸取25μL混合液,在光學(xué)顯微鏡(BX53T-32P01,中國(guó))下進(jìn)行種類鑒別與數(shù)量統(tǒng)計(jì).采用明美成像系統(tǒng)采集視頻圖片,結(jié)合文獻(xiàn)和圖譜[29-30],將微型動(dòng)物鑒別至種或類群,再換算成“個(gè)/cm3載體”.

1.4 微型動(dòng)物多樣性分析

將微型動(dòng)物分成鞭毛綱(植鞭毛亞綱、動(dòng)鞭毛亞綱)、肉足綱和纖毛綱,又根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式與攝食習(xí)慣將纖毛綱分為游泳型、匍匐型、固著型、肉食型4個(gè)類群[31],在工程上,常將它們稱為:植鞭毛蟲、動(dòng)鞭毛蟲、肉足蟲、游泳型纖毛蟲、匍匐型纖毛蟲、固著型纖毛蟲、肉食型纖毛蟲.分別采用Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)表征微型動(dòng)物群落豐富度()、均勻度()、優(yōu)勢(shì)度()和多樣性()[32],多樣性穩(wěn)定指數(shù)值(W)越小,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,W=s/m,其中,s為多樣性值標(biāo)準(zhǔn)差,m為多樣性值平均值[33].

1.5 水質(zhì)指標(biāo)分析

COD、NH4+-N、TP按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[34]測(cè)定; DO和水溫采用便攜式溶解氧測(cè)定儀(雷磁JPBJ- 608,中國(guó))測(cè)定;pH值采用數(shù)顯pH計(jì)(雷磁pHS-25,中國(guó))測(cè)定.

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取3個(gè)平行樣的均值進(jìn)行分析.采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),采用SPSS19軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,采用Origin 9.0和Excel 2007完成相關(guān)圖表制作.

2 結(jié)果與分析

2.1 載體上微型動(dòng)物類群

試驗(yàn)運(yùn)行60d中,載體生物膜上共鑒別出92種微型動(dòng)物.其中,原生動(dòng)物鞭毛蟲51種(植物毛綱24種,動(dòng)物毛綱27種);肉足蟲9種(裸變形蟲8種,太陽(yáng)蟲1種);纖毛蟲30種(游泳型纖毛蟲12種,匍匐型纖毛蟲1種,固著型纖毛蟲17種);微型后生動(dòng)物2種.微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種屬主要有裸藻屬(sp.)、瓣胞藻屬(sp.)、波豆蟲屬(sp.)、卡變蟲屬(sp.)、草履蟲屬(sp.)、楯纖蟲屬(sp.)、斜葉蟲屬(sp.)、漫游蟲屬(sp.)、鐘蟲屬(sp.)、累枝蟲屬(sp.)、輪蟲(Rotifer)、線蟲(Nematode)等,具體見表2.部分常見微型動(dòng)物見圖1.

運(yùn)行前期,各載體生物膜上微型動(dòng)物以一些小型鞭毛蟲與肉足蟲為主,種類及數(shù)量均較少.除10d時(shí)R1上數(shù)量達(dá)31200個(gè)/cm3外,其他載體均小于20000個(gè)/cm3.運(yùn)行中期,生物膜生態(tài)系統(tǒng)逐步豐富,微型動(dòng)物食物鏈增長(zhǎng),逐漸出現(xiàn)以尾草履蟲、俏藍(lán)口蟲、斜管蟲(sp.)為代表的游泳型纖毛蟲、以楯纖蟲(sp.)為代表的匍匐型纖毛蟲以及以鐘蟲(sp.)、累枝蟲(sp.)為代表的固著型纖毛蟲.以活動(dòng)范圍較廣的游泳型纖毛蟲為主,數(shù)量為160～35200個(gè)/cm3.31～41d時(shí),5種內(nèi)孔孔徑載體微型動(dòng)物物種數(shù)量均達(dá)到最大43200～84000個(gè)/cm3.運(yùn)行后期,生物膜成熟,鞭毛蟲數(shù)量顯著下降造成微型動(dòng)物總數(shù)降低,數(shù)量基本維持在2880～28640個(gè)/cm3.但其生態(tài)系統(tǒng)物種變得更為豐富,有固著型纖毛蟲(種類增多)、鞭毛蟲、肉足蟲、游泳型纖毛蟲、微型后生動(dòng)物等.

表2 生物載體內(nèi)孔生物膜微型動(dòng)物

a. 波豆蟲,′400; b. 近蛞蝓卡變蟲,′400; c. 尾草履蟲,′100; d. 有肋楯纖蟲,′400; e. 微盤蓋蟲,′100; f. 輪蟲,′100

2.2 不同孔徑載體生物膜上微型動(dòng)物多樣性

5種載體內(nèi)微型動(dòng)物物種多樣性指數(shù)與豐富度、優(yōu)勢(shì)度、均勻度的相關(guān)性如表3所示.

5種孔徑載體的多樣性指數(shù)與優(yōu)勢(shì)度均呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05),除R2外與豐富度均呈顯著正相關(guān)(<0.05),而與均勻度僅有R2表現(xiàn)出顯著正相關(guān)(<0.05),與其他孔徑載體均勻度的相關(guān)性不顯著(>0.05).說明孔內(nèi)生物膜微型動(dòng)物物種豐富度和優(yōu)勢(shì)度是影響多樣性指數(shù)變化的重要因素,而均勻度對(duì)多樣性指數(shù)影響較小.

表3 不同內(nèi)孔徑載體微型動(dòng)物多樣性特征指數(shù)間的相關(guān)性

注:*<0.05;**<0.01.

運(yùn)行前期,5種載體微型動(dòng)物群落多樣性指數(shù)均出現(xiàn)小幅跌落(圖2(a)),因?yàn)榇藭r(shí)生物膜上細(xì)菌種類較少,更適小型鞭毛蟲、肉足蟲生長(zhǎng)并成為優(yōu)勢(shì)種群,使得豐富度不同程度降低(圖2(b)),優(yōu)勢(shì)度出現(xiàn)一定程度的增加(圖2(c)).如中等孔徑R3的第11～15d,豐富度由0.44降至0.12,優(yōu)勢(shì)度由0.36增至0.50,多樣性指數(shù)由1.29降至0.69.

運(yùn)行中期,不同載體上微型動(dòng)物多樣性均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng).中大孔徑R4、大孔徑R5多樣性波動(dòng)幅度大.R4豐富度前半段降低幅度較大,后又增長(zhǎng)至較高水平,微型動(dòng)物生態(tài)類型逐漸合理,優(yōu)勢(shì)度在中后段不斷降低.因此R4多樣性指數(shù)呈“先減后增”變化,為1.35±0.66,23d達(dá)到最低(0.21),多樣性總體趨向更優(yōu).而大孔徑5多樣性指數(shù)呈“M”型波動(dòng),為1.00±0.43,總體處于較低水平.這由于波動(dòng)幅度大且較低(0.59±0.34),較高,鞭毛蟲長(zhǎng)期為優(yōu)勢(shì)種群.大孔徑載體,空隙率高,內(nèi)孔生物膜易受到水流和氣泡的沖擊,加速了生物膜的脫落.R5載體上生物膜量極差達(dá)到6.5mg/cm3,使得膜內(nèi)各種類微型動(dòng)物比例失衡,物種分布不均,多樣性波動(dòng)大.

運(yùn)行中期的小孔徑R1、中小孔徑R2和中等孔徑R3上微型動(dòng)物多樣性指數(shù)波動(dòng)較小.R1和R3的均呈小幅波動(dòng)上升趨勢(shì),這是由于它們的豐富度總體波動(dòng)上升所造成的.小孔徑R1上升趨勢(shì)較R3更加穩(wěn)定,且R1的(1.73±0.30)大于R3(1.53± 0.34),因?yàn)镽1優(yōu)勢(shì)度(0.24±0.07)小于R3(0.34±0.15),而R3種群集中程度更高.中小孔徑R2的呈“先減后增”變化,總體較低(1.04±0.35),這是因?yàn)榇穗A段其物種豐富度(0.47±0.23)低,均勻度下降(19～39d由0.86降低至0.29)(圖2(d)),且優(yōu)勢(shì)度增加(19～ 39d由0.24增長(zhǎng)至0.72)所致.小孔徑載體上附著生物膜不易受到水力剪切作用,生物膜較穩(wěn)定不易脫落,如R2載體上生物膜量極差只有9.0mg/cm3,因此,其微型動(dòng)物群落穩(wěn)定,物種多樣性波動(dòng)小.

運(yùn)行后期,各載體微型動(dòng)物多樣性指數(shù)均較穩(wěn)定.對(duì)于R2、R3和R5載體,生物膜相對(duì)穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)平衡.豐富度逐步增加,優(yōu)勢(shì)度逐漸減小,均勻度平穩(wěn),故多樣性指數(shù)平穩(wěn)上升.其中,R3平穩(wěn)度高,(均值為2.12)最大.R1和R4的先小幅跌落再上升,其原因是降低或增加不顯著,而其出現(xiàn)了顯著的增加.跌落時(shí),R1生物膜上缺少其他孔徑內(nèi)均出現(xiàn)的個(gè)體很大的輪蟲與線蟲,但體積很小的鞭毛蟲數(shù)量卻很大,從而導(dǎo)致其變小,變大而R4則相反,生物膜上出現(xiàn)較多的輪蟲,使得變大,各種鞭毛蟲數(shù)量減少,使其變化不大.

運(yùn)行后期5種孔徑生物載體的值排列順序?yàn)镽3(2.12±0.28)>R4(1.83±0.54)>R1(1.81±0.52)>R2(1.78±0.30)>R5(1.39±0.66),這是因?yàn)楹笃谏锬は鄬?duì)穩(wěn)定,載體孔徑過大(R4、R5)生物膜易脫落,生物膜量小(R4為10.2mg/cm3、R5為9.5mg/cm3),或孔徑過小(R1、R2),雖然載體上生物膜量較高(R1為17.4mg/ cm3、R2為16.6mg/cm3),但傳質(zhì)較困難,生物膜活性不高.因而載體內(nèi)孔徑過大過小均不利微型動(dòng)物多樣性的增加,因此,中等孔徑R3上微型動(dòng)物多樣性指數(shù)最高.

2.3 不同孔徑載體生物膜上微型動(dòng)物穩(wěn)定性

物種多樣性的增加是增強(qiáng)群落穩(wěn)定性的重要因素[35].采用多樣性穩(wěn)定指數(shù)W作為群落穩(wěn)定性的評(píng)判參數(shù),計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 不同孔徑載體生物膜微型動(dòng)物穩(wěn)定性

由表4可見,不同孔徑載體上微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W在不同階段均不同,呈現(xiàn)不同變化規(guī)律.在運(yùn)行后期,小孔徑載體R1、大孔徑載體R5多樣性穩(wěn)定指數(shù)W大于運(yùn)行前期、中期,穩(wěn)定性變差.其中,R1的W呈“V”型變化,在運(yùn)行中期內(nèi)達(dá)到最低值0.14,群落穩(wěn)定性最高.大孔徑載體R5多樣性穩(wěn)定指數(shù)W不斷升高,運(yùn)行后期達(dá)到0.47,表明其微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性不斷降低.

中小孔徑R2和中大孔徑R4載體微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W均呈倒“V”型變化.R2變化幅度較小(方差為0.03×10-2),各個(gè)階段相差不大,因而一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài).而R4穩(wěn)定指數(shù)W變化幅度較大(方差為2.31×10-2),尤其是在運(yùn)行中期,W增加了2.5倍,到運(yùn)行后期其W仍然較高,故微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性較差.

雖然中孔徑載體R3微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W在運(yùn)行前期、中期高于R1、R2,但其不斷降低,在后期達(dá)到最低值(0.13).從運(yùn)行后期看,小孔徑R1、中小孔徑R2微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性又高于中大孔徑R4、大孔徑R5,而中等孔徑載體R3上微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性顯著優(yōu)于其他所有孔徑生物載體上的微型動(dòng)物.這是因?yàn)閮?nèi)水流可較順利地通過R3的中等孔徑,具有良好傳質(zhì)效果,內(nèi)部生物膜可獲得豐富的營(yíng)養(yǎng)與氧氣,生物膜活性較高.同時(shí),水力剪切能使生物膜正常脫落更新,并將脫落的生物膜帶出內(nèi)部空隙,而不堵塞載體內(nèi)部孔隙,為微型動(dòng)物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的生態(tài)環(huán)境.R3各運(yùn)行期(尤其是后期),微型動(dòng)物物種豐富,出現(xiàn)了鞭毛蟲、肉足蟲、纖毛蟲、微型后生動(dòng)物等各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的微型動(dòng)物,而且鐘蟲(sp.)、累枝蟲(sp.)等固著型纖毛蟲的優(yōu)勢(shì)度很高,這是污水生物處理系統(tǒng)成熟穩(wěn)定的標(biāo)志.

2.4 微型動(dòng)物穩(wěn)定性和廢水處理效果的相關(guān)性

在污水處理系統(tǒng)中,微型動(dòng)物是污水處理微生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié),微型動(dòng)物可指示污水處理效果,其群落穩(wěn)定性與污水處理效果之間存在一定的相關(guān)性,兩者的具體關(guān)系分析如表5所示.

表5 微型動(dòng)物穩(wěn)定性與廢水處理效果的相關(guān)性

注:*<0.05;**<0.01.

由表5可見,微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W與3個(gè)污染指標(biāo)間的相關(guān)性各不相同.W與CODCr在運(yùn)行前期、中期與后期3個(gè)時(shí)期均存在顯著相關(guān)性(<0.05),相關(guān)系數(shù)均超過0.92,說明微型動(dòng)物穩(wěn)定性越高,污水處理效果越好.W與TP在運(yùn)行后期相關(guān)非常顯著(=-0.975,<0.05),其相關(guān)系數(shù)值比運(yùn)行前期、中期高出30%,表明生物膜成熟后,穩(wěn)定的微型動(dòng)物群落有利于生物膜的更新、脫落,系統(tǒng)具有良好的除磷效果[36].W與NH4+-N的相關(guān)性從運(yùn)行前期到后期逐漸提高,但總體上還是較弱,相關(guān)系數(shù)小于0.73,可能的原因是微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定,微型動(dòng)物的活躍活動(dòng)破壞生物膜的厭氧環(huán)境,抑制反硝化,從而影響NH4+-N的去除效果.因此,微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W可作為廢水中CODCr去除效果的指標(biāo)參數(shù),也可作為生物膜成熟系統(tǒng)中TP去除效果的指標(biāo)參數(shù),但不適合于NH4+-N去除效果.

2.5 不同孔徑載體與廢水處理效果的相關(guān)性

圖3可見,隨著生物膜量的增加,不同孔徑生物載體對(duì)污水處理的效果逐步提高.同時(shí),在運(yùn)行前期、中期對(duì)CODCr的去除效果明顯要好于對(duì)NH4+-N、TP的去除,到運(yùn)行后期,差距明顯縮小.在污水處理系統(tǒng)中,微型動(dòng)物可指示污水處理效果,微型動(dòng)物穩(wěn)定性與廢水處理效果的相關(guān)性分析結(jié)果如表5所示.

圖3 不同內(nèi)孔徑生物載體廢水處理效果

小孔徑載體R1在運(yùn)行中期的廢水處理效果最好,CODCr、NH4+-N、TP平均去除率分別達(dá)到93.4%、85.0%、90.2%,這得益于小孔徑填料具有更大的比表面積,能附著更多的生物量.但由于傳質(zhì)困難,到運(yùn)行后期對(duì)污染物的去除效果優(yōu)勢(shì)降低.R2在運(yùn)行前期對(duì)廢水的處理效果有明顯的優(yōu)勢(shì),運(yùn)行12d時(shí), CODCr的去除率達(dá)到96.9%,運(yùn)行中期、后期去除效果表現(xiàn)一般.R4在運(yùn)行前期的12d時(shí),CODCr的去除率高達(dá)98.5%,運(yùn)行中期顯著降低,運(yùn)行后期表現(xiàn)良好.大孔徑R5整個(gè)過程表現(xiàn)最差,運(yùn)行后期對(duì)CODCr、NH4+-N、TP的去除率分別為82.3%、85.7%、70.1%,且處理效果不穩(wěn)定,因?yàn)榭讖捷^大易受到水流的沖擊,生物膜易脫落,生物量低,處理能力差.

中等孔徑載體R3在運(yùn)行前期、中期表現(xiàn)不突出,但到運(yùn)行后期,微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性達(dá)到最佳,其生物膜特性優(yōu)異,對(duì)CODCr的平均去除率達(dá)到96.3%.生物膜內(nèi)部存在厭氧層[37]可進(jìn)行反硝化,從而表現(xiàn)出很好的NH4+-N去除效果,平均去除率達(dá)到94.4%.同時(shí),生物膜上存在輪蟲、線蟲等個(gè)體較大的微型后生動(dòng)物,它們對(duì)生物膜產(chǎn)生一定的松動(dòng)作用[14],加速部分生物膜的脫落,將生物膜中聚磷菌積累的磷通過排泥而去除[36],對(duì)TP的平均去除率達(dá)到了90.3%.因此,中等孔徑載體3在生物膜成熟后的具有更為穩(wěn)定的廢水去除效果,更適于實(shí)際工程長(zhǎng)期使用.

3 討論

3.1 微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性的作用

一般在污水處理中,由于污水處理工藝條件的變化會(huì)影響到微型動(dòng)物的變化,特定類型的微型動(dòng)物適應(yīng)特定的環(huán)境條件,活性污泥微型動(dòng)物與污水廠運(yùn)行狀況之間存在著密切的關(guān)系,可作為活性污泥/生物膜法污水處理性能的指示生物[15,38],反映活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài).但在污水處理系統(tǒng)中,微型動(dòng)物不是出現(xiàn)一種或一個(gè)類群,而是存在多種、不同生態(tài)類型,它們形成了一個(gè)微生態(tài)系統(tǒng).群落多樣性反映群落中包含的物種數(shù)目和個(gè)體在種群間的分布情況.在污水處理中,進(jìn)水水質(zhì)、處理工藝、運(yùn)行參數(shù)等環(huán)境因子的改變均會(huì)影響微生物群落的組成及生物多樣性[39-40].在COD濃度較低的水質(zhì)環(huán)境下,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匱乏導(dǎo)致微生物群落多樣性較低[41].廢水中常見重金屬污染物,如銅、鉻、鎳等會(huì)抑制微生物大部分代謝途徑、微生物活性低,部分細(xì)菌相對(duì)豐度降低[42-43].處理工藝影響整個(gè)微型動(dòng)物群落,MBR中處理工藝和進(jìn)水水質(zhì)的改變導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性降低[44],因此,研究者又采用微型動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)的多樣性參數(shù)來反映污水處理系統(tǒng)狀況[45].因?yàn)槎鄻有宰兓^大,與污水處理工藝參數(shù)的相關(guān)性不是非常顯著,相關(guān)性系數(shù)通常小于0.5(<0.05)[38].且有研究表明多樣性越高也并不意味著穩(wěn)定性越高,多樣性過高反而會(huì)使種群間平衡發(fā)生波動(dòng),導(dǎo)致群落局部穩(wěn)定性降低[46-48].穩(wěn)定性作為一個(gè)綜合的生態(tài)因素,其包含了生物之間的相互作用(互生、競(jìng)爭(zhēng)、捕食等)以及環(huán)境波動(dòng)所引起的物種或群落的變化[49-50],體現(xiàn)了生物群落對(duì)環(huán)境變化的抵抗力及適應(yīng)力[51].群落穩(wěn)定性同樣受水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度(COD、NH4+-N、TP等)、溶解氧、pH值、水溫及運(yùn)行參數(shù)的影響[52-54].微生物群落的穩(wěn)定性保證了進(jìn)水基質(zhì)底物的有效降解[53].

探究微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性與廢水處理效果的關(guān)系,對(duì)于研究污水處理工藝效果以及定量化分析污染物去除指標(biāo)與微生物群落間關(guān)系具有重要意義.本文采用微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W時(shí),其與污染去除指標(biāo)之間的相關(guān)性系數(shù)超過0.9(<0.05).因此,微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W是一個(gè)更加理想的污水處理效果指標(biāo).

3.2 生物載體最佳孔徑確定意義

目前研究主要集中于載體外部形態(tài)、尺寸大小對(duì)生物膜特性、污水處理效果研究上,而對(duì)載體內(nèi)部孔徑大小的影響研究相對(duì)較少.內(nèi)部有空隙的生物載體(填料)在生物學(xué)性能上比無孔載體更優(yōu)越[5],目前在水處理領(lǐng)域中,使用最廣泛的是多孔填料.孔徑作為載體最重要的物理性能之一,其大小對(duì)載體內(nèi)部生物膜生長(zhǎng)及微生物群落結(jié)構(gòu)有重要影響.由于不同孔徑大小載體其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及流場(chǎng)不同,使得孔隙內(nèi)生物膜所受到的水力剪切應(yīng)力大小不同[55],而不同的剪切應(yīng)力會(huì)影響生物膜的脫落更新以及細(xì)菌群落之間的競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展,從而導(dǎo)致生物膜活性、微生物群落組成及空間分布發(fā)生改變[56-58].如果內(nèi)部孔徑小,則低水力剪切應(yīng)力作用下的生物膜微生物群落穩(wěn)定,其多樣性水平更高;而高水力剪切應(yīng)力對(duì)生物膜的沖刷剪切作用大,生物膜易脫落,微生物多樣性較低[59].

實(shí)際工程中所使用的多孔生物載體種類多樣、形態(tài)各異,其內(nèi)孔徑也相差很大.如小孔徑的陶粒、沸石等多孔載體,其比表面積大,孔隙細(xì)小(孔徑<1mm),生物載體內(nèi)部水流阻力大,傳質(zhì)慢,掛膜速度慢;孔徑遠(yuǎn)小于成熟生物膜厚度(100～1000mm),妨礙生物膜生長(zhǎng),同時(shí)不利于個(gè)體較大的微型后生動(dòng)物(如輪蟲,60～700mm)活動(dòng),一旦生物膜生長(zhǎng)較多時(shí),會(huì)將內(nèi)部孔隙封閉起來,導(dǎo)致孔隙堵塞[60],不利于內(nèi)部生物膜脫落更新,導(dǎo)致生物膜活性降低,水處理效率降低.內(nèi)孔徑(3～5mm)較大的K型填料[61]、大空間(大于10mm)的多面空心球載體,內(nèi)空間大,布水布?xì)夤δ茌^強(qiáng),生物膜活性較高,但沖擊負(fù)荷大時(shí),易脫落的生物膜穩(wěn)定性差,微生物群落多樣性低,處理效果變差[59,62].這些內(nèi)部空間過小或過大的生物載體為“低效載體”,生產(chǎn)生物載體的成本昂貴,造成資源與能源的浪費(fèi).

因此,生物載體內(nèi)部孔徑多大有利于微型動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,有利于污水處理,目前沒有研究報(bào)道,值得研究.而在實(shí)際生產(chǎn)上,大多依靠經(jīng)驗(yàn)去篩選生物載體,不能發(fā)揮生物載體的作用,處理效果不理想.本文確定的中等孔徑載體R3生物膜中微型動(dòng)物物種多樣性以及穩(wěn)定性最優(yōu),具有較好的廢水處理效果,是理想的多孔載體內(nèi)孔徑.這個(gè)結(jié)論將為新型“高效載體”研發(fā)、生產(chǎn)上載體選型提供依據(jù).

4 結(jié)論

4.1 不同運(yùn)行期的優(yōu)勢(shì)類群不同,研究鑒別出的92種微型動(dòng)物,鞭毛蟲、肉足蟲及游泳型纖毛蟲在運(yùn)行前期、中期占優(yōu)勢(shì);游泳型纖毛蟲、固著型纖毛蟲和輪蟲在運(yùn)行后期占優(yōu)勢(shì)地位.

4.2 在不同時(shí)期,不同孔徑載體上生物膜微型動(dòng)物多樣性等參數(shù)變化差異較大.中孔徑R3微型動(dòng)物群落多樣性變化最為穩(wěn)定且不斷增強(qiáng),其物種豐富且分布均勻,運(yùn)行后期(2.12)、(1.19)最高,最低(0.16)小孔徑R1和中小孔徑R2微型動(dòng)物群落多樣性波動(dòng)較小,而中大孔徑R4、大孔徑R5多樣性波動(dòng)大,不穩(wěn)定.

4.3 不同孔徑載體中,中孔徑R3載體附著生物膜微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性最好,隨運(yùn)行期不斷增強(qiáng),到運(yùn)行后期達(dá)到最穩(wěn)定(W=0.13).小孔徑載體(R1、R2)群落穩(wěn)定性次之,總體上相較于大孔徑(R4、R5)更好一些.

4.4 微型動(dòng)物穩(wěn)定性與廢水處理的相關(guān)性分析表明,微型動(dòng)物多樣性穩(wěn)定指數(shù)W可作為廢水中CODcr去除效果的指標(biāo)參數(shù).

4.5 在運(yùn)行前期,中大孔徑R4、中小孔徑R2對(duì)廢水的處理效果有較大優(yōu)勢(shì).運(yùn)行中期內(nèi),小孔徑載體R1對(duì)廢水的處理表現(xiàn)最好.而在運(yùn)行后期時(shí),群落穩(wěn)定性最高的中孔徑R3有最好的廢水去除效果,大孔徑R5整個(gè)過程廢水處理效果表現(xiàn)均不理想.因此,中孔徑R3是理想的生物載體內(nèi)部孔徑.

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致謝：對(duì)馬鞍山市污水廠在污泥取樣等方面提供的幫助表示感謝.

Effect of inner-pore diameter of bio-carrier on community diversity and stability of microfauna in biofilm.

HU Xiao-bing1,2*, WANG Zhen-zhen1, LIN Rui1, SHEN Yi-jun1,2, ZHONG Mei-ying1, LI Jing-jing1, CHEN Hong-wei1, ZHOU Jia-ying1

(1.College of Architectural Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China；2.Engineering Research Center of Water Purification and Utilization Technology based on Biofilm Process, Ministry of Education, Ma'anshan 243032, China)., 2021,41(11)：5292～5302

In order to provide the basis for the selection of biological carrier with the best pore size in wastewater treatment production, polyurethane sponges with five kinds of inner-pore diameter (0.6～4.0mm) were used as the biological carriers in this study. The effects of the inner-pore diameter on the species diversity and stability of microfauna were systematically investigated. The results showed that flagellates, sarcodina etc., were the dominant species in the intial and middle periods of reactor operation. Whereas, the swimming and sessile ciliates and rotifers mainly occurred in the later stage. Diversity, stability and other parameters of microfauna in different carrier pore sizes exhibited significantly divergence at three distinct periods. The microfauna in the carrier with small pore size (0.6mm) showed high diversity only during the middle period of reactor operation, while the diversity of microfauna in the carriers of 1.0mm diameter was generally lower. However, the diversity of microfauna in the carriers with larger (3.0mm) and big pore size (4.0mm) fluctuated dramatically during the whole process. The stability of microfauna in the carriers with small (0.6mm) and small-moderate pore size (1.0mm) were superior to the carriers with larger pore in the middle and later periods of reactor operation, but worse in the intial periods of reactor operation. Notably, the stability of big pore bio-carrier (4.0mm)was the most undesirable throughout the reactor process. Compared to other size of bio-carriers, the microfauna community in the bio-carrier with moderate pore (2.0mm) possessed higher species richness and uniformity, resulting in a high and stable diversity (=2.12,=1.19,=0.16 in the later period). In addition, microfauna community on the moderate-pore bio-carrier emerged the strongest stability (W=0.13 in later period) with an excellent efficiency of wastewater treatment. In the biofilm system, the stability indexWcan be used as the index parameter of CODcrremoval efficiency.

inner-pore diameter；microfauna；community；diversity；stability

X17

A

1000-6923(2021)11-5292-11

胡小兵(1966-),男,安徽涇縣人,博士,副教授,主要從事水處理生物學(xué)與污水生態(tài)處理研究.發(fā)表論文50余篇.

2021-04-04

生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心項(xiàng)目(BRT19-02);安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃(202004h07020027)

* 責(zé)任作者, 副教授, 1061046269@qq.com