一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法，屬于生物膜污水處 理及載體表面生物膜原位測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物膜是由微生物及其表面分泌物，及其它雜質(zhì)組成的膜狀物質(zhì)。生物膜用于污 水，主要是利用附著生長在固體表面的生物膜中微生物代謝轉(zhuǎn)化污水中生物利用的有機 物、氨氮、磷等物質(zhì)，實現(xiàn)污水凈化。生物膜法是污水處理的一種常規(guī)工藝，具有剩余污泥 產(chǎn)生量少，水質(zhì)適應(yīng)能力強，特別適用于處理低濃度污水，如地表水、水產(chǎn)養(yǎng)殖養(yǎng)殖污水等。 由于生物膜是污水處理系統(tǒng)的核心，有必要深入了解生物膜特性與污水處理效果的相關(guān)關(guān) 系，為提高生物膜污水處理系統(tǒng)的處理效果提供理論依據(jù)。
[0003] 目前，關(guān)于處理污水生物膜研究的一般步驟是在污水處理系統(tǒng)中采用顆粒固體 料、軟性毛刷填料或者半軟性復(fù)合塑料等填料，為微生物附著生長形成生物膜提供附著表 面，待生物膜形成后，改變污水處理系統(tǒng)工藝參數(shù)，并在不同工藝參數(shù)條件下收集不同位置 的填料，顯微鏡下觀察生物膜厚度，并刮取填料表面生物膜進行破壞性采樣，進行微生物種 群多樣性、功能微生物數(shù)量測試分析，探索生物膜特征與污水處理效果的相關(guān)關(guān)系，為污水 生物膜處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計及運行管理提供理論依據(jù)。然而，這種傳統(tǒng)的研究方案，不能反 映填料表面生物膜真實條件下，生物膜內(nèi)部質(zhì)地結(jié)構(gòu)、膜內(nèi)外傳質(zhì)過程、生物膜在填料表面 的黏附力及生物膜脫落、微生物及其分泌物空間分布特征、微生物菌落結(jié)構(gòu)。另外，將生物 膜填料表面面積小，顯微鏡觀察其表面生物膜難度極高、準確度難以保障。
[0004] 生物膜內(nèi)部質(zhì)地結(jié)構(gòu)直接影響污水中污染物在生物膜內(nèi)部傳質(zhì)過程，而膜內(nèi)外傳 質(zhì)效率影響膜內(nèi)外微生物的生存和生長，從而影響其對污染物的吸附和降解，這對污水中 污染物去除有直接影響作用。另外，生物膜在填料表面的黏附力與生物膜脫落之間存在密 切的相關(guān)關(guān)系。黏附力較強的情況下，生物膜不易脫落，可以持續(xù)在污水污染物去除中發(fā)揮 較大的作用。再有，微生物及其分泌物空間分布特征將影響其對細胞的粘附和凝聚，從而決 定生物膜整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，有必要在維持生物膜結(jié)構(gòu)的條件，對生物膜結(jié)構(gòu)及微生 物特征進行深入探究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決污水生物膜處理系統(tǒng)中生物膜樣品原位分析取樣難題，提供一種生 物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法，研究原位條件下生物膜微生物胞外多聚物空間 分布、生物膜在載體表面的粘附力、生物脫氮功能微生物豐度及空間分布特征等，為污水生 物膜處理系統(tǒng)設(shè)計及運行管理提供理論依據(jù)。
[0006] 生物膜污水處理裝置包括凹形水槽、進水系統(tǒng)、出水收集系統(tǒng)和計算機；
[0007] 其中，凹形水槽由橫置的半圓筒及分別固定于半圓筒兩端的矩形板組成，矩形板 上邊緣與半圓筒的開口位于同一平面，矩形板的高大于半圓筒的半徑，在半圓筒的軸線位 置設(shè)有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的兩端分別通過軸承與兩塊矩形板連接，轉(zhuǎn)軸的一端與固定于該端矩形 板上的同步電機的輸出軸相連，同步電機由脈沖電源驅(qū)動，帶動轉(zhuǎn)軸使其轉(zhuǎn)速在l-300rpm 范圍內(nèi)實時連續(xù)可調(diào)。在轉(zhuǎn)軸上同軸線地固定有若干圓形的生物膜載體盤片，生物膜載體 盤片的正反盤面上沿徑向隨機地各開有3-5條矩形凹槽，在矩形凹槽內(nèi)無縫嵌有與生物膜 載體盤片相同材質(zhì)的生物膜試條，生物膜試條外表面與生物膜載體盤片的盤面處于同一平 面。凹形水槽的兩塊矩形板中一塊上開有進水孔，另一塊上開有出水孔，底部開有污水排空 口。進水孔與出水孔位于同一高度，且對稱分設(shè)于凹形水槽半圓筒的軸向?qū)ΨQ面兩側(cè)。
[0008] 進水系統(tǒng)包括進水管路、進水栗和用于盛放待處理污水的集水池；出水收集系統(tǒng) 包括出水栗、出水管路和用于盛放處理后污水的貯存池。進水栗的進水口通過進水管路連 接集水池，進水栗的出水口連接凹形水槽的進水孔；凹形水槽的出水孔與出水栗的進水口 連接，出水栗的出水口通過出水管路連接IC存池。在集水池與IC存池中均設(shè)有氨氮在線測 試裝置和cod在線測試裝置，并且分別與計算機連接。
[0009] 上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，生物膜載體盤片厚度為0. 5~2cm，生物膜載體盤片 半徑為凹形水槽半徑90%~95%。盤片上的矩形凹槽的長度為生物膜載體盤片半徑的 85%~100%，長寬比10 :1~10 :2,深度為1~3mm。
[0010] 生物膜原位測試的方法包括如下步驟：
[0011] 1)開啟進水栗，將污水由集水池栗入凹形水槽，開啟脈沖電源驅(qū)動同步電機，帶動 轉(zhuǎn)軸以1~25rpm定軸轉(zhuǎn)動，開啟出水栗，將處理后的污水由凹形水槽栗入貯存池；
[0012] 2)使凹形水槽內(nèi)液面高度浸沒生物膜載體盤片面積的35%~40% ;集水池和貯 存池內(nèi)的氨氮在線測試裝置與COD在線測試裝置均每24小時測試進水及出水氨氮及COD 濃度，每完成24h濃度測量后，排盡貯存池中的廢水。當(dāng)連續(xù)3~5天的出水氨氮及COD濃 度標(biāo)準差分別在±5%范圍內(nèi)時，裝置處理污水效果達到穩(wěn)定，關(guān)閉進水栗、出水栗及脈沖 電源，使生物膜載體盤片停止轉(zhuǎn)動，拆卸下滿足測試需求數(shù)量的生物膜試條，進行四組生物 膜原位測試：
[0013] 第一組：進行生物膜胞外多聚物內(nèi)含的多糖、蛋白質(zhì)熒光染料染色-共聚焦顯微 鏡觀測，獲得生物膜內(nèi)部不同厚度處微生物胞外多聚物空間分布影像照片；
[0014] 第二組：置于原子力顯微鏡下通過探針頭輕敲生物膜試條表面生物膜獲得生物膜 力學(xué)特征數(shù)據(jù)并分析生物膜微生物黏附力；
[0015] 第三組：將生物膜試條表面生物膜經(jīng)過熒光原位雜交-共聚焦顯微鏡觀察，獲得 生物膜不同厚度處氨氧化菌、亞硝酸鹽氮氧化菌及總細菌影像照片，計算氨氧化菌、亞硝酸 鹽氮氧化菌占總細菌的比例進行豐度分析；
[0016] 第四組：置于微電極測試系統(tǒng)，獲得氨氮、溶解氧、硝酸鹽氮的在生物膜內(nèi)部傳質(zhì) 系數(shù)及傳質(zhì)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型；
[0017] 3)將生物膜載體盤片復(fù)位，重新開啟進水栗、出水栗及脈沖電源，改變進水水量或 改變轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，繼續(xù)步驟2);
[0018] 4)重復(fù)步驟3)直至實驗設(shè)計的不同進水量和不同轉(zhuǎn)速參數(shù)條件的測試均完成；
[0019] 5)將每次生物膜原位測試的結(jié)果與該次生物膜污水處理裝置中污水去除氨氮及 COD濃度進行比對，獲得生物膜結(jié)構(gòu)及微生物學(xué)特征與污水處理效果的相關(guān)關(guān)系。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] (1)部分生物膜載體盤片交替浸沒在污水中，載體盤片表面上的生物膜交替暴露 在空氣和污水中，生物膜微生物在有氧及缺氧環(huán)境中生存并進行代謝活動，污水中污染物 可被生物膜表面微生物吸附、降解、轉(zhuǎn)化分解，裝置具有污水處理功能，同時裝置生物膜載 體盤片上的可拆卸生物膜試條，可用于生物膜原位樣品采集測試，裝置具備污水處理與生 物膜原位樣品采集測試兩種功能，克服傳統(tǒng)生物膜污水處理裝置普遍存在的生物膜原位分 析困難，解決純培養(yǎng)生物膜測試系統(tǒng)不具備污水處理功能的問題。
[0022] (2)裝置污水進水孔與出水孔斜對角布置、污水處理裝置采用凹形水槽及部分浸 沒在污水中的生物膜載體盤片轉(zhuǎn)動的方式，減少污水生物膜處理裝置內(nèi)部水流死區(qū)，提高 裝置污水處理效率，促進生物膜在生物膜載體盤片上均勻生長，生物膜載體盤片表面隨機 設(shè)置矩形凹槽，矩形凹槽內(nèi)嵌可拆卸的生物膜試條，生物膜試條與載體盤片材質(zhì)及粗糙度 相同，生物膜試條表面生物膜與生物膜載體盤片上生物膜特征相同，通過拆卸生物膜試條， 將黏附有生物膜的生物膜試條置于測試儀器上進行微生物胞外多聚物染色-共聚焦顯微 鏡圖像測試、原子力顯微鏡生物膜黏附力測試、熒光原位雜交-共聚焦顯微鏡脫氮功能微 生物測試、微電極生物膜內(nèi)部氨氮、溶解氧、硝酸鹽氮傳質(zhì)過程測試，攻克傳統(tǒng)生物膜污水 處理裝置普遍存在的保持生物膜原有結(jié)構(gòu)形態(tài)進行測試中生物膜樣品采集困難的難題，將 上述生物膜原位測試數(shù)據(jù)結(jié)果與生物膜污水處理裝置污