下水道管渠內(nèi)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(tǒng)主要是由污水收集系統(tǒng)（排水管網(wǎng)）和污水處理系統(tǒng)（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(wǎng)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(shí)際上，城市污水系統(tǒng)對污水的凈化并不是在污水到達(dá)污水處理廠時才開始的，從污水進(jìn)入污水管網(wǎng)的那一刻起，污水系統(tǒng)對污水的凈化就已經(jīng)開始了，污水管網(wǎng)對于污水處理廠來說，其作用不僅僅只是一個“供應(yīng)站”，它同時也扮演了一個巨大的中間反應(yīng)器的角色，對一些排水管道內(nèi)壁生物膜的大量測試表明：原污水中和下水道管內(nèi)壁已存在著大量高活性的微生物，管道中的生物不斷發(fā)生著細(xì)菌增殖、適應(yīng)及選擇等生物過程，從而在污水輸運(yùn)過程中誘導(dǎo)出活性很強(qiáng)的微生物群落。

　　大量研究表明：排水管渠內(nèi)表面已存在著大量微生物，其生物群落組成類似于超高負(fù)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(nèi)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(xì)胞外化合物基質(zhì)中，構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)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(jī)物質(zhì)，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(xiàn)與時間密切相關(guān)，不同水質(zhì)的下水道中生物膜微生物的種類和數(shù)量及其表現(xiàn)出來的群落特征相差很大。據(jù)此，將下水道生物膜的形成演化劃分為以下五個連續(xù)的階段。

　?、?附生介質(zhì)（生物膜載體）表面性質(zhì)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(zhì)，如各種細(xì)菌微生物、蛋白質(zhì)、聚多糖等可能通過疏水作用、表面化合反應(yīng)等作用吸附到下水道管網(wǎng)內(nèi)壁，吸附速率取決于水中有機(jī)物質(zhì)的含量、水流特征等。

　　發(fā)生吸附的有機(jī)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(xì)菌等微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，為它們發(fā)生粘附創(chuàng)造了有利條件。

　?、?微生物的可逆性粘附

　　在下水道內(nèi)流動的污水中含有各種各樣的微生物和有機(jī)質(zhì)，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(jìn)而發(fā)生粘附。但這些粘附個體仍作布朗運(yùn)動，在水流沖擊下很容易解除粘附，處于一種不穩(wěn)定的可逆粘附狀態(tài)。發(fā)生可逆性粘附的微生物和有機(jī)質(zhì)都來源于污水中的懸浮性物質(zhì)，因而水中微生物的種類和數(shù)量及其生理狀態(tài)決定可逆性粘附的發(fā)生速度和發(fā)生程度。

　?、?微生物不可逆粘附

　　發(fā)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(xì)胞外化合物，它們將微生物、有機(jī)質(zhì)和下水道管壁緊密聯(lián)系在一起，從而使粘附具有不可逆性。微生物發(fā)生不可逆粘附是附生生物膜發(fā)育過程中的關(guān)鍵階段。這些經(jīng)受住下水道內(nèi)較高流速水力沖刷的微生物逐漸形成為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物膜。

　?、?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(nèi)壁上。由于數(shù)量少，加上流動水體源源不斷的“運(yùn)送”各種營養(yǎng)物質(zhì)，微生物間不存在對營養(yǎng)物質(zhì)和空間上的競爭，因而分裂增生速度快，形成的菌落或細(xì)胞群體連接成片，相對均勻地覆蓋在管道內(nèi)壁。隨著細(xì)菌微生物的繼續(xù)粘附及粘附個體的不斷增生，下水道內(nèi)管壁生物群落逐漸復(fù)雜化。物種組成上，粘附生物種類增加，甚至在水中有機(jī)質(zhì)降低到一定程度時，原生動物也出現(xiàn)在膜表層；在結(jié)構(gòu)上，管壁生物群落逐漸向外伸展，由突出的二維平面變?yōu)榇怪钡娜S立體，發(fā)育良好時還出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

　?、?生物膜的脫落和擴(kuò)散

　　在膜的增長期內(nèi)，當(dāng)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(dāng)膜生長到一定厚度后，由于較大的阻力而阻止了基質(zhì)，尤其是溶解氧向其縱深的擴(kuò)散傳遞，當(dāng)生物膜超過一定厚度后，其內(nèi)部將出現(xiàn)厭氧區(qū)。結(jié)果膜深處的出現(xiàn)缺氧狀況，厭氧區(qū)的出現(xiàn)容易造成NH4+、CH4、H2S及有機(jī)酸的積累，若這些物質(zhì)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(dǎo)致生物膜的異常脫落。從而引起膜大塊脫落，這種現(xiàn)象在營養(yǎng)豐富的環(huán)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(jié)構(gòu)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(xì)菌和微生物在粘附后發(fā)生各種各樣的生理變化，尤其分泌的細(xì)胞外化合物的性質(zhì)和數(shù)量發(fā)生變化以及細(xì)胞外酶的積累會破壞生物膜的穩(wěn)定性。

　　3.下水道生物膜的物理特征

　　下水道生物膜是一個復(fù)雜的微生物系統(tǒng)。受生長時間和環(huán)境條件的影響，其結(jié)構(gòu)和組成處在不斷的變化之中，所表現(xiàn)出來的生物和物理特征也隨之改變。

　　近年來，一些學(xué)者用共焦激光掃描顯微鏡（CSLM）下水道生物膜的三維結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度有關(guān)。①在坡度較大、水流流速大的下水道管段，生物膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疏松且較大程度地向外垂直伸展，表面凹凸不平，表現(xiàn)出極強(qiáng)的異質(zhì)性。這主要是各類絲狀微生物伸入水流中獲得營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣而充分生長的結(jié)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(qiáng)水流對附生物種的選擇以及膜內(nèi)水分被水流擠壓出來等因素有關(guān)。Hoehn和Ray發(fā)現(xiàn)，在膜生長期生物膜的密度較大，到達(dá)臨界厚度后相對穩(wěn)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

　　下水道生物膜的生物活性

　　對下水道生物膜的細(xì)菌進(jìn)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(shí)用方法，據(jù)此可以用生物學(xué)方法有效證明下水道內(nèi)污水水處理過程和效果。

　　形成下水道生物膜的細(xì)菌微生物分泌細(xì)胞外聚合物的能力很強(qiáng)，細(xì)菌細(xì)胞常被厚厚的粘質(zhì)外鞘包裹。在由這些細(xì)菌微生物形成的生物膜中，細(xì)菌占一小部分，而以各種細(xì)胞外化合物構(gòu)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(wěn)定的水平。一些學(xué)者通過測定下水道生物膜的ATP、蛋白質(zhì)和脂肪含量 、電子傳遞、氧在生物膜內(nèi)的分布、同位素示蹤、同化營養(yǎng)基質(zhì)的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：附生在下水道生物膜內(nèi)的微生物通常表現(xiàn)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(qiáng)趨勢。生物膜內(nèi)部，藻類、細(xì)菌和真菌等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物在空間上緊鄰，彼此相互交換代謝產(chǎn)物，尤其藻類分泌的可溶性有機(jī)物為異養(yǎng)細(xì)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(tǒng)，經(jīng)對下水道生物膜的種群密度和生物活性的研究，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出來的性質(zhì)與超高負(fù)荷活性污泥系統(tǒng)中的細(xì)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(zhì)轉(zhuǎn)化方面，各種酶活性表現(xiàn)出相似的趨勢。然而，L-丙氨酸-氨膚酶在高負(fù)荷活性污泥中卻顯示出極高的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率。但是下水道生物膜細(xì)菌種群密度卻比在二級廢水處理廠高負(fù)異養(yǎng)菌數(shù)目高出一個數(shù)量級。下水道生物膜中有發(fā)達(dá)的真核生物機(jī)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(yīng)用這種生物膜系統(tǒng)去除碳和氮。Lemmer發(fā)現(xiàn)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(yǎng)活性可與高負(fù)荷活性污泥相比甚至超出它們。并且與懸浮性微生物有機(jī)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(zhì)。

　　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(dāng)長的滯留時間，而下水道中污染物質(zhì)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(dāng)?shù)募夹g(shù)措施增加管道內(nèi)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(zhèn)地區(qū)，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(jìn)行處理所需的技術(shù)和資金都很缺乏，可以通過大力開發(fā)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(fù)荷。另一方面，對于地形復(fù)雜和污染源分散的廣大經(jīng)濟(jì)尚不發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)，如果利用下水道管渠空間處理污水，將有利于在有限的經(jīng)濟(jì)條件下有效地控制水環(huán)境污染。

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