飲用水生物濾池的生物量與有機物去除的關(guān)系*摘要：以脂磷法測定了三種不同填料的飲用水生物濾池中的生物量分布，并討論了生物量與有機物去除之間的關(guān)系。受填料表面性質(zhì)和比表面積的影響，三個濾池之間的生物量差異很大，順序是不規(guī)則GAC濾池>柱狀GAC濾池>不規(guī)則陶粒濾池；但不同反應(yīng)器對有機物的去除效率幾乎沒有區(qū)別，說明至少兩個GAC濾池的生物量是過量的。生物量的過量可以解釋反應(yīng)器的抗沖擊負荷能力，其本身可以用微生物的繁殖策略為r選擇解釋。關(guān)鍵詞：飲用水；生物濾池；生物量；有機物；繁殖策略RelationshipbetweentheBiomassandtheRemovalofOrganicMattersinThreeDrinkingWaterBiofilters*Abstract:Thebiomassdistributioninthreebiofilterswithdifferentmediawasinvestigatedusinglipid-Panalysis.Thereweresubstantiallyvarianceinthebiomassduetothesurfacecharacteristicsandspecificsurfaceareaofthemedia.TheirregularGACfilterhadthelargestbiomass,thecolumn-shapedGACfilterhadthesmaller,andtheirregularceramicgranularfilterhadthesmallest.However,therewerealmostnodifferencesamongtheremovaloftheorganicmatterofthethreefilters,whichsuggestedthatatleastthebiomassintwoGACfilterswereexcessive.Thisphenomenoncouldexplaintheabilityofanti-shockloadofthebiofiltersandbeexplainedastheresultthatthemicrobialreproducingstrategywasr-choice.KeyWords:drinkingwater;biofilter;biomass;organicmatters;reproducingstrategy在飲用水的生物處理中，生物濾池是一種普遍采用的工藝，如生物陶粒預(yù)處理濾池、可以取代常規(guī)砂濾池的生物活性濾池，以及作為深度處理工藝的O3-BAC等[1-6]。除了普通濾池的過濾功能之外，它主要依靠在填料表面附著生長的生物膜的生物氧化作用去除可生物降解的溶解性有機物和NH4+-N、NO2--N等污染物質(zhì)；另外，生物膜絮體（細胞和以多糖為主的胞外多聚物）的生物吸附作用可能也對有機物的去除發(fā)揮一定作用。因此生物量是生物濾池工藝的重要參數(shù)。本研究以脂磷法測定并分析了三個小試飲用水生物濾池中的生物量分布規(guī)律，并對生物量與反應(yīng)器對有機物去除效率的關(guān)系以及反應(yīng)器中生物量過量的原因進行了探討。1材料與方法1.1實驗裝置 在X市地面水廠內(nèi)建立起兩套飲用水生物過濾小試裝置，其中一套為兩個并聯(lián)的顆?；钚蕴?GAC)-石英砂雙層濾料生物濾池（BF1和BF2），分別填裝有55cm不規(guī)則狀PJ-09型GAC，35cm石英砂（BF1）和55cm柱狀ZJ-15型GAC，35cm石英砂（BF2），兩者的濾速均為7.5~8.5m/h，進水為該廠生產(chǎn)性沉淀池的出水，下向流，不曝氣。另外一套為陶粒生物預(yù)處理濾池（BPF），填裝有170cm的不規(guī)則狀、粒徑2~3mm的頁巖陶粒，濾速為4m/h左右，進水為未經(jīng)處理的該廠原水，下向流，曝氣，氣水比<1:1。實驗期間各反應(yīng)器的進水水質(zhì)見表1。表1實驗期間三個生物濾池的進水水質(zhì)*反應(yīng)器CODMn/mg·L-11NH4+-N/mg·L-11NO2--N/mg·L-11濁度/ntuDO/mg·L-11溫度/℃BF1和BF2最高7.230.700.09916.4011.2031.5最低2.250.070.0011.734.019.7平均4.480.260.0235.528.1122.2BPF最高6.851.090.105123.0012.0031.7最低3.120.050.0013.703.989.5平均5.090.290.02635.148.0822.3*：表中涉及的水質(zhì)指標均采用國家標準方法測定[7][8]。1.2生物量的測定天然環(huán)境中的大部分微生物屬于有活性但不可培養(yǎng)型，很難在人工培養(yǎng)基上生長繁殖，所以基于培養(yǎng)的測定結(jié)果實際上遠遠低估了樣品中的實際生物量[9]。磷脂是所有微生物細胞膜的主要成分之一，且在細胞中含量穩(wěn)定，在不同的生理條件下波動相對較小，其中的磷酸鹽用比色法很容易測定，是一種理想的生物量標志物。本文按照參考文獻[10]采用脂磷法測定樣品的生物量，以磷脂中的含P量表示生物量，1nmol-P相當于108個E.coli大小的細胞。2結(jié)果與討論2.1三個生物濾池的生物量分布規(guī)律三個生物濾池均從2000年11月底開始進水運行，至2001年4月初生物膜已基本發(fā)育成熟，對各種污染物的去除趨于穩(wěn)定，這時BF1、BF2和BPF填料表面下5cm處的生物量已經(jīng)分別達到95.45、27.73和11.69nmol-P·(cm3)-1，如圖1所示，此后的幾個月里生物量的變化幅度不大，說明三個反應(yīng)器自這時開始已經(jīng)進入生物量的生成量與衰亡量大致相當，總量基本恒定的假穩(wěn)態(tài)（pseudo-steady）時期。圖1三個生物濾池填料表面下5cm處的生物量隨時間的變化圖2三個生物濾池中的生物量沿程分布 三個生物濾池中生物量的沿程分布見圖2。不同反應(yīng)器之間生物量的差異十分明顯，如在1＃取樣口，三個反應(yīng)器的生物量之比為6.33:2.11:1；在同樣距填料表面45cm處的BF1、BF2的3＃和BPF的2＃取樣口，三者的生物量比為5.02:2.02:1。比較這三種反應(yīng)器，三者的填料互不相同；BF1和BF2的進水和運行條件完全相同；BPF的進水中各種基質(zhì)的濃度稍高一些，但濾速只有前兩者的1/2，相應(yīng)地，其基質(zhì)負荷也只有前兩者的一半左右。因為BF1和BF2之間的生物量差異要遠遠大于BF2和BPF之間的差異，所以可以認為造成三者生物量差異很大的原因主要是填料而不是基質(zhì)負荷。飲用水原水屬于貧營養(yǎng)系統(tǒng)，生物膜主要靠原水中的微生物細胞吸附在填料上并生長繁殖而成，因此填料是否擁有對微生物細胞優(yōu)越的吸附功能和給微生物提供生長繁殖的良好微環(huán)境是反應(yīng)器具有較高生物量的關(guān)鍵所在。三個生物濾池的填料分別是不規(guī)則狀GAC和石英砂、柱狀GAC和石英砂以及不規(guī)則狀頁巖陶粒，由于兩種GAC的粒徑遠小于陶粒，而且具有發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)，它們能為微生物細胞掛膜提供的比表面積就要遠遠大于后者，同時GAC的吸附性能又是陶粒所不具備的；而在兩種GAC中，前者不規(guī)則的形狀很顯然還能提供更多的比表面積和更適合微生物生長繁殖的微環(huán)境。因此，三種填料掛膜性能優(yōu)劣及生物量的排序是：不規(guī)則GAC>柱狀GAC>不規(guī)則陶粒。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)：隨著取樣口深度的增加，各個反應(yīng)器的生物量呈明顯的遞減趨勢。BF1、BF2和BPF最高和最低兩個取樣口生物量的比值分別為3.75、2.10和3.12，這顯然和三個反應(yīng)器均采用下向流方式，基質(zhì)由上到下不斷被生物膜氧化分解，營養(yǎng)水平沿填料深度遞減有關(guān)。BF1和BF2的生物量在4＃取樣口出現(xiàn)了較為明顯的反彈，這是由于該取樣口位于GAC和石英砂兩種填料的交界稍偏下處，由于石英砂的平均粒徑小于GAC，孔隙率小，截留了GAC層脫落的懸浮生物量所致，并不能說明石英砂的掛膜性能優(yōu)于前者。2.2三個不同生物濾池對有機物的去除效果的比較 三個生物濾池對以CODMn表示的有機物的去除作用見圖3和表2。BF1和BF2對有機物的去除效果非常接近，分別為18.30%和17.01%，BPF的去除率稍低于前兩者，為15.92%；三者進出水平均濃度差，即去除量分別為0.86mg·L-1、0.78mg·L-1、0.79mg·L-1?？梢钥闯?，三者對有機物的去除作用之間的差異要遠遠小于生物量之間的差異，BF1數(shù)倍于BF2和BPF的生物量并未使它具有去除數(shù)倍于后兩者的有機物的能力，BF2的生物量約為BPF的兩倍，但是兩者去除有機物的量卻基本相等，這說明當反應(yīng)器內(nèi)的生物量達到一定水平后，有機物的去除作用將達到飽和，生物量不再是有機物去除的限制因子，高于此水平的生物量實際上是過量的，如在本研究中，至少BF1和BF2的生物量就是這樣。Liu和Huck等人的工作[5]表明，在反應(yīng)器的生物量處于從無到有的掛膜階段時，有機物的去除率隨生物量的增加而提高，而當生物膜進入假穩(wěn)態(tài)后，GAC濾池中的生物量明顯高于無煙煤濾池的生物量，但后者對可生物降解有機物（BOM）的去除卻與前者接近，Urfer和Huck等的其它研究[4]也有類似結(jié)果，這些都可以印證本文生物濾池內(nèi)生物量過量的觀點。圖3三個生物濾池對CODMn的去除作用表2三個生物濾池對CODMn的去除作用項目BF1和BF2BPF進水/mg·L-1BF1出水/mg·L-1BF2出水/mg·L-1BF1去除率/%BF2去除率/%進水/mg·L-11出水/mg·L-11去除率/%最高7.234.885.3638.6745.926.855.6539.65最低2.251.891.653.642.913.122.543.02平均4.483.623.7018.3017.015.094.3015.92相差數(shù)倍或更多的生物量處理著同樣水平的基質(zhì)，可以知道，生物量越多，其中的微生物細胞個體平均獲得的能量物質(zhì)和合成代謝的原料物質(zhì)就越少，其代謝水平就越低，即細胞的生化活性會很低，這樣一旦遇到?jīng)_擊負荷的情況，微生物細胞依然可以通過提高活性加以應(yīng)對，所以生物量的過量可能是一些生物濾池具有一定的抗沖擊符合能力的原因所在。2.3生物量過量的生態(tài)學解釋 反應(yīng)器內(nèi)形成一定規(guī)模的生物量是生物膜微生物細胞繁殖的結(jié)果。自然界中，從鯨到細菌的各種生物的繁殖策略基本可以分為r選擇和K選擇兩類。一般認為，在穩(wěn)定的環(huán)境中，能更好的利用環(huán)境承載力，達到接近邏輯斯諦方程中的飽和密度K的物種在自然選擇中更為有利，其繁殖策略可以稱為K選擇，這些物種可稱為K策略者；而在不穩(wěn)定的環(huán)境中，具有較高繁殖力以補償災(zāi)害所造成的損失的物種在自然選擇中更為有利，通常表達繁殖力的測度之一是內(nèi)稟增長率rm，因此這種繁殖策略可稱為r選擇，這些物種可稱為r策略者[11]。這兩種策略的一些典型特征見表7。實際上，r－K選擇只是各種生物自然選擇模式的兩個極端，多數(shù)物種是以一個、幾個或大部分特征居于這兩者之間。而微生物微小的個體、極短的世代時間正是r策略者的典型特征；生物濾池進水水質(zhì)和流量的波動足以造成對它們而言生境的不穩(wěn)定；微生物物種和功能的多樣性使它們的種內(nèi)、種間競爭不會處于很激烈的狀態(tài)，因此各反應(yīng)器中的微生物將采取r-選擇的繁殖策略，即在環(huán)境條件允許下以盡可能高的繁殖力去適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的微環(huán)境，從而造成了反應(yīng)器中生物量的過量。表7r-策略者和K-策略者的某些特征[11]影響因素r-策略者K-策略者環(huán)境條件難以預(yù)測穩(wěn)定，可預(yù)測死亡非密度制約密度制約存活存活率低存活率高數(shù)量低于環(huán)境承載力通常臨近K值競爭通常不緊張經(jīng)常保持緊張體形小大生長發(fā)育快慢繁殖一次多次壽命短長最終結(jié)果高繁殖力高存活率3結(jié)論（1）生物膜發(fā)育成熟之后，生物濾池中的生物量基本保持不變，進入生成量與衰亡量大致相當?shù)募俜€(wěn)態(tài)階段。（2）不同生物濾池間生物量差異很大，不規(guī)則GAC濾池>柱狀GAC濾池>不規(guī)則陶粒濾池，這種差異主要由填料性質(zhì)（吸附性能和比表面積）決定。（3）不同生物濾池對有機物的去除效果差別不明顯，說明至少兩個GAC濾池中的生物量是過量的。這一現(xiàn)象可以解釋反應(yīng)器的抗沖擊負荷能力。生物量過量本身可以用生態(tài)學中的繁殖策略理論解釋，濾池中的微生物屬于r-策略者，會通過高繁殖力的對策來適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境。參考文獻[1]BouwerE.J.andCroweP.B.Biologicalprocessesindrinkingwatertreatment[J].J.AWWA,1988,80(9):82-93[2]HuckP.M.,ZhangS.andPriceM.L.BOMremovalduringbiologicaltreatment:afirst-ordermodel[J].J.AWWA,1994,86(6):61-71[3]WangJ.Z.,SummersR.S.,MiltnerR.J.Biofiltrationperformance:part1,relationshiptobiomass[J].J.AWWA,1995,87(12):55-63[4]UrferD.,HuckP.M.,BoothS.D.J.andCoffeyB.M.BiologicalfiltrationforBOMand