果殼種類對生物膜特性及廢水處理效果的影響

胡小兵，汪坤，沈翼軍，張琳，姚友長，林睿，顧嫻靜

（1.安徽工業(yè)大學建筑工程學院，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）

我國每年都會產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物，如秸稈、玉米芯、稻殼、植物果殼和木材加工廢料等。對它們的隨意丟棄、掩埋或處理不當會造成環(huán)境污染和能源浪費[1]，因此，農(nóng)林廢棄物資源化合理利用是一個重要的研究方向。

含有天然有機纖維素的植物果殼具有良好的生物相容性、親水性，可用作污水處理的生物膜填料，不僅對生物膜微生物無毒害作用，且使用后便于生物降解，不會造成二次污染[2]。表面粗糙的花生殼[2]、核桃殼[3]等都已被成功用作生物膜填料，除了作為生物膜附著生長的載體外，植物果殼還能釋放碳源，促進微生物生長或作為反硝化過程中的電子供體[4]。目前，植物果殼填料研究較少，主要集中于污水處理效果方面，而果殼類型直接影響附著的生物膜特性，進而影響污水處理效果，值得深入研究。

表征生物膜特性的生物膜量（MLSS）反映填料上生物膜的多少[5]。生物膜主要組分胞外聚合物（EPS）對維持生物膜三維結(jié)構(gòu)完整性、細菌黏附和保護微生物群落有著重要作用[6]。脫氫酶是參與有機物氧化磷酸化的胞內(nèi)酶，能反映微生物對有機物的降解能力，脫氫酶活性（DHA）可用于表征生物膜微生物活性[7]。影響生物膜特性的因素主要有環(huán)境條件、填料與微生物。溫度和NH+4-N負荷升高能降低生物膜量以及生物膜中多糖（PS）和磷脂（PL）含量[7]。低溫硝化移動床生物膜反應(yīng)器（Moving Bed Bioflim Reactor,MBBR）中厭氧氨氧化細菌的多少直接決定了填料上生物膜量[8]。作為生物膜微生物生長繁殖的場所，填料是最基本，也是最重要的影響因素。填料表面粗糙度和豐富的親水性基團、良好生物親和性有利于微生物附著生長[9]。填料內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)決定營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧（DO）的傳輸，影響生物膜的生物膜量、EPS和DHA等特性[10]。良好的機械強度能維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使填料能長時間使用[11]。

絕大多數(shù)污水處理工程采用工業(yè)生產(chǎn)填料，不僅運行成本高，而且填料生產(chǎn)還消耗大量的資源[12]。本文利用來源廣泛、價格低廉的核桃殼、花生殼和夏威夷果殼作為序批式生物膜反應(yīng)器（Sequencing Batch Biofilm Reactor，SBBR）填料，進行掛膜與廢水處理研究，從生物膜量、生物膜化學組分EPS和脫氫酶活性DHA等方面分析果殼填料類型對附著生物膜特性以及廢水處理效果的影響，為植物果殼的填料化、資源化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗填料

試驗所用的花生（Arachis hypogaeaLinn.）殼（ρ=0.45 g·cm-3）、核桃（Juglans regia）殼（ρ=1.04 g·cm-3）和夏威夷果（Macadamia ternifoliaF.Muell.）殼（ρ=1.80 g·cm-3）3種植物果殼均從安徽省馬鞍山市某農(nóng)貿(mào)市場采購。用蒸餾水浸泡24 h，去除植物果殼內(nèi)外表面雜質(zhì)，晾干待用。

1.2 試驗裝置和運行

本試驗采用自建的小試SBBR（圖1），裝置由3根規(guī)格相同的透明反應(yīng)柱組成，反應(yīng)柱內(nèi)徑120 mm，高250 mm，有效容積2.83 L。底部設(shè)置紗網(wǎng)布制成的填料承托層，同時起到均勻化曝氣的作用。3個反應(yīng)柱中分別投入果殼填料（體積填充率為40%）。采用電磁式空氣泵進行曝氣，利用轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量為0.2 L·min-1，維持反應(yīng)器DO濃度3～6 mg·L-1。采用智能計時器控制曝氣時間。

采用人工接種方法進行掛膜啟動。接種活性污泥取自馬鞍山市某污水處理廠曝氣池。污泥悶曝48 h后，將沉降性能良好的活性污泥（MLSS為4 000 mg·L-1）接種到3個SBBR反應(yīng)柱中。反應(yīng)器每日運行2個周期，每周期包括反應(yīng)（10 h）、沉淀（1.5 h）、排水與進水（0.5 h）。掛膜啟動期間，每周期換水率為50%。2周后，植物果殼填料表面上附著了生物膜，COD和NH+4-N去除率穩(wěn)定達到70%以上，鏡檢出現(xiàn)輪蟲、線蟲等微型后生動物，標志掛膜啟動成功[13]。此后換水率提升至100%。

圖1 試驗裝置圖Figure 1 Experimental apparatus

1.3 試驗用水

試驗用水為取自馬鞍山市某污水處理廠粗格柵后生活污水，COD為（160±30）mg·L-1、-N為（30±5）mg·L-1、TP為（5±1）mg·L-1。

1.4 水質(zhì)指標分析

1.5 果殼基本性狀分析

使用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6490LV，日本）觀察果殼填料表面微觀結(jié)構(gòu)形貌特征。采用溴化鉀壓片法，利用傅里葉紅外光譜儀（FTIR，Nicolet6700，美國）分析果殼填料表面的化學基團組成。

1.6 生物膜特性分析

采用質(zhì)量法[14]測定生物膜量MLSS。采用加熱法進行分層提取EPS[15]，測定不同層EPS（外層S-EPS、中層LB-EPS、內(nèi)層TB-EPS）含量。采用改進型的Lowry法[16]測定蛋白質(zhì)（PN），采用苯酚-硫酸法[17]測定多糖（PS）。采用TTC（2，3，5-氯化三苯基四氮唑）法[18]測定生物膜的脫氫酶活性（DHA）。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物果殼填料基本物化特征

2.1.1 果殼填料表面特征

為了明確花生殼、夏威夷果殼和核桃殼3種果殼填料的表面微觀結(jié)構(gòu)特征，選取粒徑5 mm的果殼原料進行SEM觀察，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，3種填料的表面結(jié)構(gòu)完全不同。花生殼內(nèi)表面紋理雜亂，出現(xiàn)大量褶皺，呈現(xiàn)出層疊形態(tài)的鱗片狀結(jié)構(gòu)，其上遍布緊密的微孔，這種結(jié)構(gòu)比表面積大，有利于微生物的附著生長繁殖，同時也能夠吸附污染物質(zhì)；外表面粗糙，存在許多分布均勻且規(guī)則的網(wǎng)狀纖維素骨架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔壁呈經(jīng)絡(luò)狀；所能承受破殼力為7～105 N[19]，機械強度較弱。核桃殼內(nèi)表面存在分布均勻的蜂窩狀通透微孔結(jié)構(gòu)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧向殼體內(nèi)部傳遞；外表面粗糙，質(zhì)地致密緊實，有顆粒狀物質(zhì)存在，有較淺孔洞，洞壁厚實；所能承受破殼平均力為266 N[20]，機械強度穩(wěn)定。夏威夷果殼內(nèi)表面由棒狀、片狀物質(zhì)堆積或圍合而形成一些不規(guī)則、大小不一的溝槽和孔洞，微生物易吸附生長；外表面較粗糙，存在不完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔很淺，類似于淺坑；所能承受破殼平均力為1 488 N[21]，果殼質(zhì)地最為堅硬。

2.1.2 果殼填料表面化學基團分析

花生殼、夏威夷果殼和核桃殼含有C、H、O、N 4種主要元素，還含有如Ca、Mg、Fe、Si、P等微量元素，主要組成成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[22-24]。FTIR如圖3所示。

圖2 3種植物果殼填料內(nèi)、外表面SEM圖Figure 2 SEM images of the inner and outer surfaces of the plant husks used as carriers

圖3 3種植物果殼紅外光譜圖Figure 3 FTIR spectra of plant husks

由圖3可知，3種果殼填料的紅外光譜峰型相似：在3 400、2 900、1 650、1 400 cm-1和1 100 cm-1波數(shù)附近均有吸收峰。3 400 cm-1附近的吸收峰主要歸屬于中的伸縮振動[25]；2 900 cm-1附近的吸收峰主要由（CH3CH2）中 CH鍵伸縮振動引起[26]；1 650 cm-1附近的吸收峰歸屬于羧基或醛和酮基中羰基（CO）的伸縮振動[27]；1 400 cm-1附近的吸收峰主要歸屬于木質(zhì)素和糖類中C H鍵彎曲振動[28]；1 100 cm-1附近的吸收峰主要歸屬于O H的彎曲振動以及纖維素上的COC鍵的伸縮振動[29]。1 000 cm-1波數(shù)以下的指紋吸收峰區(qū)域由于峰值不明顯，不能準確判別出關(guān)于峰的來源，故在此不做細致分析[30]。

2.2 植物果殼填料生物膜特性

2.2.1 填料附著生物膜量變化

廢水中的微生物在填料表面發(fā)生吸附，氧化分解廢水中的污染物增殖形成生物膜，成熟生物膜發(fā)生脫落更新，始終保持穩(wěn)定的微生物數(shù)量和活性[31]。本試驗反應(yīng)器共運行了62 d，除去接種掛膜的14 d，依據(jù)MLSS變化規(guī)律，將試驗分為了試驗前期（0～20 d）和試驗中后期（20～48 d）兩個階段。

不同反應(yīng)器內(nèi)填料上生物膜量隨時間的變化情況如圖4所示。由圖可見，花生殼填料上生物膜量“先增后降”。試驗前期，生物膜量迅速上升，從6.80 mg·cm-3上升到24.66 mg·cm-3。由于花生殼的機械強度較小，20 d后開始發(fā)生分解坍縮，單位體積內(nèi)可附著生物膜的表面積減小，花生殼上生物膜在強烈的水力剪切作用下逐漸脫落，導致生物膜量逐漸下降。隨著時間的推移，花生殼破損程度增加，生物膜量不斷減少。核桃殼填料和夏威夷果殼填料上生物膜量“先快增后緩升”。表面粗糙多孔、質(zhì)地堅硬的核桃殼和夏威夷果殼可以長時間為微生物提供穩(wěn)定的附著增殖場所，生物膜量穩(wěn)定增長。試驗前期，生物膜量分別從 7.98 mg·cm-3和 8.45 mg·cm-3快速上升至 26.75 mg·cm-3和25.96 mg·cm-3。20 d后，2種果殼填料生物膜量分別以2.71%和4.82%的較低幅度緩慢增長。在試驗中后期果殼填料表面上均長滿了成熟的生物膜，反應(yīng)器中懸浮了較多脫落的老化生物膜。與堆積于反應(yīng)器底部的夏威夷果殼填料相比，因曝氣作用懸浮于反應(yīng)器中的核桃殼填料受到更為強烈的水力剪切作用，生物膜脫落較多，增長速率略低于夏威夷果殼填料。

圖4 3種植物果殼填料生物膜量變化Figure 4 Biomass change of biofilms on plant husks carrier

2.2.2 填料生物膜組分EPS

試驗期內(nèi)，不同反應(yīng)器內(nèi)填料生物膜EPS各層、各組分分布情況如圖5所示。核桃殼、花生殼和夏威夷果殼生物膜中總EPS含量分別為66.44、49.90 mg·g-1和54.42 mg·g-1。核桃殼曝氣時懸浮于水中，受到更為強烈水力剪切作用，污染物的傳質(zhì)效果增強，促進微生物EPS分泌[6]，使得其生物膜中EPS含量最高?；ㄉ鷼け砻嫔锬ぶ袏A雜腐爛的代謝產(chǎn)物，導致其EPS含量最低。3種果殼填料分層EPS平均含量大小順序為：TB層（35.64 mg·g-1）＞S層（16.78 mg·g-1）＞LB層（4.49 mg·g-1），與細胞緊密結(jié)合的TB-EPS為總EPS的主要組成（平均占比62.62%）。從組分上看，各層PN含量高于PS，PN∕PS為1.32～2.02，PN為EPS的主要組分[32]。核桃殼、花生殼和夏威夷果殼填料的PS含量占總EPS的41.3%、43.17%和33.11%。夏威夷果殼EPS中的PS占比顯著低于花生殼、核桃殼填料。推測原因，一是花生殼和核桃殼經(jīng)過污水的浸泡和微生物侵蝕，體內(nèi)積累的金屬離子[33]釋放與PS中帶負電荷的羧基官能團產(chǎn)生絡(luò)合作用，刺激微生物增加PS的分泌[34]。夏威夷果殼質(zhì)地堅硬，結(jié)晶度高[22]，纖維素分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難被分解，金屬離子不能有效釋放。二是花生殼和核桃殼填料表面密度高于夏威夷果殼OH會減少對PN的吸附量[35]。夏威夷果殼表面CH3密度高于核桃殼和花生殼填料會增加對PN的吸附量[36]。

圖5 3種植物果殼填料生物膜EPS各層各組分分布Figure 5 EPS components in different layers of biofilm attaching on plant husks carrier

2.2.3 填料附著生物膜DHA變化

3種植物果殼填料附著生物膜內(nèi)的DHA變化如圖6所示。試驗前期，生物膜量MLSS不斷增大，微生物代謝增強，DHA不斷增加。

花生殼填料生物膜DHA呈現(xiàn)出“先劇增后緩降”的規(guī)律。0～16 d，DHA從2.78 mg·g-1·h-1迅速上升至60.14 mg·g-1·h-1，隨后開始下降，這是因為雖然花生殼附著生物膜量還在繼續(xù)增長，但花生殼開始軟化，微孔被堵塞，不利于營養(yǎng)物質(zhì)和DO傳輸，導致微生物DHA開始下降，也說明生物膜量高并不代表DHA高[37]。花生殼填料生物膜DHA最終下降到30.45 mg·g-1·h-1。夏威夷果殼和核桃殼生物膜DHA呈現(xiàn)“先增后穩(wěn)”的變化規(guī)律，分別從開始的3.64、3.15 mg·g-1·h-1上升至16 d的 46.53、44.96 mg·g-1·h-1。良好的機械強度能夠為微生物生長增殖提供穩(wěn)定的空間環(huán)境，同時其內(nèi)部溝槽和孔洞豐富，不斷附著更多的生物膜，DHA不斷增大，當生物膜生長達到成熟時，DHA也趨于穩(wěn)定。

圖6 3種植物果殼填料生物膜DHA變化Figure 6 DHA variation in biofilm attaching on plant husks carriers

2.3 植物果殼填料廢水處理效果分析

3種果殼填料反應(yīng)器的污水處理效果如圖7所示。對于污染物的去除效果，3種植物果殼填料反應(yīng)器呈現(xiàn)2種類型：花生殼填料的倒“V”變化及核桃殼和夏威夷果殼填料的傾斜“N”變化。

花生殼填料反應(yīng)器中，試驗前期微生物增殖速率低、生物膜量小、活性低，對COD、TP的去除率低，由于還未能建立有效的厭氧、好氧處理區(qū)域[38]，NH+4-N去除效果也不佳。隨著微生物快速繁殖，對污染的去除效果不斷提高。8～12 d，COD去除率達到穩(wěn)定的83%左右。12～20 d，花生殼開始軟化坍縮，微生物生長環(huán)境發(fā)生不利改變，生物膜量、DHA逐漸下降，同時由于花生殼松散的結(jié)構(gòu)，更易釋放有機物到污水中，而釋放的有機物COD只有部分可被微生物利用，絕大部分繼續(xù)存在于污水中[39]，導致了花生殼填料反應(yīng)器COD去除率低于其他兩者填料反應(yīng)器。隨著花生殼進一步坍縮分解，COD去除率繼續(xù)下降。花生殼填料反應(yīng)器NH+4-N的去除規(guī)律與COD相似。試驗用水為實際生活污水，COD∕N的值較低，可供反硝化碳源不足，花生殼填料反應(yīng)器中溶解于水中的COD為反硝化過程補充了碳源，因此，對NH+4-N去除率高于其他兩者[40]。隨著花生殼填料發(fā)生腐敗，結(jié)構(gòu)坍縮造成了好氧-厭氧區(qū)域的破壞，硝化和反硝化細菌生存環(huán)境惡化，對NH+4-N的去除能力下降。

核桃殼和夏威夷果殼填料反應(yīng)器在整個試驗期內(nèi)對COD和NH+4-N去除效果不斷增加。前20 d，夏威夷果殼填料反應(yīng)器COD和NH+4-N去除率快速增長，分別達到86.30%和86.10%。此后，對COD的去除率在波動中緩慢增長，在44 d時達到最大值（91.43%）。這是由其附著的生物膜量、DHA所決定的。但后期，雖然生物膜量、DHA還在緩慢增加，但對污染物去除率并沒有完全隨之變化。成熟的生物膜形成了外層好氧、內(nèi)層厭氧的結(jié)構(gòu)，為硝化和反硝化細菌提供了良好的環(huán)境條件，因此，NH+4-N的去除率穩(wěn)定增長，在44 d時達到最大值（90.47%）。由于核桃殼填料高含量TB-EPS，加劇了有機物傳質(zhì)的阻塞[41]，使得核桃殼填料對COD和-N去除率均略低于夏威夷果殼填料。

圖7 3種植物果殼填料反應(yīng)器污染物去除效果Figure 7 Removal efficiency of pollutants in reactors filled with plant husks

3種植物果殼填料反應(yīng)器對TP的去除效果并不理想。花生殼填料反應(yīng)器由于生物膜量在后期比較少，聚磷菌（PAOs）數(shù)量也較少，對TP去除率最高僅能達到55%。核桃殼和夏威夷果殼填料對TP的去除率在運行28 d后能維持在70%左右，這可能是由于聚磷菌（PAOs）在攝磷過程中與反硝化細菌在脫氮過程對碳源競爭作用而受到抑制的結(jié)果[42]。

3 結(jié)論

（1）花生殼填料短期內(nèi)有較好的生物膜特性和污染物去除效果，但由于機械強度弱，易發(fā)生腐敗坍縮，因此不適合長期作為填料使用。

（2）核桃殼和夏威夷果殼填料擁有良好的物化特征和機械強度，能夠為微生物增殖提供穩(wěn)定環(huán)境，各種生物膜特性、污染物去除效果較好，可長期作為填料使用。

（3）3種植物果殼填料對TP的去除效果不佳，其原因值得進一步探討。