酶促填料與某些多孔填料
掛膜特性對(duì)比試驗(yàn)研究
龍騰銳張勤郭勁松成一知
提要 對(duì)酶促填料、陶粒和高爐渣!種多孔填料的小型動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)研究表明：酶促填料比陶
粒和高爐渣掛膜迅速、微生物生長快、附著生物量大；且具有有利于結(jié)構(gòu)致密的菌膠團(tuán)及絮凝性能良
好的微生物生長的特性，是一種理想的水處理生物載體填料。
關(guān)鍵詞 酶促填料 多孔填料 掛膜特性
前言
在廢水及微污染水的處理工藝中，生物膜法是
一種高效處理工藝。填料作為該工藝的核心部分，
其性能直接影響和制約著工藝的處理效率。較好的
生物學(xué)特性是填料作為生物膜反應(yīng)器內(nèi)微生物載體
所應(yīng)具備的主要性能［&］。
本試驗(yàn)選取酶促生物填料、煉鋼廢棄物———高
爐渣以及普通陶粒!種多孔填料，以重慶市渝北區(qū)
城南污水廠的城市污水為試驗(yàn)污水，進(jìn)行了常溫下
的缺氧掛膜試驗(yàn)，比較了酶促填料與其它兩種多孔
填料的掛膜特性。
試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)濾柱由有機(jī)玻璃制成，其內(nèi)徑為&%%))，
填料名稱有效孔
有效
圖& 試驗(yàn)裝置流程
表# 填料物理特性
松散 促進(jìn)劑氦密度 空隙率
平均 每克填
填料層厚#%%))，總有效容積為*(+#,。共設(shè)置!
表面積孔容
容重
含量／/／), ／0
粒徑 料所含
組相同的裝置，分別裝填陶粒（!"）、某鋼鐵公司的
工業(yè)廢棄物———高爐渣（#"）及酶促填料（$"）。
陶粒
／)’／/／),／/ ／/／), ／&/／/
—
／1)
顆粒數(shù)
以上三種填料粒徑均為-%&%))。試驗(yàn)濾柱各部
分主要尺寸見表&，試驗(yàn)流程如圖&所示。
表" 試驗(yàn)裝置主要參數(shù)
（!"） %(&%’*%(%*!’%(.#"
高爐渣
（#"）%(%&+!%(%-!#&(&+*
酶促填料
—
’(!%% +&(+%(!!* +
!(&.. +#(*%(!!! !
名 稱
配水區(qū)
填料層
沉淀區(qū)
保護(hù)高度
總計(jì)
高度／))
’%%
#%%
&-%
-%
&%%%
有效容積／,
&(-*
+(*&
&(&.
*(+#
（$"） %(&.#&%(&.#&%(#-!’- ’(+.* ++(#%(!!" -
物處理中厭氧微生物的大小一般為%(-%&2%&)，為
有利于**在填料表面的附著生長，填料表面的微
孔尺寸應(yīng)當(dāng)在保證**自由出入的同時(shí)，還留有供
細(xì)胞與基質(zhì)之間擴(kuò)散和交換的空間［’］。因此本文所
&(’ 填料基本物理特性
!種填料的物理特性如表’所示。廢水厭氧生
!國家“九五”科技攻關(guān)子專題資助項(xiàng)目（"#$"%"$%&%’$%&）部分內(nèi)
容。
統(tǒng)計(jì)的填料有效孔表面積和有效孔容均為***小
尺寸’倍以上（即"&%&)）的微孔所對(duì)應(yīng)的部分填
料總孔表面積和總孔容。
&(! 污水水質(zhì)
掛膜初期（!!!"#）采用重慶市城南污水廠初沉
池出水與化糞池污水混合液（$"污水），掛膜后期
（!%!&%#）的試驗(yàn)污水采用初沉池出水（’"污水），
兩種污水的水質(zhì)指標(biāo)見表(。試驗(yàn)階段進(jìn)水)*+
變化見圖&。
表! 試驗(yàn)污水水質(zhì)
接種污泥分成(等份，每份加入$"污水并配成混合
液浸沒反應(yīng)器中的填料，靜態(tài)接觸&"A后連續(xù)進(jìn)水，
連續(xù)運(yùn)行"5A后將懸浮污泥排出，鏡檢發(fā)現(xiàn)#"填
料表面已出現(xiàn)生物膜附著特征。啟動(dòng)初期采用$"
污水，運(yùn)行!6#后逐步降低進(jìn)水 )*+ 濃度，*終采
用 ’"污水。再經(jīng)!%# 運(yùn)行后)*+去除率超過
指標(biāo) )*+),
／-.／/
00
／-.／/
12(31
／-.／/
1*!331
／-.／/
堿度
／-.／/
42
%6B，同時(shí)對(duì)填料進(jìn)行微生物鏡檢，發(fā)現(xiàn)酶促填料表
面已形成較為穩(wěn)定的生物膜，說明填料已掛膜成功，
$"污水5(&!!6%7(7"!%!!"789!%78( — &9:!"!%786!78"
’"污水 !:%!&"% 79!&6:&"8:!((8%58%!!&8%&(9!"&7:85!78&
而陶粒和高爐渣分別還需運(yùn)行&"#及(6#才完成掛
膜過程。
! 試驗(yàn)結(jié)果與分析
(8! 試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)測試結(jié)果列于表%，填料的掛膜情況見圖
(，表:及圖 " 反映了掛膜率沿填料高度的變化情
況，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)(種填料進(jìn)行了電鏡掃描觀測，陶
粒和酶促填料生物膜照片見圖%，試驗(yàn)期間濾柱的
各項(xiàng)管理指標(biāo)見表7。
表$試驗(yàn)測試結(jié)果
圖& 試驗(yàn)期間進(jìn)水 )*+變化
編號(hào) )*+去除率 平均1*(331 開始掛膜時(shí)間
*大掛膜率
膜厚
!8" 接種污泥
／B
去除率／B
／#
／.00／.填料
／$-
城南污水廠活性污泥處理系統(tǒng)的間歇曝氣池有
良好的有機(jī)物去除效率和脫氮效果，兼氧菌活性高、
繁殖較為迅速，在重力濃縮池的缺氧環(huán)境中厭氧與
兼氧微生物得到進(jìn)一步增長，用這種污泥接種可為
缺氧狀態(tài)下的快速馴化掛膜打下良好的基礎(chǔ)。因
此，本試驗(yàn)采用城南污水廠重力濃縮池中的污泥作
為反應(yīng)器接種污泥。污泥濃度!%8!7.／/，;00／00
為68%&，每組裝置的接種污泥量約為!896/。
［
!8% 測試項(xiàng)目及方法(］
測試項(xiàng)目及方法列于表"。
表" 測試項(xiàng)目及方法
項(xiàng)目 測定方法 頻率 項(xiàng)目 測定方法 頻率
%"&%8(!::8! %"8:
&"&68!!(78& (%85
#"&78:!7%8" :"8%
%
%
(
686"%& 7785
686&5( :%8(
6867:( !6:8"
)*+ 美國 2$)2測試儀 !次／# 生物相 光學(xué)顯微鏡鏡檢(次／<</span>
+* =0>型溶氧儀 !次／# 堿度 中和滴定法 !次／#
?/00 標(biāo)準(zhǔn)重量法 &次／< 1*(331 戴氏合金法 !次／<</span>
填料號(hào)
圖( 填料掛膜情況
表%不同填料高度的掛膜率
填料高度／--
6 !%6 (66
:66
?/;00 灼燒減量法&次／< 12(31 納氏試劑比色法&次／<</span>
%"
686"(% 686((! 686&79 686!6:
42值
42儀
!次／# 溫度 *小刻度68!@溫度計(jì)!次／#
&"
686&77 686&&% 686!%: 6866:&
注：<</span>為周。
# 試驗(yàn)過程
#"
注：單位為.00／.填料。
6867"" 686:9& 686%96 686&&(
本試驗(yàn)采用“快速排泥法”［"］掛膜。將馴化好的
(8& 試驗(yàn)結(jié)果分析
表!!"、#" 濾柱運(yùn)行管理指標(biāo)
階段
指標(biāo)
時(shí)段
／!
"#$
／%
有機(jī)負(fù)荷
／&’()*／（+,?!）
-"值
(.(),堿度
／+’／/
揮發(fā)酸
／+’／/
溶解氧
／+’／/
水溫
／0
掛膜靜置期
掛膜流動(dòng)期
1!,
2!13
11!45
15!23
—
673
873
—
4953!,93:
39;4!49:4
39;3!39:6
;93!;92
;93!;9,
896!;95
898!;94
,38!24,
4:8!256
455!241
4,:!24:
;2!:8
54!1,,
46!61
,1!68
391!39
1:!45
1:!4;
4,!,1
注：由于高爐渣的成份中以 (.)為主的金屬氧化物占,3<</span>以上，因而在試驗(yàn)過程中使"#濾柱內(nèi)-"太高（*高時(shí)-"值達(dá)到:75以上）。
影響微生物附著的關(guān)鍵因素。
,747171 孔表面積對(duì)填料掛膜的影響
填料豐富的內(nèi)表面為微生物提供了附著的場所
和相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)部空間。因此，填料的孔表面積是
影響填料掛膜和濾柱啟動(dòng)的重要因素［8］。由表4可
知，酶促填料（$#）的有效孔表面積是陶粒（%#）的
1763倍，是高爐渣（"#）的 1,73倍，從而使酶促填
料具有明顯優(yōu)于另外兩種多孔填料的微生物附著特
圖2 微生物量隨反應(yīng)器高度的分布情況
圖5 填料生物膜照片
,7471 ,種填料的掛膜特性分析
微生物在填料表面的附著受填料表面特性、微
生物特性及周圍環(huán)境等諸多因素的影響，良好的掛
膜特性是廢水生物處理填料應(yīng)具有的重要性能［5］。
填料的孔表面積、表面粗糙度、生物生長促進(jìn)劑等是
性。
（1）酶促填料掛膜速度比陶粒和高爐渣快。
$#填料表面于試驗(yàn)開始第,!掛膜，第45!生物膜
厚度便已達(dá)到*大值；而%#、"# 填料到第5!鏡檢
時(shí)才出現(xiàn)生物膜附著特征，且生物膜達(dá)到*大厚度
的時(shí)間比$# 填料分別長:!和15!。
（4）酶促填料表面微生物生長狀況比另外兩種
多孔填料好。從表,所示,組濾柱對(duì)有機(jī)物的去除
效果來看，掛膜期內(nèi)$#濾柱的*大 ()*去除率比
同一天的%# 濾柱的高:75<</span>，比"# 濾柱的高
4:71<</span>；另外，$#濾柱還有著明顯優(yōu)于另外兩組濾
柱的脫氮能力。掛膜期間，$#濾柱的=),>>= 去
除率分別比%#、"#濾柱的高:7:<</span>和467;<</span>。
（,）酶促填料表面生物膜厚度比陶粒和高爐渣
大。根據(jù)表 5所示試驗(yàn)結(jié)果，$#填料上的*大生
物膜厚度分別為%#和"# 填料的17,; 倍及178,
倍。
,747174 表面粗糙度對(duì)填料掛膜的影響
微生物本身具有非常大的孔表面積，容易受到
來自界面之間的相互作用。載體的表面粗糙度越
大，對(duì)微生物的捕捉能力也就越強(qiáng)［;］，所以填料的表
面粗糙度是形成初期生物膜的主要影響因素。圖8
為陶粒和酶促填料凈表面的電鏡照片。
從圖8電鏡觀測結(jié)果可以看出，酶促填料表面
孔隙發(fā)育比普通陶粒好，具有更大的表面粗糙度。
在!" 濾柱中，由于表面粗糙度較大的酶促填料對(duì)
水流具有更強(qiáng)的重分布能力，使濾柱內(nèi)水流對(duì)生物
膜的剪切力減小，同時(shí)也為微生物與基質(zhì)之間的混
合和接觸創(chuàng)造了有利的內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)了生物膜在填
料表面的積累。根據(jù)表!及圖"顯示的試驗(yàn)結(jié)果，
!"濾柱上部填料的掛膜率分別為#"、$"濾柱的
#$%&倍及’$!&倍。其底部填料的掛膜率為 #"濾
柱的%$(% 倍，是$" 濾柱的#$!) 倍。上述試驗(yàn)結(jié)
果充分體現(xiàn)了酶促填料優(yōu)于另兩種多孔填料的微生
物附著性能。
圖! 填料凈表面照片
’$#$# 不同填料表面的生物膜性狀
掛膜試驗(yàn)結(jié)束時(shí)觀測到，陶粒表面的生物膜為
黑色；高爐渣表面的生物膜較為稀薄，呈灰黑色；酶
促填料表面的生物膜呈棕黑色絨狀。對(duì)’種填料進(jìn)
行的電鏡掃描觀察結(jié)果顯示：’種填料上均以球菌、
桿菌等為優(yōu)勢菌種。陶粒上的生物膜較酶促填料
薄，菌膠團(tuán)大而稀薄，觀測過程中偶爾可見到裸露的
陶粒表面；高爐渣上附著的生物膜更為稀薄，獨(dú)立的
菌膠團(tuán)遍布其表面；酶促填料表面完全被生物膜所
覆蓋，生物膜結(jié)構(gòu)致密，以菌膠團(tuán)為主，這種結(jié)構(gòu)不
僅對(duì)微生物自身具有保護(hù)作用，而且能增強(qiáng)生物膜
對(duì)水中有機(jī)物的吸附氧化性能；微生物中以單球菌、
桿菌為優(yōu)勢菌種，填料間隙的微生物也以上述菌群
為主，這類微生物種群具有良好的絮凝性，提高了反
應(yīng)器持留生物固體的能力，從而為高負(fù)荷處理低濃
度有機(jī)廢水提供了優(yōu)越的生化反應(yīng)條件。
! 結(jié)論
（%）在常溫下以城市污水為試驗(yàn)污水，對(duì)陶粒、
高爐渣和酶促填料的缺氧掛膜對(duì)比試驗(yàn)研究表明：
酶促填料因其較大的有效孔表面積和表面粗糙度，
有著比陶粒和高爐渣更為良好的掛膜特性。酶促填
料表面在試驗(yàn)開始后第 ’*出現(xiàn)生物膜附著特征，
#+*完成掛膜，掛膜成功的時(shí)間比陶粒快)*，比高爐
渣快%+*；其*大生物膜厚度分別為陶粒、高爐渣的
%$’(倍和%$!’ 倍，因而在相應(yīng)填料層高度上的微
生物濃度較高。
（#）酶促填料有利于以球菌、桿菌等為優(yōu)勢菌種
的菌膠團(tuán)附著生長，從而可形成對(duì)水中有機(jī)物具有
良好絮凝、吸附和氧化性能且結(jié)構(gòu)致密的生物膜，為
高負(fù)荷處理低濃度有機(jī)廢水提供了良好的條件。
