1. 生物膜的形成原理
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什么是生物膜？
發(fā)布人員： 新聞來(lái)源：必高環(huán)保網(wǎng) 發(fā)布日期：2021-1-14 9:14:17
生物膜法是一種高效的廢水處理方法，具有污泥量少，不會(huì )引起污泥膨脹，對廢水的水質(zhì)和水量的變動(dòng)具有較好的適應能力，運行管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。生物膜法是使微生物附著(zhù)在載體表面上并形成生物膜，當污水流經(jīng)載體表面時(shí)，污水中的有機物及溶解氧向生物膜內部擴散。膜內微生物在有氧存在的情況下對有機物進(jìn)行分解代謝和機體合成代謝，同時(shí)分解的代謝產(chǎn)物從生物膜擴散到水相和空氣中，從而使廢水中的有機物得以降解。
活性污泥法和生物膜法的區別不僅僅是微生物的懸浮與附著(zhù)之分，更重要的是擴散過(guò)程在生物膜處理系統中是一個(gè)必須考慮的因素。在生物膜反應器中，有機污染物、溶解氧及各種必須的營(yíng)養物質(zhì)首先要從液相擴散到生物膜表面，進(jìn)而進(jìn)到生物膜內部，只有擴散到生物膜表面或內部的污染物才有可能被生物膜內微生物分解與轉化，最終形成各種代謝產(chǎn)物。另外，在生物膜反應器中，由于微生物被固定在載體上，從而實(shí)現了SRT與HRT(水力停留時(shí)間)的分離，使得增殖速率慢的微生物也能生長(cháng)繁殖。因此，生物膜是一穩定的、多樣的微生物生態(tài)系統。
生物膜的形成過(guò)程是微生物吸附、生長(cháng)、脫落等綜合作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
首先，懸浮于液相中的有機污染物及微生物移動(dòng)并附著(zhù)在載體表面上；然后附著(zhù)在載體上的微生物對有機污染物進(jìn)行降解，并發(fā)生代謝、生長(cháng)、繁殖等過(guò)程，并逐漸在載體的局部區域形成薄的生物膜，這層生物膜具有生化活性，又可進(jìn)一步吸附、分解廢水中有機污染物，直至最后形成一層將載體完全包裹的成熟的生物膜。
根據Characklis、Liu等人的研究，微生物膜的形成通常經(jīng)歷載體表面改良、可逆附著(zhù)、不可逆附著(zhù)、生物膜形成四個(gè)階段，具體描述如下：
微生物在載體上的掛膜可分為微生物吸附和固著(zhù)生長(cháng)兩個(gè)階段。載體加入水體以后，首先進(jìn)入吸附期。由圖可見(jiàn)，有部分微生物和絲狀物質(zhì)已經(jīng)附著(zhù)在載體表面，附著(zhù)了較多物質(zhì)的位置往往是載體的凹處，不容易被水流剪切的地方。此時(shí)懸浮液中的微生物大量增長(cháng)，出現較明顯的一個(gè)污泥層。
經(jīng)過(guò)不可逆附著(zhù)以后，微生物在載體表面獲得一個(gè)比較穩定的生長(cháng)環(huán)境，在供氧和底物充足的情況下，吸附在載體上的污泥中的微生物很快就開(kāi)始生長(cháng)。下圖為微生物在載體表面開(kāi)始生長(cháng)時(shí)的情景，由圖可見(jiàn)到活性很好的鐘蟲(chóng)和累枝蟲(chóng)。
隨著(zhù)培養馴化時(shí)間的增長(cháng)，在載體表面生長(cháng)的生物膜也迅速增長(cháng)，逐漸覆蓋整個(gè)載體表面，并開(kāi)始增厚。但生物膜的生長(cháng)并不均勻，在載體比較突出的地方，生物膜比較薄，而凹處則會(huì )長(cháng)出相當繁盛的菌落，可見(jiàn)水力剪切對生物膜的生長(cháng)具有重要的影響。在載體表面附著(zhù)生長(cháng)的微生物種類(lèi)也很繁多，除了累枝蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)外，還可觀(guān)察到絲狀菌、球菌、桿菌等，還有一些游泳性的細菌在活動(dòng)。如下圖所示。隨著(zhù)載體上附著(zhù)了越來(lái)越多的生物膜，載體的表觀(guān)密度逐漸會(huì )下降，變得更輕，更容易流態(tài)化，同時(shí)在下降區的載體下降速度有所變慢。
2. 生物膜形成的影響因素
生物膜的形成與載體表面性質(zhì)(載體表面親水性、表面電荷、表面化學(xué)組成和表面粗糙度)、微生物的性質(zhì)(微生物的種類(lèi)、培養條件、活性和濃度)及環(huán)境因素(PH值、離子強度、水力剪切力、溫度、營(yíng)養條件及微生物與載體的接觸時(shí)間)等因素有關(guān)。
2.1 載體表面性質(zhì)
載體表面電荷性、粗糙度、粒徑和載體濃度等直接影響著(zhù)生物膜在其表面的附著(zhù)、形成。在正常生長(cháng)環(huán)境下，微生物表面帶有負電荷。如果能通過(guò)一定的改良技術(shù)，如化學(xué)氧化、低溫等離子體處理等可使載體表面帶有正電荷，從而可使微生物在載體表面的附著(zhù)、形成過(guò)程更易進(jìn)行。載體表面的粗糙度有利于細菌在其表面附著(zhù)、固定。
一方面，與光滑表面相比，粗糙的載體表面增加了細菌與載體間的有效接觸面積；另一方面載體表面的粗糙部分，如孔洞、裂縫等對已附著(zhù)的細菌起著(zhù)屏蔽保護作用，使它們免受水力剪切力的沖刷。
研究認為，相對于大粒徑載體而言，小粒徑載體之間的相互摩擦小，比表面積大，因而更容易生成生物膜。另外，載體濃度對反應器內生物膜的掛膜也很重要。Wagner在用氣提式反應器處理難降解物廢水時(shí)發(fā)現，在載體質(zhì)量濃度很低情況下，即使生物膜厚達295μm，還是不能達到穩定的去除率。但是，在載體濃度為20-30g／L時(shí)，即使只有20％的載體上有75μn厚的生物膜，反應器依然能達到穩定的(98％)去除率，COD負荷最高可達58kg／(m3·d)。
2.2 懸浮微生物濃度
在給定的系統中，懸浮微生物濃度反映了微生物與載體間的接觸頻度。一般來(lái)講，隨著(zhù)懸浮微生物濃度的增加，微生物與載體間可能接觸的幾率也增加。許多研究結果表明，在微生物附著(zhù)過(guò)程中存在著(zhù)一個(gè)臨界的懸浮微生物濃度；隨著(zhù)微生物濃度的增加，微生物借助濃度梯度的運送得到加強。
在臨界值以前，微生物從液相傳送、擴散到載體表面是控制步驟，一旦超過(guò)此臨界值，微生物在載體表面的附著(zhù)、固定受到載體有效表面積的限制，不再依賴(lài)于懸浮微生物的濃度。但附著(zhù)固定平衡后，載體表面微生物的量是由微生物及載體表面特性所決定的。
2.3 懸浮微生物的活性
微生物的活性通常可用微生物的比增長(cháng)率(μ)來(lái)描述，即單位質(zhì)量微生物的增長(cháng)繁殖速率。因此，在研究微生物活性對生物膜形成的最初階段的影響時(shí)，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的比增長(cháng)率。研究結果表明，硝化細菌在載體表面的附著(zhù)固定量及初始速率均正比于懸浮硝化細菌的活性。Bryers等人在研究異養生物膜的形成時(shí)也得出同樣結果。影響懸浮微生物活性的因素主要有如下幾種。
(1)當懸浮微生物的生物活性較高時(shí)，其分泌胞外多聚物的能力較強。這種粘性的胞外多聚物在細菌與載體之間起到了生物粘合劑的作用，使得細菌易于在載體表面附著(zhù)、固定；
(2)微生物所處的能量水平直接與它們的增長(cháng)率相關(guān)。當盧增加時(shí)，懸浮微生物的動(dòng)能隨之增加。這些能量有助于克服在固定化過(guò)程中微生物載體表面間的能壘，使得細菌初始積累速率與懸浮細菌活性成正比。
(3)微生物的表面結構隨著(zhù)其活性的不同而相應變化。Herben等人研究發(fā)現，懸浮細菌活性對細菌在載體表面的附著(zhù)固定過(guò)程有影響，而且，細菌表面的化學(xué)組成、官能團的量也隨細菌活性的變化有顯著(zhù)變化。同時(shí)，Wastson等人的研究表明，細胞膜等隨懸浮細菌活性的變化而有顯著(zhù)變化。細菌表面的這些變化將直接影響微生物在載體表面的附著(zhù)、固定。因此，通常認為，由懸浮微生物活性變化而引起的細菌表面生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細菌在載體表面附著(zhù)、固定的。
(4)微生物與載體接觸時(shí)間。微生物在載體表面附著(zhù)、固定是—動(dòng)態(tài)過(guò)程。微生物與載體表面接觸后，需要一個(gè)相對穩定的環(huán)境條件，因此必須保證微生物在載體表面停留一定時(shí)間，完成微生物在載體表面的增長(cháng)過(guò)程。
(5)水力停留時(shí)間(HRT)。HeUnen等人認為，HRT對能否形成完整的生物膜起著(zhù)重要的作用。在其他條件確定的情況下，HRT短則有機容積負荷大，當稀釋率大于最大生長(cháng)率時(shí)，反應器內載體上能生成完整的生物膜。刊huis等人的試驗證明了這種觀(guān)點(diǎn)。在COD負荷為2．5kg／(m3·d)，HRT為4h時(shí)，載體上幾乎沒(méi)有完整的生物膜，而水力停留時(shí)間為1h時(shí)，在相同的操作時(shí)間內幾乎所有的載體上都長(cháng)有完整的生物膜，且較高的表面COD負荷更易生成較厚的生物膜，即COD負荷越高，生物膜越厚。周平等人也通過(guò)試驗證明了較短的水力停留時(shí)間有利于載體掛膜。
(6)液相pH值。除了等電點(diǎn)外，細菌表面在不同環(huán)境下帶有不同的電荷；液相環(huán)境中，pH值的變化將直接影響微生物的表面電荷特性。當液相pH值大于細菌等電點(diǎn)時(shí)，細菌表面由于氨基酸的電離作用而顯負電性；當液相pH值小于細菌等電點(diǎn)時(shí)，細菌表面顯正電性。細菌表面電性將直接影響細菌在載體表面附著(zhù)、固定。
(7)水力剪切力。在生物膜形成初期，水力條件是一個(gè)非常重要的因素，它直接影響生物膜是否能培養成功。在實(shí)際水處理中，水力剪切力的強弱決定了生物膜反應器啟動(dòng)周期。單從生物膜形成角度分析，弱的水力剪切力有利于細菌在載體表面的附著(zhù)和固定，但在實(shí)際運行中，反應器的運行需要一定強度的水力剪切力以維持反應器中的完全混合狀態(tài)。所以在實(shí)際設計運行中如何確定生物膜反應器的水力學(xué)條件是非常重要的。