【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.esdzu.com】生物膜法是一種高效的廢水處置方法，具有污泥量少，不會引起污泥膨脹，對廢水的水質(zhì)和水量的變化具有較好的適應(yīng)能力，運行管理簡單等特點。生物膜法是使微生物附著在載體外表上并形成生物膜，當污水流經(jīng)載體外表時，污水中的有機物及溶解氧向生物膜內(nèi)部擴散。膜內(nèi)微生物在有氧存在情況下對有機物進行分解代謝和機體合成代謝，同時分解的代謝產(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(qū)別不只僅是微生物的懸浮與附著之分，更重要的擴散過程在生物膜處置系統(tǒng)中是一個必須考慮的因素。生物膜反應(yīng)器中，有機污染物、溶解氧及各種必須的營養(yǎng)物質(zhì)首先要從液相擴散到生物膜表面，進而進到生物膜內(nèi)部，只有擴散到生物膜外表或內(nèi)部的污染物才有可能被生物膜內(nèi)微生物分解與轉(zhuǎn)化，最終形成各種代謝產(chǎn)物。另外，生物膜反應(yīng)器中，由于微生物被固定在載體上，從而實現(xiàn)了SRT與HRT水力停留時間)分離，使得增殖速率慢的微生物也能生長繁殖。因此，生物膜是一穩(wěn)定的多樣的微生物生態(tài)系統(tǒng)。

1.生物膜的形成原理

生物膜的形成過程是微生物吸附、生長、脫落等綜合作用的動態(tài)過程。

首先，懸浮于液相中的有機污染物及微生物移動并附著在載體外表上；然后附著在載體上的微生物對有機污染物進行降解，并發(fā)生代謝、生長、繁殖等過程，并逐漸在載體的局部區(qū)域形成薄的生物膜，這層生物膜具有生化活性，又可進一步吸附、分解廢水中有機污染物，上海純水設(shè)備直至最后形成一層將載體完全包裹的幼稚的生物膜。

根據(jù)CharackliLiu等人的研究，微生物膜的形成通常經(jīng)歷載體外表改良、可逆附著、不可逆附著、生物膜形成四個階段，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生長兩個階段。載體加入水體以后，首先進入吸附期。由圖可見，有局部微生物和絲狀物質(zhì)已經(jīng)附著在載體外表，附著了較多物質(zhì)的位置往往是載體的凹處，不容易被水流剪切的地方。此時懸浮液中的微生物大量增長，出現(xiàn)較明顯的一個污泥層。

經(jīng)過不可逆附著以后，微生物在載體外表獲得一個比較穩(wěn)定的生長環(huán)境，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始生長。下圖為微生物在載體外表開始生長時的情景，由圖可見到活性很好的鐘蟲和累枝蟲。

隨著培養(yǎng)馴化時間的增長，載體外表生長的生物膜也迅速增長，逐漸覆蓋整個載體外表，并開始增厚。但生物膜的生長并不均勻，載體比較突出的地方，生物膜比較薄，而凹處則會長出相當繁盛的菌落，可見水力剪切對生物膜的生長具有重要的影響。載體外表附著生長的微生物種類也很繁多，除了累枝蟲、鐘蟲外，還可觀察到絲狀菌、球菌、桿菌等，還有一些游泳性的細菌在活動。如下圖所示。隨著載體上附著了越來越多的生物膜，載體的表觀密度逐漸會下降，變得更輕，更容易流態(tài)化，同時在下降區(qū)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外表性質(zhì)(載體外表親水性、外表電荷、外表化學(xué)組成和外表粗糙度)微生物的性質(zhì)(微生物的種類、培養(yǎng)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、營養(yǎng)條件及微生物與載體的接觸時間)等因素有關(guān)。

2.1載體外表性質(zhì)

載體外表電荷性、粗糙度、粒徑和載體濃度等直接影響著生物膜在其表面的附著、形成。正常生長環(huán)境下，微生物外表帶有負電荷。如果能通過一定的改良技術(shù)，如化學(xué)氧化、低溫等離子體處置等可使載體外表帶有正電荷，從而可使微生物在載體外表的附著、形成過程更易進行。載體外表的粗糙度有利于細菌在其表面附著、固定。

一方面，與光滑外表相比，粗糙的載體外表增加了細菌與載體間的有效接觸面積；另一方面載體外表的粗糙局部，如孔洞、裂縫等對已附著的細菌起著屏蔽維護作用，使它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，上海純水設(shè)備因而更容易生成生物膜。另外，載體濃度對反應(yīng)器內(nèi)生物膜的掛膜也很重要。Wagner用氣提式反應(yīng)器處置難降解物廢水時發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定的去除率。但是載體濃度為20-30gL時，即使只有20％的載體上有75μn厚的生物膜，反應(yīng)器依然能達到穩(wěn)定的98％)去除率，COD負荷最高可達58kgm3d

2.2懸浮微生物濃度

給定的系統(tǒng)中，懸浮微生物濃度反映了微生物與載體間的接觸頻度。一般來講，隨著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(jié)果標明，微生物附著過程中存在著一個臨界的懸浮微生物濃度；隨著微生物濃度的增加，微生物借助濃度梯度的運送得到加強。

臨界值以前，微生物從液相傳送、擴散到載體外表是控制方法，一旦逾越此臨界值，微生物在載體外表的附著、固定受到載體有效外表積的限制，不再依賴于懸浮微生物的濃度。上海純水設(shè)備但附著固定平衡后，載體外表微生物的量是由微生物及載體外表特性所決定的

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率(μ)來描述，即單位質(zhì)量微生物的增長繁殖速率。因此，研究微生物活性對生物膜形成的最初階段的影響時，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的比增長率。研究結(jié)果標明，硝化細菌在載體外表的附著固定量及初始速率均正比于懸浮硝化細菌的活性。Bryer等人在研究異養(yǎng)生物膜的形成時也得出同樣結(jié)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，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生物粘合劑的作用，使得細菌易于在載體外表附著、固定；

2微生物所處的能量水平直接與它增長率相關(guān)。當盧增加時，懸浮微生物的動能隨之增加。這些能量有助于克服在固定化過程中微生物載體外表間的能壘，使得細菌初始積累速率與懸浮細菌活性成正比。

3微生物的外表結(jié)構(gòu)隨著其活性的不同而相應(yīng)變化。Herben等人研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細菌活性對細菌在載體外表的附著固定過程有影響，而且，細菌外表的化學(xué)組成、官能團的量也隨細菌活性的變化有顯著變化。同時，Wastson等人的研究標明，細胞膜等隨懸浮細菌活性的變化而有顯著變化。細菌外表的這些變化將直接影響微生物在載體外表的附著、固定。因此，通常認為，由懸浮微生物活性變化而引起的細菌外表生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細菌在載體外表附著、固定的

4微生物與載體接觸時間。微生物在載體外表附著、固定是動態(tài)過程。微生物與載體外表接觸后，需要一個相對穩(wěn)定的環(huán)境條件，因此必需保證微生物在載體外表停留一定時間，完成微生物在載體外表的增長過程。

5水力停留時間(HRTHeUnen等人認為，HRT對能否形成完整的生物膜起著重要的作用。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率時，反應(yīng)器內(nèi)載體上能生成完整的生物膜。刊hui等人的試驗證明了這種觀點。COD負荷為2．5kgm3dHRT為4h時，載體上幾乎沒有完整的生物膜，而水力停留時間為1h時，相同的操作時間內(nèi)幾乎所有的載體上都長有完整的生物膜，且較高的外表COD負荷更易生成較厚的生物膜，即COD負荷越高，生物膜越厚。周平等人也通過試驗證明了較短的水力停留時間有利于載體掛膜。

6液相pH值。除了等電點外，細菌外表在不同環(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外表電荷特性。當液相pH值大于細菌等電點時，細菌外表由于氨基酸的電離作用而顯負電性；當液相pH值小于細菌等電點時，細菌外表顯正電性。細菌外表電性將直接影響細菌在載體外表附著、固定。

7水力剪切力。生物膜形成初期，水力條件是一個非常重要的因素，直接影響生物膜是否能培養(yǎng)成功。實際水處理中，水力剪切力的強弱決定了生物膜反應(yīng)器啟動周期。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外表的附著和固定，但在實際運行中，反應(yīng)器的運行需要一定強度的水力剪切力以維持反應(yīng)器中的完全混合狀態(tài)。所以在實際設(shè)計運行中如何確定生物膜反應(yīng)器的水力學(xué)條件是非常重要的

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