污水处理(lǐ)之生物(wù)挂膜

生物(wù)膜法是一种高1效的废水处理(lǐ)方法，具有(yǒu)污泥量少，不会引起污泥膨胀，对废水的水质和水量的变动具有(yǒu)较好的适应能(néng)力，运行管理(lǐ)简单等特点。

生物(wù)膜法是使微生物(wù)附着在载體(tǐ)表面上并形成生物(wù)膜，当污水流经载體(tǐ)表面时，污水中的有(yǒu)机物(wù)及溶解氧向生物(wù)膜内部扩散。膜内微生物(wù)在有(yǒu)氧存在的情况下对有(yǒu)机物(wù)进行分(fēn)解代謝(xiè)和机體(tǐ)合成代謝(xiè)，同时分(fēn)解的代謝(xiè)产物(wù)从生物(wù)膜扩散到水相和空气中，从而使废水中的有(yǒu)机物(wù)得以降解。

活性污泥法和生物(wù)膜法的區(qū)别不仅仅是微生物(wù)的悬浮与附着之分(fēn)，更重要的是扩散过程在生物(wù)膜处理(lǐ)系统中是一个必1须考虑的因素。

在生物(wù)膜反应器中，有(yǒu)机污染物(wù)、溶解氧及各种必1须的营养物(wù)质首先要从液相扩散到生物(wù)膜表面，进而进到生物(wù)膜内部，只有(yǒu)扩散到生物(wù)膜表面或内部的污染物(wù)才有(yǒu)可(kě)能(néng)被生物(wù)膜内微生物(wù)分(fēn)解与转化，终形成各种代謝(xiè)产物(wù)。

另外，在生物(wù)膜反应器中，由于微生物(wù)被固定在载體(tǐ)上，从而实现了SRT与HRT(水力停留时间)的分(fēn)离，使得增殖速率慢的微生物(wù)也能(néng)生長(cháng)繁殖。因此，生物(wù)膜是一稳定的、多(duō)样的微生物(wù)生态系统。

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生物(wù)膜的形成原理(lǐ)（挂膜过程）

生物(wù)膜的形成过程是微生物(wù)吸附、生長(cháng)、脱落等综合作用(yòng)的动态过程。

首先，悬浮于液相中的有(yǒu)机污染物(wù)及微生物(wù)移动并附着在载體(tǐ)表面上；然后，附着在载體(tǐ)上的微生物(wù)对有(yǒu)机污染物(wù)进行降解，并发生代謝(xiè)、生長(cháng)、繁殖等过程，并逐渐在载體(tǐ)的局部區(qū)域形成薄的生物(wù)膜，这层生物(wù)膜具有(yǒu)生化活性，又(yòu)可(kě)进一步吸附、分(fēn)解废水中有(yǒu)机污染物(wù)，直至后形成一层将载體(tǐ)完全包裹的成熟的生物(wù)膜。

根据Characklis、Liu等人的研究，微生物(wù)膜的形成通常经历载體(tǐ)表面改良、可(kě)逆附着、不可(kě)逆附着、生物(wù)膜形成四个阶段，具體(tǐ)描述如下：

微生物(wù)在载體(tǐ)上的挂膜可(kě)分(fēn)為(wèi)微生物(wù)吸附和固着生長(cháng)两个阶段。载體(tǐ)加入水體(tǐ)以后，首先1进入吸附期。有(yǒu)部分(fēn)微生物(wù)和丝状物(wù)质已经附着在载體(tǐ)表面，附着了较多(duō)物(wù)质的位置往往是载體(tǐ)的凹处，不容易被水流剪切的地方。此时悬浮液中的微生物(wù)大量增長(cháng)，出现较明显的一个污泥层。

经过不可(kě)逆附着以后，微生物(wù)在载體(tǐ)表面获得一个比较稳定的生長(cháng)环境，在供氧和底物(wù)充足的情况下，吸附在载體(tǐ)上的污泥中的微生物(wù)很(hěn)快就开始生長(cháng)。

随着培养驯化时间的增長(cháng)，在载體(tǐ)表面生長(cháng)的生物(wù)膜也迅速增長(cháng)，逐渐覆盖整个载體(tǐ)表面，并开始增厚。但生物(wù)膜的生長(cháng)并不均匀，在载體(tǐ)比较突出的地方，生物(wù)膜比较薄，而凹处则会長(cháng)出相当繁盛的菌落，可(kě)见水力剪切对生物(wù)膜的生長(cháng)具有(yǒu)重要的影响。在载體(tǐ)表面附着生長(cháng)的微生物(wù)种类也很(hěn)繁多(duō)，除了累枝虫、钟虫外，还可(kě)观察到丝状菌、球菌、杆菌等，还有(yǒu)一些游泳性的细菌在活动。随着载體(tǐ)上附着了越来越多(duō)的生物(wù)膜，载體(tǐ)的表观密度逐渐会下降，变得更轻，更容易流态化，同时在下降區(qū)的载體(tǐ)下降速度有(yǒu)所变慢。

02

生物(wù)膜形成的影响因素

生物(wù)膜的形成与载體(tǐ)表面性质（载體(tǐ)表面亲水性、表面電(diàn)荷、表面化學(xué)组成和表面粗糙度）、微生物(wù)的性质（微生物(wù)的种类、培养条件、活性和浓度）及环境因素（pH值、离子强度、水力剪切力、温度、营养条件及微生物(wù)与载體(tǐ)的接触时间）等因素有(yǒu)关。

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载體(tǐ)表面性质

载體(tǐ)表面電(diàn)荷性、粗糙度、粒径和载體(tǐ)浓度等直接影响着生物(wù)膜在其表面的附着、形成。在正常生長(cháng)环境下，微生物(wù)表面带有(yǒu)负電(diàn)荷。如果能(néng)通过一1定的改良技术，如化學(xué)氧化、低温等离子體(tǐ)处理(lǐ)等可(kě)使载體(tǐ)表面带有(yǒu)正電(diàn)荷，从而可(kě)使微生物(wù)在载體(tǐ)表面的附着、形成过程更易进行。载體(tǐ)表面的粗糙度有(yǒu)利于细菌在其表面附着、固定。

一方面，与光滑表面相比，粗糙的载體(tǐ)表面增加了细菌与载體(tǐ)间的有(yǒu)效接触面积；另一方面载體(tǐ)表面的粗糙部分(fēn)，如孔洞、裂缝等对已附着的细菌起着屏蔽保护作用(yòng)，使它们免受水力剪切力的冲刷。

研究认為(wèi)，相对于大粒径载體(tǐ)而言，小(xiǎo)粒径载體(tǐ)之间的相互摩擦小(xiǎo)，比表面积大，因而更容易生成生物(wù)膜。另外，载體(tǐ)浓度对反应器内生物(wù)膜的挂膜也很(hěn)重要。Wagner在用(yòng)气提式反应器处理(lǐ)难降解物(wù)废水时发现，在载體(tǐ)质量浓度很(hěn)低情况下，即使生物(wù)膜厚达295μm，还是不能(néng)达到稳定的去除率。但是，在载體(tǐ)浓度為(wèi)20-30g／L时，即使只有(yǒu)20％的载體(tǐ)上有(yǒu)75μn厚的生物(wù)膜，反应器依然能(néng)达到稳定的(98％)去除率，COD负荷高可(kě)达58kg／(m3·d)。

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悬浮微生物(wù)浓度

在给定的系统中，悬浮微生物(wù)浓度反映了微生物(wù)与载體(tǐ)间的接触频度。一般来讲，随着悬浮微生物(wù)浓度的增加，微生物(wù)与载體(tǐ)间可(kě)能(néng)接触的几率也增加。许多(duō)研究结果表明，在微生物(wù)附着过程中存在着一个临界的悬浮微生物(wù)浓度；随着微生物(wù)浓度的增加，微生物(wù)借助浓度梯度的运送得到加强。

在临界值以前，微生物(wù)从液相传送、扩散到载體(tǐ)表面是控制步骤，一旦超过此临界值，微生物(wù)在载體(tǐ)表面的附着、固定受到载體(tǐ)有(yǒu)效表面积的限制，不再依赖于悬浮微生物(wù)的浓度。但附着固定平衡后，载體(tǐ)表面微生物(wù)的量是由微生物(wù)及载體(tǐ)表面特性所决定的。

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悬浮微生物(wù)的活性

微生物(wù)的活性通常可(kě)用(yòng)微生物(wù)的比增長(cháng)率(μ)来描述，即单位质量微生物(wù)的增長(cháng)繁殖速率。因此，在研究微生物(wù)活性对生物(wù)膜形成的初阶段的影响时，关键是如何控制悬浮微生物(wù)的比增長(cháng)率。研究结果表明，硝化细菌在载體(tǐ)表面的附着固定量及初始速率均正比于悬浮硝化细菌的活性。Bryers等人在研究异养生物(wù)膜的形成时也得出同样结果。

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影响悬浮微生物(wù)活性的因素主要有(yǒu)如下几种：

(1)当悬浮微生物(wù)的生物(wù)活性较高时，其分(fēn)泌胞外多(duō)聚物(wù)的能(néng)力较强。这种粘性的胞外多(duō)聚物(wù)在细菌与载體(tǐ)之间起到了生物(wù)粘合剂的作用(yòng)，使得细菌易于在载體(tǐ)表面附着、固定；

(2)微生物(wù)所处的能(néng)量水平直接与它们的增長(cháng)率相关。当卢增加时，悬浮微生物(wù)的动能(néng)随之增加。这些能(néng)量有(yǒu)助于克服在固定化过程中微生物(wù)载體(tǐ)表面间的能(néng)垒，使得细菌初始积累速率与悬浮细菌活性成正比；

(3)微生物(wù)的表面结构随着其活性的不同而相应变化。Herben等人研究发现，悬浮细菌活性对细菌在载體(tǐ)表面的附着固定过程有(yǒu)影响，而且，细菌表面的化學(xué)组成、官能(néng)团的量也随细菌活性的变化有(yǒu)显著变化。同时，Wastson等人的研究表明，细胞膜等随悬浮细菌活性的变化而有(yǒu)显著变化。细菌表面的这些变化将直接影响微生物(wù)在载體(tǐ)表面的附着、固定。因此，通常认為(wèi)，由悬浮微生物(wù)活性变化而引起的细菌表面生理(lǐ)状态或分(fēn)子组成的变化是有(yǒu)利于细菌在载體(tǐ)表面附着、固定的；

(4)微生物(wù)与载體(tǐ)接触时间。微生物(wù)在载體(tǐ)表面附着、固定是—动态过程。微生物(wù)与载體(tǐ)表面接触后，需要一个相对稳定的环境条件，因此必1须保证微生物(wù)在载體(tǐ)表面停留一1定时间，完成微生物(wù)在载體(tǐ)表面的增長(cháng)过程；

(5)水力停留时间(HRT)。HeUnen等人认為(wèi)，HRT对能(néng)否形成完整的生物(wù)膜起着重要的作用(yòng)。在其他(tā)条件确定的情况下，HRT短则有(yǒu)机容积负荷大，当稀释率大于大生長(cháng)率时，反应器内载體(tǐ)上能(néng)生成完整的生物(wù)膜。刊huis等人的试验证明了这种观点。在COD负荷為(wèi)2.5kg／(m3·d)，HRT為(wèi)4h时，载體(tǐ)上几乎没有(yǒu)完整的生物(wù)膜，而水力停留时间為(wèi)1h时，在相同的操作时间内几乎所有(yǒu)的载體(tǐ)上都長(cháng)有(yǒu)完整的生物(wù)膜，且较高的表面COD负荷更易生成较厚的生物(wù)膜，即COD负荷越高，生物(wù)膜越厚。周平等人也通过试验证明了较短的水力停留时间有(yǒu)利于载體(tǐ)挂膜；

(6)液相pH值。除了等電(diàn)点外，细菌表面在不同环境下带有(yǒu)不同的電(diàn)荷；液相环境中，pH值的变化将直接影响微生物(wù)的表面電(diàn)荷特性。当液相pH值大于细菌等電(diàn)点时，细菌表面由于氨基酸的電(diàn)离作用(yòng)而显负電(diàn)性；当液相pH值小(xiǎo)于细菌等電(diàn)点时，细菌表面显正電(diàn)性。细菌表面電(diàn)性将直接影响细菌在载體(tǐ)表面附着、固定；

(7)水力剪切力。在生物(wù)膜形成初期，水力条件是一个非常重要的因素，它直接影响生物(wù)膜是否能(néng)培养成功。在实际水处理(lǐ)中，水力剪切力的强弱决定了生物(wù)膜反应器启动周期。单从生物(wù)膜形成角度分(fēn)析，弱的水力剪切力有(yǒu)利于细菌在载體(tǐ)表面的附着和固定，但在实际运行中，反应器的运行需要一1定强度的水力剪切力以维持反应器中的完全混合状态。所以在实际设计运行中如何确定生物(wù)膜反应器的水力學(xué)条件是非常重要的。

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挂膜过程中的影响因素

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生物(wù)载體(tǐ)挂膜过程中的作用(yòng)力

生物(wù)载體(tǐ)挂膜过程中的作用(yòng)力直接促成了微生物(wù)与载體(tǐ)表面的直接作用(yòng)，在整个生物(wù)膜形成过程中起着至关重要的作用(yòng)。生物(wù)载體(tǐ)在挂膜过程的作用(yòng)力较為(wèi)复杂，这里详细分(fēn)析与生物(wù)载體(tǐ)表面理(lǐ)化特性有(yǒu)关的物(wù)理(lǐ)力，如范德华力、静電(diàn)作用(yòng)力、表面张力、水动力外，还有(yǒu)湍流扩散力、表面剪切力、载體(tǐ)运动引起的力等。

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载體(tǐ)表面亲水性的影响

华南理(lǐ)工大學(xué)江帆通过对不同载體(tǐ)挂膜实验得出：GPUC载體(tǐ)表面含有(yǒu)-OH、酰胺基等亲水性基团，而大部分(fēn)微生物(wù)本身具有(yǒu)良好的亲水性，载體(tǐ)表面与微生物(wù)表面能(néng)够形成氢键结构；同时亲水性载體(tǐ)表面自由能(néng)低于疏水性载體(tǐ)的表面自由能(néng)，水中的微生物(wù)更容易接近亲水性载體(tǐ)表面吸附生長(cháng)。实验中对GPUC载體(tǐ)与普通多(duō)孔载體(tǐ)进行了比较，结果显示GPUC载體(tǐ)的挂膜量及挂膜生物(wù)活性均大于普通多(duō)孔载體(tǐ)。

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温度对挂膜行為(wèi)的影响

水温是微生物(wù)的重要生存因子,在适宜的水温范围内微生物(wù)可(kě)大量生長(cháng)繁殖。每一种微生物(wù)都有(yǒu)一个适生長(cháng)温度，在一1定温度范围内大多(duō)数微生物(wù)的新(xīn)陈代謝(xiè)活动都会随着温度的升高而增强，随着温度的下降而减弱。好氧微生物(wù)的适宜温度范围是10—35℃。水温对硝化菌的生長(cháng)和硝化速率有(yǒu)较大的影响。大多(duō)数硝化菌合适的生長(cháng)温度是25—30℃之间，当温度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長(cháng)减慢，10℃以下硝化菌的生長(cháng)及硝化作用(yòng)显著减慢。

江帆分(fēn)别在10℃、20℃、35℃左右时进行挂膜试验，同时在整个挂膜过程中测定填料上附着的微生物(wù)量，根据结果绘制不同温度下的微生物(wù)量变化曲線(xiàn)如图所示。在10℃时，挂膜启动较慢，经过7d才有(yǒu)明显的生物(wù)膜附着，挂膜成熟经过了21d，附着生物(wù)量大值為(wèi)2.1 g/L；在35℃时，经过4d生物(wù)膜开始形成，生物(wù)膜成熟经历了大约19d，附着生物(wù)膜量最大值為(wèi)3.5g/L；在20℃左右时，经过2d生物(wù)膜开始形成，生物(wù)膜成熟经过了10d左右，附着生物(wù)膜量最大值為(wèi)5.7g/L。可(kě)见，温度对挂膜的影响不大明显，在15℃～30℃范围内，填料表面生物(wù)膜都能(néng)够形成，挂膜启动的比较快。

温度是影响生物(wù)活性和代謝(xiè)能(néng)力的关键因素，其对硝化反应过程的影响主要在于硝化细菌的生長(cháng)规律及生物(wù)活性上。

温度对生物(wù)活性的影响表现為(wèi)：一是对生化反应速率的影响；二是对氧的传质速率的影响。

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载體(tǐ)比表面积、表面粗糙度的影响

微生物(wù)的表面积、表面粗糙度形成初期生物(wù)膜的主要因素。大的比表面积、粗糙度提高了载體(tǐ)对微生物(wù)的捕捉能(néng)力。

表面粗糙度大的载體(tǐ)对水流具有(yǒu)更强的重新(xīn)分(fēn)布能(néng)力使反应器内水流对载體(tǐ)上生物(wù)膜的剪切力变小(xiǎo)，同时為(wèi)微生物(wù)与基质之间的混合和接触提供了有(yǒu)利的内环境，促进了生物(wù)膜在填料表面的积累。

粗糙表面比光滑表面具有(yǒu)更厚的层流边界层，能(néng)提供良好的静态水力學(xué)环境从而避免水流剪切力对附着微生物(wù)增長(cháng)的不利影响，所以在生物(wù)膜形成的初阶段，较大的比表面积、表面粗糙度可(kě)使生物(wù)膜的形成速度加快。