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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(duì)廢水的水質(zhì)和水量的變動(dòng)具有較好的適應(yīng)能力，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
生物膜法是使微生物附著在載體表面上并形成生物膜，當(dāng)污水流經(jīng)載體表面時(shí)，污水中的有機(jī)物及溶解氧向生物膜內(nèi)部擴(kuò)散。膜內(nèi)微生物在有氧存在的情況下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解代謝和機(jī)體合成代謝，同時(shí)分解的代謝產(chǎn)物從生物膜擴(kuò)散到水相和空氣中，從而使廢水中的有機(jī)物得以降解。
活性污泥法和生物膜法的區(qū)別不僅僅是微生物的懸浮與附著之分，更重要的是擴(kuò)散過(guò)程在生物膜處理系統(tǒng)中是一個(gè)必須考慮的因素。在生物膜反應(yīng)器中，有機(jī)污染物、溶解氧及各種必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)首先要從液相擴(kuò)散到生物膜表面，進(jìn)而進(jìn)到生物膜內(nèi)部，只有擴(kuò)散到生物膜表面或內(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，更終形成各種代謝產(chǎn)物。另外，在生物膜反應(yīng)器中，由于微生物被固定在載體上，從而實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)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)。
生物膜的形成原理(掛膜過(guò)程)
生物膜的形成過(guò)程是微生物吸附、生長(zhǎng)、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(jī)污染物及微生物移動(dòng)并附著在載體表面上；然后，附著在載體上的微生物對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解，并發(fā)生代謝、生長(zhǎng)、繁殖等過(guò)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(jìn)一步吸附、分解廢水中有機(jī)污染物，直至更后形成一層將載體完全包裹的成熟的生物膜。
根據(jù)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、不可逆附著、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生長(zhǎng)兩個(gè)階段。載體加入水體以后，首先進(jìn)入吸附期。有部分微生物和絲狀物質(zhì)已經(jīng)附著在載體表面，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(shí)懸浮液中的微生物大量增長(zhǎng)，出現(xiàn)較明顯的一個(gè)污泥層。
經(jīng)過(guò)不可逆附著以后，微生物在載體表面獲得一個(gè)比較穩(wěn)定的生長(zhǎng)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(zhǎng)。
隨著培養(yǎng)馴化時(shí)間的增長(zhǎng)，在載體表面生長(zhǎng)的生物膜也迅速增長(zhǎng)，逐漸覆蓋整個(gè)載體表面，并開(kāi)始增厚。但生物膜的生長(zhǎng)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(zhǎng)出相當(dāng)繁盛的菌落，可見(jiàn)水力剪切對(duì)生物膜的生長(zhǎng)具有重要的影響。在載體表面附著生長(zhǎng)的微生物種類(lèi)也很繁多，除了累枝蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)外，還可觀察到絲狀菌、球菌、桿菌等，還有一些游泳性的細(xì)菌在活動(dòng)。隨著載體上附著了越來(lái)越多的生物膜，載體的表觀密度逐漸會(huì)下降，變得更輕，更容易流態(tài)化，同時(shí)在下降區(qū)的載體下降速度有所變慢。
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(yǎng)條件、活性和濃度)及環(huán)境因素(pH值、離子強(qiáng)度、水力剪切力、溫度、營(yíng)養(yǎng)條件及微生物與載體的接觸時(shí)間)等因素有關(guān)。
載體表面電荷性、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。在正常生長(zhǎng)環(huán)境下，微生物表面帶有負(fù)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、形成過(guò)程更易進(jìn)行。載體表面的粗糙度有利于細(xì)菌在其表面附著、固定。
一方面，與光滑表面相比，粗糙的載體表面增加了細(xì)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(duì)已附著的細(xì)菌起著屏蔽保護(hù)作用，使它們免受水力剪切力的沖刷。
研究認(rèn)為，相對(duì)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(duì)反應(yīng)器內(nèi)生物膜的掛膜也很重要。Wagner在用氣提式反應(yīng)器處理難降解物廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在載體質(zhì)量濃度很低情況下，即使生物膜厚達(dá)295μm，還是不能達(dá)到穩(wěn)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(yīng)器依然能達(dá)到穩(wěn)定的(98%)去除率，COD負(fù)荷更高可達(dá)58kg/(m3·d)。
在給定的系統(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(lái)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)果表明，在微生物附著過(guò)程中存在著一個(gè)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(yùn)送得到加強(qiáng)。
在臨界值以前，微生物從液相傳送、擴(kuò)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、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。
微生物的活性通?？捎梦⑸锏谋仍鲩L(zhǎng)率(μ)來(lái)描述，即單位質(zhì)量微生物的增長(zhǎng)繁殖速率。因此，在研究微生物活性對(duì)生物膜形成的更初階段的影響時(shí)，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的比增長(zhǎng)率。研究結(jié)果表明，硝化細(xì)菌在載體表面的附著固定量及初始速率均正比于懸浮硝化細(xì)菌的活性。Bryers等人在研究異養(yǎng)生物膜的形成時(shí)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(dāng)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(qiáng)。這種粘性的胞外多聚物在細(xì)菌與載體之間起到了生物粘合劑的作用，使得細(xì)菌易于在載體表面附著、固定；
(2)微生物所處的能量水平直接與它們的增長(zhǎng)率相關(guān)。當(dāng)μ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(xì)菌初始積累速率與懸浮細(xì)菌活性成正比；
(3)微生物的表面結(jié)構(gòu)隨著其活性的不同而相應(yīng)變化。Herben等研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細(xì)菌活性對(duì)細(xì)菌在載體表面的附著固定過(guò)程有影響，而且，細(xì)菌表面的化學(xué)組成、官能團(tuán)的量也隨細(xì)菌活性的變化有顯著變化。同時(shí)，Wastson等的研究表明，細(xì)胞膜等隨懸浮細(xì)菌活性的變化而有顯著變化。細(xì)菌表面的這些變化將直接影響微生物在載體表面的附著、固定。因此，通常認(rèn)為，由懸浮微生物活性變化而引起的細(xì)菌表面生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細(xì)菌在載體表面附著、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、固定是—?jiǎng)討B(tài)過(guò)程。微生物與載體表面接觸后，需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)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(zhǎng)過(guò)程；
(5)水力停留時(shí)間(HRT)。HeUnen等認(rèn)為，HRT對(duì)能否形成完整的生物膜起著重要的作用。在其他條件確定的情況下，HRT短則有機(jī)容積負(fù)荷大，當(dāng)稀釋率大于更大生長(zhǎng)率時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)載體上能生成完整的生物膜。在COD負(fù)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(nèi)幾乎所有的載體上都長(zhǎng)有完整的生物膜，且較高的表面COD負(fù)荷更易生成較厚的生物膜，即COD負(fù)荷越高，生物膜越厚。周平等也通過(guò)試驗(yàn)證明了較短的HRT有利于載體掛膜；
(6)液相pH值。除了等電點(diǎn)外，細(xì)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(dāng)液相pH值大于細(xì)菌等電點(diǎn)時(shí)，細(xì)菌表面由于氨基酸的電離作用而顯負(fù)電性；當(dāng)液相pH值小于細(xì)菌等電點(diǎn)時(shí)，細(xì)菌表面顯正電性。細(xì)菌表面電性將直接影響細(xì)菌在載體表面附著、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(yǎng)成功。在實(shí)際水處理中，水力剪切力的強(qiáng)弱決定了生物膜反應(yīng)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(xì)菌在載體表面的附著和固定，但在實(shí)際運(yùn)行中，反應(yīng)器的運(yùn)行需要一定強(qiáng)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(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)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。
掛膜過(guò)程中的影響因素
生物載體掛膜過(guò)程中的作用力直接促成了微生物與載體表面的直接作用，在整個(gè)生物膜形成過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。生物載體在掛膜過(guò)程的作用力較為復(fù)雜，與生物載體表面理化特性有關(guān)的物理力有范德華力、靜電作用力、表面張力、水動(dòng)力外，還有湍流擴(kuò)散力、表面剪切力、載體運(yùn)動(dòng)引起的力等。
華南理工大學(xué)江帆通過(guò)對(duì)不同載體掛膜實(shí)驗(yàn)得出：GPUC載體表面含有—OH、酰胺基等親水性基團(tuán)，而大部分微生物本身具有良好的親水性，載體表面與微生物表面能夠形成氫鍵結(jié)構(gòu)；同時(shí)親水性載體表面自由能低于疏水性載體的表面自由能，水中的微生物更容易接近親水性載體表面吸附生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)GPUC載體與普通多孔載體進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示GPUC載體的掛膜量及掛膜生物活性均大于普通多孔載體。
水溫是微生物的重要生存因子，在適宜的水溫范圍內(nèi)微生物可大量生長(zhǎng)繁殖。每一種微生物都有一個(gè)更適生長(zhǎng)溫度，在一定溫度范圍內(nèi)大多數(shù)微生物的新陳代謝活動(dòng)都會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，隨著溫度的下降而減弱。好氧微生物的適宜溫度范圍是10~35℃。水溫對(duì)硝化菌的生長(zhǎng)和硝化速率有較大的影響。大多數(shù)硝化菌合適的生長(zhǎng)溫度是25~30℃，當(dāng)溫度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長(zhǎng)減慢，10℃以下硝化菌的生長(zhǎng)及硝化作用顯著減慢。
江帆分別在10℃、20℃、35℃左右時(shí)進(jìn)行掛膜試驗(yàn)，同時(shí)在整個(gè)掛膜過(guò)程中測(cè)定填料上附著的微生物量，結(jié)果表明：在10℃時(shí)，掛膜啟動(dòng)較慢，經(jīng)過(guò)7d才有明顯的生物膜附著，掛膜成熟經(jīng)過(guò)了21d，附著生物量更大值為2.1 g/L；在35℃時(shí)，經(jīng)過(guò)4d生物膜開(kāi)始形成，生物膜成熟經(jīng)歷了約19d，附著生物膜量更大值為3.5g/L；在20℃左右時(shí)，經(jīng)過(guò)2d生物膜開(kāi)始形成，生物膜成熟經(jīng)過(guò)了10d左右，附著生物膜量更大值為5.7g/L?？梢?jiàn)，溫度對(duì)掛膜的影響不大明顯，在15～30℃內(nèi)，填料表面生物膜都能夠形成，掛膜啟動(dòng)較快。
溫度是影響生物活性和代謝能力的關(guān)鍵因素，其對(duì)硝化反應(yīng)過(guò)程的影響主要在于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)規(guī)律及生物活性上。
溫度對(duì)生物活性的影響表現(xiàn)為：1）對(duì)生化反應(yīng)速率的影響；2）對(duì)氧的傳質(zhì)速率的影響。
微生物的表面積、表面粗糙度是影響形成初期生物膜的主要因素。大的比表面積、粗糙度提高了載體對(duì)微生物的捕捉能力。表面粗糙度大的載體對(duì)水流具有更強(qiáng)的重新分布能力使反應(yīng)器內(nèi)水流對(duì)載體上生物膜的剪切力變小，同時(shí)為微生物與基質(zhì)之間的混合和接觸提供了有利的內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)了生物膜在填料表面的積累。粗糙表面比光滑表面具有更厚的層流邊界層，能提供良好的靜態(tài)水力學(xué)環(huán)境從而避免水流剪切力對(duì)附著微生物增長(zhǎng)的不利影響，所以在生物膜形成的更初階段，較大的比表面積、表面粗糙度可使生物膜的形成速度加快。
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