生物載體掛膜效果機理及影響因素分析

來源：稻王環保   時間：2018-11-02   

生物載體掛膜效果機理及影響因素分析

一、生物載體的掛膜過程
? ? 根據Characklis、Liu等人的研究，微生物膜的形成通常經歷載體表面改良、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，有部分微生物和絲狀物質已經附著在載體表面，附著了較多物質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，出現較明顯的一個污泥層。

經過不可逆附著以后，微生物在載體表面獲得一個比較穩定的生長環境，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始生長。下圖為微生物在載體表面開始生長時的情景，由圖可見到活性很好的鐘蟲和累枝蟲。
隨著培養馴化時間的增長，在載體表面生長的生物膜也迅速增長，逐漸覆蓋整個載體表面，并開始增厚。但生物膜的生長并不均勻，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。在載體表面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，更容易流態化，同時在下降區的載體下降速度有所變慢。
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二、掛膜過程中的影響因素
2.1生物載體掛膜過程中的作用力
? ? 生物載體掛膜過程中的作用力直接促成了微生物與載體表面的直接作用，在整個生物膜形成過程中起著至關重要的作用。生物載體在掛膜過程的作用力較為復雜，這里詳細分析與生物載體表面理化特性有關的物理力，如范德華力、靜電作用力、表面張力、水動力外，還有湍流擴散力、表面剪切力、載體運動引起的力等。
2.2載體表面親水性的影響
? ? 華南理工大學江帆通過對不同載體掛膜實驗得出：GPUC載體表面含有-OH、酰胺基等親水性基團，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構；同時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。實驗中對GPUC載體與普通多孔載體進行了比較，結果顯示GPUC載體的掛膜量及掛膜生物活性均大于普通多孔載體。

2.3 溫度對掛膜行為的影響
? ? 水溫是微生物的重要生存因子,在適宜的水溫范圍內微生物可大量生長繁殖。每一種微生物都有一個最適生長溫度，在一定溫度范圍內大多數微生物的新陳代謝活動都會隨著溫度的升高而增強，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℃。水溫對硝化菌的生長和硝化速率有較大的影響。大多數硝化菌合適的生長溫度是25—30℃之間，當溫度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長減慢，10℃以下硝化菌的生長及硝化作用顯著減慢。?
? ? 江帆分別在10℃、20℃、35℃左右時進行掛膜試驗，同時在整個掛膜過程中測定填料上附著的微生物量，根據結果繪制不同溫度下的微生物量變化曲線如圖所示。在10℃時，掛膜啟動較慢，經過7d才有明顯的生物膜附著，掛膜成熟經過了21d，附著生物量最大值為2.1 g/L；在35℃時，經過4d生物膜開始形成，生物膜成熟經歷了大約19d，附著生物膜量最大值為3.5g/L；在20℃左右時，經過2d生物膜開始形成，生物膜成熟經過了10d左右，附著生物膜量最大值為5.7g/L。可見，溫度對掛膜的影響不大明顯，在15℃～30℃范圍內，填料表面生物膜都能夠形成，掛膜啟動的比較快。
溫度是影響生物活性和代謝能力的關鍵因素其對硝化反應過程的影響主要在于硝化細菌的生長規律及生物活性上。溫度對生物活性的影響表現為:一是對生化反應速率的影響；二是對氧的傳質速率的影響。
2.4載體比表面積、表面粗糙度對生物膜附著性能的影響
? ? 微生物的表面積、表面粗糙度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微生物的捕捉能力。表面粗糙度大的載體對水流具有更強的重新分布能力使反應器內水流對載體上生物膜的剪切力變小，同時為微生物與基質之間的混合和接觸提供了有利的內環境，促進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，能提供良好的靜態水力學環境從而避免水流剪切力對附著微生物增長的不利影響，所以在生物膜形成的最初階段，較大的比表面積、表面粗糙度可使生物膜的形成速度加快。

圖7稻王環保親水改性生物簾掛膜效果及生物膜機理

圖8稻王環保生物繩掛膜效果及鏡檢后生動物