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收藏!生物膜挂膜机理及影响因素!

一、生物载体的挂膜过程

    

根据Characklis、Liu等人的研究,微生物膜的形成通常经历载体表面改良、可逆附着、不可逆附着、生物膜形成四个阶段,具体描述如下:
    

微生物在载体上的挂膜可分为微生物吸附和固着生长两个阶段。载体加入水体以后,首先进入吸附期。由图可见,有部分微生物和丝状物质已经附着在载体表面,附着了较多物质的位置往往是载体的凹处,不容易被水流剪切的地方。此时悬浮液中的微生物大量增长,出现较明显的一个污泥层。



图  吸附期载体表面照片(×100)


经过不可逆附着以后,微生物在载体表面获得一个比较稳定的生长环境,在供氧和底物充足的情况下,吸附在载体上的污泥中的微生物很快就开始生长。下图为微生物在载体表面开始生长时的情景,由图可见到活性很好的钟虫和累枝虫。



图 累枝虫等微生物在载体大量繁殖。


随着培养驯化时间的增长,在载体表面生长的生物膜也迅速增长,逐渐覆盖整个载体表面,并开始增厚。但生物膜的生长并不均匀,在载体比较突出的地方,生物膜比较薄,而凹处则会长出相当繁盛的菌落,可见水力剪切对生物膜的生长具有重要的影响。在载体表面附着生长的微生物种类也很繁多,除了累枝虫、钟虫外,还可观察到丝状菌、球菌、杆菌等,还有一些游泳性的细菌在活动。如下图所示。随着载体上附着了越来越多的生物膜,载体的表观密度逐渐会下降,变得更轻,更容易流态化,同时在下降区的载体下降速度有所变慢。


图 微生物在载体表面形成成熟的生物膜

 

二、挂膜过程中的影响因素


2.1生物载体挂膜过程中的作用力
    

生物载体挂膜过程中的作用力直接促成了微生物与载体表面的直接作用,在整个生物膜形成过程中起着至关重要的作用。生物载体在挂膜过程的作用力较为复杂,这里详细分析与生物载体表面理化特性有关的物理力,如范德华力、静电作用力、表面张力、水动力外,还有湍流扩散力、表面剪切力、载体运动引起的力等。

2.2载体表面亲水性的影响
    

华南理工大学江帆通过对不同载体挂膜实验得出:GPUC载体表面含有-OH、酰胺基等亲水性基团,而大部分微生物本身具有良好的亲水性,载体表面与微生物表面能够形成氢键结构;同时亲水性载体表面自由能低于疏水性载体的表面自由能,水中的微生物更容易接近亲水性载体表面吸附生长。实验中对GPUC载体与普通多孔载体进行了比较,结果显示GPUC载体的挂膜量及挂膜生物活性均大于普通多孔载体。


图 不同载体附着微生物量的比较


图 不同载体附着微生物活性的比较


2.3 温度对挂膜行为的影响
    

水温是微生物的重要生存因子,在适宜的水温范围内微生物可大量生长繁殖。每一种微生物都有一个最适生长温度,在一定温度范围内大多数微生物的新陈代谢活动都会随着温度的升高而增强,随着温度的下降而减弱。好氧微生物的适宜温度范围是10—35℃。水温对硝化菌的生长和硝化速率有较大的影响。大多数硝化菌合适的生长温度是25—30℃之间,当温度低于25℃或者高于30℃硝化菌生长减慢,10℃以下硝化菌的生长及硝化作用显著减慢。 
    

江帆分别在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量,根据结果绘制不同温度下的微生物量变化曲线如图所示。在10℃时,挂膜启动较慢,经过7d才有明显的生物膜附着,挂膜成熟经过了21d,附着生物量最大值为2.1 g/L;在35℃时,经过4d生物膜开始形成,生物膜成熟经历了大约19d,附着生物膜量最大值为3.5g/L;在20℃左右时,经过2d生物膜开始形成,生物膜成熟经过了10d左右,附着生物膜量最大值为5.7g/L。可见,温度对挂膜的影响不大明显,在15℃~30℃范围内,填料表面生物膜都能够形成,挂膜启动的比较快。



图 不同温度下载体挂膜情况


温度是影响生物活性和代谢能力的关键因素其对硝化反应过程的影响主要在于硝化细菌的生长规律及生物活性上。


温度对生物活性的影响表现为:一是对生化反应速率的影响;二是对氧的传质速率的影响。


2.4载体比表面积、表面粗糙度对生物膜附着性能的影响


微生物的表面积、表面粗糙度形成初期生物膜的主要因素。大的比表面积、粗糙度提高了载体对微生物的捕捉能力。表面粗糙度大的载体对水流具有更强的重新分布能力使反应器内水流对载体上生物膜的剪切力变小,同时为微生物与基质之间的混合和接触提供了有利的内环境,促进了生物膜在填料表面的积累。粗糙表面比光滑表面具有更厚的层流边界层,能提供良好的静态水力学环境从而避免水流剪切力对附着微生物增长的不利影响,所以在生物膜形成的最初阶段,较大的比表面积、表面粗糙度可使生物膜的形成速度加快。

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