污水處理技術之一文讀懂生物掛膜

       生物膜法是一種高效的廢水處理方法，具有污泥量少，不會引起污泥膨脹，對廢水的水質和水量的變動具有較好的適應能力，運行管理簡單等特點。
       生物膜法是使微生物附著在載體表面上并形成生物膜，當污水流經載體表面時，污水中的有機物及溶解氧向生物膜內部擴散。膜內微生物在有氧存在的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別不僅僅是微生物的懸浮與附著之分，更重要的是擴散過程在生物膜處理系統中是一個必須考慮的因素。
       在生物膜反應器中，有機污染物、溶解氧及各種必須的營養物質首先要從液相擴散到生物膜表面，進而進到生物膜內部，只有擴散到生物膜表面或內部的污染物才有可能被生物膜內微生物分解與轉化，最終形成各種代謝產物。
       另外，在生物膜反應器中，由于微生物被固定在載體上，從而實現了SRT與HRT(水力停留時間)的分離，使得增殖速率慢的微生物也能生長繁殖。因此，生物膜是一穩定的、多樣的微生物生態系統。

01生物膜的形成原理（掛膜過程）
       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表面上；然后，附著在載體上的微生物對有機污染物進行降解，并發生代謝、生長、繁殖等過程，并逐漸在載體的局部區域形成薄的生物膜，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，直至最后形成一層將載體*包裹的成熟的生物膜。
       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。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。
       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。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。
02生物膜形成的影響因素
       生物膜的形成與載體表面性質(載體表面親水性、表面電荷、表面化學組成和表面粗糙度)、微生物的性質(微生物的種類、培養條件、活性和濃度)及環境因素(PH值、離子強度、水力剪切力、溫度、營養條件及微生物與載體的接觸時間)等因素有關。
載體表面性質
       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。在正常生長環境下，微生物表面帶有負電荷。如果能通過一定的改良技術，如化學氧化、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、形成過程更易進行。載體表面的粗糙度有利于細菌在其表面附著、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、裂縫等對已附著的細菌起著屏蔽保護作用，使它們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，因而更容易生成生物膜。另外，載體濃度對反應器內生物膜的掛膜也很重要。Wagner在用氣提式反應器處理難降解物廢水時發現，在載體質量濃度很低情況下，即使生物膜厚達295μm，還是不能達到穩定的去除率。但是，在載體濃度為20-30g／L時，即使只有20％的載體上有75μn厚的生物膜，反應器依然能達到穩定的(98％)去除率，COD負荷最高可達58kg／(m3·d)。