廢水處置中活性污泥法和生物膜法的區(qū)別
活性污泥法和生物膜法的區(qū)別不只僅是微生物的懸浮與附著之分，更重要的擴(kuò)散過(guò)程在生物膜處置系統(tǒng)中是一個(gè)必須考慮的因素。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)散到生物膜外表或內(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，最終形成各種代謝產(chǎn)物。另外，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)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)。
1.生物膜的形成原理
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)并附著在載體外表上；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，上海純水設(shè)備直至最后形成一層將載體完全包裹的幼稚的生物膜。
根據(jù)CharackliLiu等人的研究，微生物膜的形成通常經(jīng)歷載體外表改良、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。由圖可見(jiàn)，有局部微生物和絲狀物質(zhì)已經(jīng)附著在載體外表，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，微生物在載體外表獲得一個(gè)比較穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，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)。下圖為微生物在載體外表開(kāi)始生長(zhǎng)時(shí)的情景，由圖可見(jiàn)到活性很好的鐘蟲(chóng)和累枝蟲(chóng)。
隨著培養(yǎng)馴化時(shí)間的增長(zhǎng)，載體外表生長(zhǎng)的生物膜也迅速增長(zhǎng)，逐漸覆蓋整個(gè)載體外表，并開(kāi)始增厚。但生物膜的生長(zhǎng)并不均勻，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。載體外表附著生長(zhǎng)的微生物種類也很繁多，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)。如下圖所示。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。
2.生物膜形成的影響因素
生物膜的形成與載體外表性質(zhì)(載體外表親水性、外表電荷、外表化學(xué)組成和外表粗糙度)微生物的性質(zhì)(微生物的種類、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)。
2.1載體外表性質(zhì)
載體外表電荷性、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。正常生長(zhǎng)環(huán)境下，微生物外表帶有負(fù)電荷。如果能通過(guò)一定的改良技術(shù)，如化學(xué)氧化、低溫等離子體處置等可使載體外表帶有正電荷，從而可使微生物在載體外表的附著、形成過(guò)程更易進(jìn)行。載體外表的粗糙度有利于細(xì)菌在其表面附著、固定。
一方面，與光滑外表相比，粗糙的載體外表增加了細(xì)菌與載體間的有效接觸面積；另一方面載體外表的粗糙局部，如孔洞、裂縫等對(duì)已附著的細(xì)菌起著屏蔽維護(hù)作用，使它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，上海純水設(shè)備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用氣提式反應(yīng)器處置難降解物廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，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。但是載體濃度為20-30gL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)荷最高可達(dá)58kgm3d
2.2懸浮微生物濃度
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)果標(biāo)明，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)。
臨界值以前，微生物從液相傳送、擴(kuò)散到載體外表是控制方法，一旦逾越此臨界值，微生物在載體外表的附著、固定受到載體有效外表積的限制，不再依賴于懸浮微生物的濃度。上海純水設(shè)備但附著固定平衡后，載體外表微生物的量是由微生物及載體外表特性所決定的
2.3懸浮微生物的活性
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，研究微生物活性對(duì)生物膜形成的最初階段的影響時(shí)，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的比增長(zhǎng)率。研究結(jié)果標(biāo)明，硝化細(xì)菌在載體外表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。Bryer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)菌與載體之間起到生物粘合劑的作用，使得細(xì)菌易于在載體外表附著、固定；
2微生物所處的能量水平直接與它增長(zhǎng)率相關(guān)。當(dāng)盧增加時(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)程中微生物載體外表間的能壘，使得細(xì)菌初始積累速率與懸浮細(xì)菌活性成正比。
3微生物的外表結(jié)構(gòu)隨著其活性的不同而相應(yīng)變化。Herben等人研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細(xì)菌活性對(duì)細(xì)菌在載體外表的附著固定過(guò)程有影響，而且，細(xì)菌外表的化學(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等人的研究標(biāo)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)菌外表的這些變化將直接影響微生物在載體外表的附著、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)菌外表生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細(xì)菌在載體外表附著、固定的
4微生物與載體接觸時(shí)間。微生物在載體外表附著、固定是動(dòng)態(tài)過(guò)程。微生物與載體外表接觸后，需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件，因此必需保證微生物在載體外表停留一定時(shí)間，完成微生物在載體外表的增長(zhǎng)過(guò)程。
5水力停留時(shí)間(HRTHeUnen等人認(rèn)為，HRT對(duì)能否形成完整的生物膜起著重要的作用。其他條件確定的情況下，HRT短則有機(jī)容積負(fù)荷大，當(dāng)稀釋率大于最大生長(zhǎng)率時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)載體上能生成完整的生物膜�？�hui等人的試驗(yàn)證明了這種觀點(diǎn)。COD負(fù)荷為2．5kgm3dHRT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)，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，且較高的外表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。周平等人也通過(guò)試驗(yàn)證明了較短的水力停留時(shí)間有利于載體掛膜。
6液相pH值。除了等電點(diǎn)外，細(xì)菌外表在不同環(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外表電荷特性。當(dāng)液相pH值大于細(xì)菌等電點(diǎn)時(shí)，細(xì)菌外表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)菌外表顯正電性。細(xì)菌外表電性將直接影響細(xì)菌在載體外表附著、固定。
7水力剪切力。生物膜形成初期，水力條件是一個(gè)非常重要的因素，直接影響生物膜是否能培養(yǎng)成功。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)菌在載體外表的附著和固定，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
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