[科普中國]-生物膜動力學

簡介

生物膜在載體表面形成的第一步是微生物在載體表面的附著，隨后微生物在給定的環(huán)境下繁殖、增長，最終發(fā)展成為具有一定厚度和密度的生物膜。

生物膜法作為一種髙效的廢水處理方法，已經 在工業(yè)界獲得了廣泛運用.生物膜廢水處理系統(tǒng)的 性能在很大程度上取決于生物膜的形成及其動力學過程。最近30年來，各國學者圍繞生物膜的形成、 發(fā)展、結構以及動力學特性等從數(shù)學模型、數(shù)值模擬和實驗研究等方面進行了大量的研究，取得了許多重要進展，為生物膜反應器的設計提供了理論和實驗支持，有力地推動了生物膜廢水處理工藝的發(fā)展。

美國有關生物膜動力學模型的研究是從Rittman和Mc Carty的論文開始的。以后不斷出現(xiàn)許多用于飲用水處理的，去除可生物降解有機物或者某些具體成分的生物膜模型。這些模型都可以某個特性按二分法分成兩種類型，于是有：穩(wěn)態(tài)生物膜的與非穩(wěn)態(tài)生物膜的；單一物種的與多個物種的；不考慮捕食生物的與同時考慮捕食生物的；不區(qū)分底物降解的快慢的與區(qū)分降解快慢的；不考慮懸浮態(tài)微生物的與考慮懸浮態(tài)微生物的。每個模型所包括的參數(shù)多達8～12個。雖然這些模型對生物膜內部的生物過程提供較嚴格的數(shù)學描述，但每個模型都有各自的假設條件，試驗也是在特定的水質和設備條件下完成的，因而帶有各自的“地方”性。1

生物膜附著動力學模型微生物在載體表面附著有可逆及不可逆之分，不可逆附著過程是形成生物膜群落的基礎。當微生物與載體表面接觸時，其首先在載體表面可逆附著，隨后受環(huán)境中的水力作用與微生物自身的運動影響，使其從載體表面脫落到懸浮液相中；不可逆附著通常由于微生物分泌的某些黏性代謝物質的作用，如多聚糖等。兩者的區(qū)別在于附著過程中是否有生物多聚物參與微生物和載體之間的作用。

可以從可逆和不可逆附著動力學模型入手探討微生物附著機理，以利于弄清生物膜的形成機制，從而控制生物膜增長過程。

生物膜增長動力學模型生物膜增長的一般過程與懸浮微生物的增長過程相似，可以劃分為適應期、對數(shù)增長期、線性增長期、減速增長期、穩(wěn)定期及脫落期等幾個階段。

該模型進一步強調了在水處理過程中，真正起作用的并不是觀察到的生物膜總量，而只是其中活性生物量部分。也正是因為如此，近幾年有些學者提出了薄層生物膜反應器概念，再一次驗證了生物膜活性和生物量間的有機結合，而不是片面依賴于生物膜總量的作用。這些都為今后發(fā)展新一代薄層生物膜反應器奠定了理論基礎，同時也為三相流化床、擾動床等生物反應器的運行、設計提供理論指導。

生物膜底物去除動力學模型在生物膜反應器中底物去除動力學是建立在分子擴散理論基礎之上的。早期研究表明，底物在生物膜內的擴散與非均相化學的催化反應過程極為相似，它主要包括兩個步驟，即擴散與反應?，F(xiàn)在廣泛應用的生物膜反應-擴散理論正是基于這一點而推導、建立的。然而近幾年的研究成果表明，生物膜反應-擴散理論的基本假設中存在若干明顯不合理因素，使得這一理論在許多情況下不能正確得描述底物去除力學。

反應-擴散模型在生物膜系統(tǒng)內，一般認為物質在液相及生物膜相的傳遞過程將影響各種反應速率。物質傳遞可由下列兩種機制完成：① 擴散，即在固相或液相內，物質從高濃度向低濃度方向的運動現(xiàn)象；② 平流，它是指在一相內或相界而上由于流體運動而形成的物質傳遞方式。在生物膜系統(tǒng)內，一般認為平流運輸可以忽略。

生物膜反應一擴散模式是根據(jù)以下四點基本假設推導、建立的：

① 生物膜結構均勻（如：厚度均勻，表面平滑）；

② 生物膜處于穩(wěn)定態(tài)，即厚度一定；

③ 對于底物濃度，生物膜反應動力學為零級，即rs=k0v=C，其中k0v是單位生物膜體積在單位時間內所去除底物的能力，亦稱生物膜特征動力學常數(shù)（MLT）；

④ 在生物膜內底物運輸是通過分子擴散完成的，并且這種擴散是單一方向的，同時對液膜阻力不予考慮。2

生物膜特性生物膜的一個重要特征是：在膜的不同厚度處存在底物濃度梯度，而且這種底物濃度分布是非線性的。對于比較厚的生物膜，在膜的某一厚度處，底物的濃度可能為零。在這種惰況下，如果進一步增加膜厚，并不會相應地進一步提高底物的利用率。而對于比較薄的生物膜，可以認為底物能夠完全穿透膜層，這時底物濃度在膜與載體的接觸面以上的整個膜厚中可以近似認為是等同的，且等于膜與液體主體接觸層處的底物濃度。一般來說，在生物膜法中，污水有機物及其他污染物的去除是依靠生物膜的正常代謝活動和保持好氧層膜的生物活性來實現(xiàn)的，因此底物及溶解氧與生物膜接觸并擴散到生物膜中是保證生物膜發(fā)揮生物氧化作用的前提條件。3