水處理設備中填料掛不上膜的原因分析
【純水設備http://www.shsingshine.cn】生物膜法是一種高效的污水處理方法，具有污泥量小、操作管理簡單等特點。活性污泥法與生物膜法的區(qū)別不僅是微生物懸浮與附著的區(qū)別，而且在生物膜處理系統(tǒng)中必須考慮擴散過程。介紹了生物膜形成的原理及影響生物膜形成的因素。
生物膜法是一種高效的污水處理方法，具有污泥量少、污泥不膨脹、對污水水質和數(shù)量變化適應性好、操作管理簡單等特點。
生物膜法使微生物附著在載體表面形成生物膜。當污水流經載體表面時，污水中的有機物和溶解氧擴散到生物膜內部。在氧氣存在下，膜內微生物對有機物進行分解代謝和機體合成代謝。同時，所分解的代謝物從生物膜擴散到水相和空氣中純水設備，從而降解廢水中的有機物。
活性污泥法與生物膜法的區(qū)別不僅是微生物懸浮與附著的區(qū)別，而且在生物膜處理系統(tǒng)中必須考慮擴散過程。在生物膜反應器中，有機污染物、溶解氧和各種必需營養(yǎng)素必須先從液相擴散到生物膜表面，然后進入生物膜內部。污染物只有擴散到生物膜的表面或內部，才能被生物膜中的微生物分解轉化，最終形成各種代謝產物。此外，在生物膜反應器中，由于微生物固定在載體上，實現(xiàn)了SRT和HRT(水力停留時間)的分離，使增殖速度較慢的微生物能夠生長繁殖。因此，生物膜是一個穩(wěn)定多樣的微生物生態(tài)系統(tǒng)。
1. 生物膜形成原理(掛膜工藝)
生物膜的形成是一個微生物吸附、生長和脫落的動態(tài)過程。
首先，懸浮在液相中的有機污染物和微生物會移動并附著在載體表面。附在載體上的微生物降解有機污染物,和新陳代謝,生長,繁殖,如過程,并逐漸形成了當?shù)剡\營商的薄的生物膜,這層生物膜的生物活性,可以進一步吸附和分解廢水中的有機污染物,直到最后形成一層成熟生物膜載體將完整的包。
Liu等人對Characklis的研究表明，微生物膜的形成通常經歷四個階段:表面改善、可逆粘附、不可逆粘附和生物膜的形成。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(xiàn)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(wěn)定的生長環(huán)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便開始生長。
隨著培養(yǎng)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(tài)化，同時在下降區(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(yǎng)條件、活性和濃度)及環(huán)境因素(pH值、離子強度、水力剪切力、溫度、營養(yǎng)條件及微生物與載體的接觸時間)等因素有關。
2.1 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(huán)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水處理設備，從而可使微生物在載體表面的附著、形成過程更易進行。純水設備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(fā)現(xiàn)，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(wěn)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(wěn)定的(98%)去除率，COD負荷高可達58kg/(m3d)。
2.2 懸浮微生物濃度
在給定的系統(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。許多研究結果表明，在微生物附著過程中存在著一個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送得到加強。
在臨界值以前，微生物從液相傳送、擴散到載體表面是控制步驟，一旦超過此臨界值，微生物在載體表面的附著、固定受到載體有效表面積的限制，不再依賴于懸浮微生物的濃度。但附著固定平衡后，載體表面微生物的量是由微生物及載體表面特性所決定的。
2.3 懸浮微生物的活性
微生物的活性通常可用微生物的比增長率(μ)來描述，即單位質量微生物的增長繁殖速率。因此，在研究微生物活性對生物膜形成的最初階段的影響時，關鍵是如何控制懸浮微生物的比增長率。研究結果表明，硝化細菌在載體表面的附著固定量及初始速率均正比于懸浮硝化細菌的活性。Bryers等人在研究異養(yǎng)生物膜的形成時也得出同樣結果。
影響懸浮微生物活性的因素主要有如下幾種：
(1)當懸浮微生物的生物活性較高時，其分泌胞外多聚物的能力較強。這種粘性的胞外多聚物在細菌與載體之間起到了生物粘合劑的作用，使得細菌易于在載體表面附著、固定；
(2)微生物所處的能量水平直接與它們的增長率相關。當μ增加時，懸浮微生物的動能隨之增加。這些能量有助于克服在固定化過程中微生物載體表面間的能壘，使得細菌初始積累速率與懸浮細菌活性成正比；
(3)微生物的表面結構隨著其活性的不同而相應變化。Herben等研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細菌活性對細菌在載體表面的附著固定過程有影響，而且，細菌表面的化學組成、官能團的量也隨細菌活性的變化有顯著變化。同時，Wastson等的研究表明，細胞膜等隨懸浮細菌活性的變化而有顯著變化。細菌表面的這些變化將直接影響微生物在載體表面的附著、固定。因此，通常認為純水設備，由懸浮微生物活性變化而引起的細菌表面生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細菌在載體表面附著、固定的；
(4)微生物與載體接觸時間。微生物在載體表面附著、固定是動態(tài)過程。微生物與載體表面接觸后，需要一個相對穩(wěn)定的環(huán)境條件，因此必須保證微生物在載體表面停留一定時間，完成微生物在載體表面的增長過程；
(5)水力停留時間(HRT)。HeUnen等認為，HRT對能否形成完整的生物膜起著重要的作用。在其他條件確定的情況下，HRT短則有機容積負荷大，當稀釋率大于最大生長率時，反應器內載體上能生成完整的生物膜。在COD負荷為2.5kg/(m3d)，HRT為4h時，載體上幾乎沒有完整的生物膜，而水力停留時間為1h時，在相同的操作時間內幾乎所有的載體上都長有完整的生物膜，且較高的表面COD負荷更易生成較厚的生物膜，即COD負荷越高，生物膜越厚。周平等也通過試驗證明了較短的HRT有利于載體掛膜；
(6)液相pH值。除了等電點外水處理設備，細菌表面在不同環(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表面電荷特性。當液相pH值大于細菌等電點時，細菌表面由于氨(amino acid)基酸的電離作用而顯負電性；當液相pH值小于細菌等電點時，細菌表面顯正電性。細菌表面電性將直接影響細菌在載體表面附著、固定；
(7)水力剪切力。在生物膜形成初期，水力條件是一個非常重要的因素，它直接影響生物膜是否能培養(yǎng)成功。在實際水處理中，水力剪切力的強弱決定了生物膜反應器啟動周期。單從生物膜形成角度分析，弱的水力剪切力有利于細菌在載體表面的附著和固定，但在實際運行中，反應器的運行需要一定強度的水力剪切力以維持反應器中的完全混合狀態(tài)。所以在實際設計運行中如何確定生物膜反應器的水力學條件是非常重要的。
3 掛膜過程中的影響因素
3.1 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，與生物載體表面理化特性有關的物理力有范德華力、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。
3.2 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。
3.3 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(shù)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。純水設備大多數(shù)硝化菌合適的生長溫度是25~30℃，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水處理設備，同時在整個掛膜過程中測定填料上附著的微生物量，結果表明：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?？梢?，溫度對掛膜的影響不大明顯，在15～30℃內，填料表面生物膜都能夠形成，掛膜啟動較快。
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(guī)律及生物活性上。
溫度對生物活性的影響表現(xiàn)為：1）對生化反應速率的影響；2）對氧的傳質速率的影響。
3.4 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、表面粗糙度是影響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(huán)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(tài)水力學環(huán)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。蘇州皙全皙全純水設備公司可根據客戶要求制作各種流量的純水設備，超純水設備及純水設備，水處理設備和去離子水設備。
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