[科普中国]-生物膜动力学

简介

生物膜在载体表面形成的第一步是微生物在载体表面的附着，随后微生物在给定的环境下繁殖、增长，最终发展成为具有一定厚度和密度的生物膜。

生物膜法作为一种髙效的废水处理方法，已经 在工业界获得了广泛运用.生物膜废水处理系统的 性能在很大程度上取决于生物膜的形成及其动力学过程。最近30年来，各国学者围绕生物膜的形成、 发展、结构以及动力学特性等从数学模型、数值模拟和实验研究等方面进行了大量的研究，取得了许多重要进展，为生物膜反应器的设计提供了理论和实验支持，有力地推动了生物膜废水处理工艺的发展。

美国有关生物膜动力学模型的研究是从Rittman和Mc Carty的论文开始的。以后不断出现许多用于饮用水处理的，去除可生物降解有机物或者某些具体成分的生物膜模型。这些模型都可以某个特性按二分法分成两种类型，于是有：稳态生物膜的与非稳态生物膜的；单一物种的与多个物种的；不考虑捕食生物的与同时考虑捕食生物的；不区分底物降解的快慢的与区分降解快慢的；不考虑悬浮态微生物的与考虑悬浮态微生物的。每个模型所包括的参数多达8～12个。虽然这些模型对生物膜内部的生物过程提供较严格的数学描述，但每个模型都有各自的假设条件，试验也是在特定的水质和设备条件下完成的，因而带有各自的“地方”性。1

生物膜附着动力学模型微生物在载体表面附着有可逆及不可逆之分，不可逆附着过程是形成生物膜群落的基础。当微生物与载体表面接触时，其首先在载体表面可逆附着，随后受环境中的水力作用与微生物自身的运动影响，使其从载体表面脱落到悬浮液相中；不可逆附着通常由于微生物分泌的某些黏性代谢物质的作用，如多聚糖等。两者的区别在于附着过程中是否有生物多聚物参与微生物和载体之间的作用。

可以从可逆和不可逆附着动力学模型入手探讨微生物附着机理，以利于弄清生物膜的形成机制，从而控制生物膜增长过程。

生物膜增长动力学模型生物膜增长的一般过程与悬浮微生物的增长过程相似，可以划分为适应期、对数增长期、线性增长期、减速增长期、稳定期及脱落期等几个阶段。

该模型进一步强调了在水处理过程中，真正起作用的并不是观察到的生物膜总量，而只是其中活性生物量部分。也正是因为如此，近几年有些学者提出了薄层生物膜反应器概念，再一次验证了生物膜活性和生物量间的有机结合，而不是片面依赖于生物膜总量的作用。这些都为今后发展新一代薄层生物膜反应器奠定了理论基础，同时也为三相流化床、扰动床等生物反应器的运行、设计提供理论指导。

生物膜底物去除动力学模型在生物膜反应器中底物去除动力学是建立在分子扩散理论基础之上的。早期研究表明，底物在生物膜内的扩散与非均相化学的催化反应过程极为相似，它主要包括两个步骤，即扩散与反应。现在广泛应用的生物膜反应-扩散理论正是基于这一点而推导、建立的。然而近几年的研究成果表明，生物膜反应-扩散理论的基本假设中存在若干明显不合理因素，使得这一理论在许多情况下不能正确得描述底物去除力学。

反应-扩散模型在生物膜系统内，一般认为物质在液相及生物膜相的传递过程将影响各种反应速率。物质传递可由下列两种机制完成：① 扩散，即在固相或液相内，物质从高浓度向低浓度方向的运动现象；② 平流，它是指在一相内或相界而上由于流体运动而形成的物质传递方式。在生物膜系统内，一般认为平流运输可以忽略。

生物膜反应一扩散模式是根据以下四点基本假设推导、建立的：

① 生物膜结构均匀（如：厚度均匀，表面平滑）；

② 生物膜处于稳定态，即厚度一定；

③ 对于底物浓度，生物膜反应动力学为零级，即rs=k0v=C，其中k0v是单位生物膜体积在单位时间内所去除底物的能力，亦称生物膜特征动力学常数（MLT）；

④ 在生物膜内底物运输是通过分子扩散完成的，并且这种扩散是单一方向的，同时对液膜阻力不予考虑。2

生物膜特性生物膜的一个重要特征是：在膜的不同厚度处存在底物浓度梯度，而且这种底物浓度分布是非线性的。对于比较厚的生物膜，在膜的某一厚度处，底物的浓度可能为零。在这种惰况下，如果进一步增加膜厚，并不会相应地进一步提高底物的利用率。而对于比较薄的生物膜，可以认为底物能够完全穿透膜层，这时底物浓度在膜与载体的接触面以上的整个膜厚中可以近似认为是等同的，且等于膜与液体主体接触层处的底物浓度。一般来说，在生物膜法中，污水有机物及其他污染物的去除是依靠生物膜的正常代谢活动和保持好氧层膜的生物活性来实现的，因此底物及溶解氧与生物膜接触并扩散到生物膜中是保证生物膜发挥生物氧化作用的前提条件。3