13生物膜反应器13 今后,生物膜反应器的研究将更趋向于进一步探讨微生物在载体表面的固定机理,开 发工程实际中普遍适用的微生物固定技术,优化生物膜结构及各种反应器工艺系统。进 步使各种膜反应器系统的净化功能更为广谱与高效,使其净化功能进一步提高。深入研究 生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物膜微生物的能量代谢。生物膜反应器更朝着 节能和自动化控制方向发展
第2章微生物在载体表面的固定机理 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。随着后来的微生物在给 定的环境下繁殖、增长最终发展成为具有一定厚度及密度的生物膜。因此,微生物在载体 表面的附着过程是生物膜形成的关键一步,它将直接影响生物膜的生物及生理功效以及生 物膜反应器的启动运行周期。本章将系统介绍微生物在载体表面附着固定机理,它将对载 体的优化生物膜反应器的最佳运行提供指导。 21微生物固定的一般过程 微生物在载体表面附着固定过程可以看做为载体表面与微生物表面间的相互作用,大 量研究表明微生物在载体表面跗着固定一方面取决于细菌表面特性,另一方面依赖于所用 载体的表面物理化学特性( Dolowy,1980; Mozes et al,l992; Liu et a.,1993;Liu,1994 1995)。从理论上讲,细菌在载体表面附着、固定过程可以划分为以下几个步骤(见图2-1) 液相屮悬浮微生物 没有附着的微生物←徽生物向载体表面运送 可逆附者 木可逆附着 固定徵生物增长、形成住物膜 图21微生物在载体表面固定一般过程 很显然,整个微生物附着、固定过程与载体、微生物以及环境因素密切相关。下面详 细讨论每一步机理。 211微生物向载体表面的运送 细菌从液相向载体表面的运送主要是通过以下两种方式完成的: 1.主动运送:这种方式是指细菌借助于水力动力学及各种扩散力向载体表面迁移 2.被动运送:它是由布朗运动、细菌自身运动、重力或称沉降作用完成。 般来讲,主动运送是细菌从液相转移到载体表面的主导力量,特别是在动态环境 中,它是细菌长距离移动的主导力量。另一方面,细菌一般都非常小,通常在10μm左 右。在尺度上,细菌可按胶体粒子处理( Daniels,1980;Liu,1990: Rauxhet et al,1990), 细菌自身的布朗运动增加了细菌与载体表面的接触机会。值得强调的是,在细菌附着、固 定静态实验中,由浓度扩散而形成的悬浮相与载体表面间的浓度梯度对细菌从液相向载体
2.1微生物围定的一般过程15 表面移动起着不可忽视的直接作用( Zobell,1943)。悬浮相中的细菌正是借助于上述各 种力从液相被运送到载体表面,促成了细菌与载体表面的直接作用,因而我们可以讲在整 个生物膜形成过程中,这一步是至关重要的 212可逆附着过程 微生物被运送到载体表面后,二者间将直接发生接触,通过各种物理或化学力作用使 微生物附着固定于载体表面。在细菌与载体表面接触的最初阶段,微生物与载体间首先形 成的是可逆附着。微生物在载体表面的可逆附着实际上反映的是一个附着与脱析的双向动 态过程。原因在于,环境中存在的水力学力或是简单的布朗运动或是细菌自身的运动都可 能使已附着在载体表面的细菌重新返回悬浮液相中去。微生物可逆附着的概念是 Marshall 等人(1971)明确提出的。一般讲,造成这种可逆附着过程的力主要是物理及化学相互作 用,在这一阶段,我们认为生物力,即微生物增长,不起主要作用。直到目前,微生物可 逆附着的概念已被广泛接受,并被应用于微生物在载体表面附着动力学研究中( Daniels, 1980: Busscher et aL, 1984, 1986; Escher et aL, 1990; Rouxhet et al., 1990 Liu, 1994, 1995) 表21汇总了在可逆附着过程中可能起作用的各种物理及化学力。 导致微生物可送吸附的各种引力及斥力 表21 物理力 化学力 斥力 范德华力 键,酯化反应等 范德华力 异电引力 离子对的形成(例如:-NH3OOC) 粒子空间位阻 热力学月 离子对的形成(COO.Ca2.OOC 问电斥力等 表面张力 粒子桥键等 表面自由能 表面功 表面临界张力 表2-1中各种力对细菌可逆附着的贡献或影响取决于载体及细菌的表面特性。 Marshall 等人(1971)直接测定了 Archobacter a8在玻璃表面的附着固定,他们发现随着液相离子 浓度的增加, Archobater细胞在玻璃表面的附着是以可逆方式进行的,并发现在离子浓度 为0.08 NAcL时,细胞附着量达到最大为3000细菌/cm2。 Mozes等人(1987)同样报导 了细菌可逆附着的实验数据,他们所用的细菌在清水中不能附着于载体表面,然而当逐渐 增加悬浮相离子浓度时可逆附着发生了。这些实验事实清晰表明微生物在载体表面的可逆 附着过程与环境中存在的物理化学力密切相关。最后必须指出,在微生物附着固定过程中 各种热力学力同样影响细菌在载体表面附着的可逆性程度,实验表明细菌的附着可逆性与 微生物载体间的自由能水平相关。 Busscher等人(1984,1986)报导了疏水性的 Strepccus Mi9菌在亲水性的玻璃表面的附着过程是可逆的,但是亲水的S. Sanguis菌在疏水玻 璃上的附着却是不可逆的 总而言之,徼生物的可逆附着取决于微生物与载体表面间力的作用强度 13不可逆附着过程 不可逆附着过程是可逆过程的延续。这种不可逆附着过程通常是由于徽生物分泌一些
6第2章微生物在載体表面的固定机理 粘性代谢物质所造成的,例如多聚糖等。这些体外多聚糖类物质起到了生物“胶水”作用, 因此这阶段附着的细菌不易被中等水力剪切力所冲刷掉。在实际运行中,若能够保证细菌 与载体间的接触时间充分,即微生物有时间进行生理代谢活动,那么不可逆附着固定过程 就可发生。事实上,可逆与不可逆附着的区别就在于是否有生物聚合物参与细菌与载体表 面间的相互作用。值得指出,不可逆附着是形成生物膜群落的基础 2.14固定微生物的增长 经过不可逆附着过程后,微生物在载体表面获得一个相对稳定的生存环境,它将利用 周围环境所提供的养分进一步增长繁殖,逐渐形成成熟的生物膜。 22微生物固定动力学 如前所述,微生物附着、固定过程可划分为可逆及不可逆附着固定过程。本节将主要 介绍在这两个过程中微生物在载体表面的附着固定动力学机制。 221可逆附着动力学 微生物可逆附着概念提出后,一直缺少系统描述这一过程的动力学模型,这使人们对 这一过程的认识带有较强的经验色彩。Liu(199,1994,1995)对微生物可逆附着动力学 进行了较为系统的研究。在反应动力学基础上,建立起了一·套简明、实用、具有清晰物理 意义的微生物可逆附着动力学模型。下面着重介绍Lu的动力学体系。 微生物在载体表面的可逆附着过程可表述为: 细菌+载体总细菌载体 (2-1) 式中a1、a2—细菌附着及反附着常数。 正如前所述,微生物在载体表面的可逆附着过程主要是一种物理化学力起作用的过 程,即可归结成物理化学反应动力学问题。图22为亚硝化细菌( nitrosomonas)在聚乙 烯(PE)、聚丙烯(PP)以及聚苯乙烯(PS)表面的附着积累曲线。 图22清楚表明,亚硝化细菌的附着过程遵循一级可逆反应动力学。这一现象同样得 到其它学者的认同( Escher et al,199; Mozes et al,l992)。Liu(1994,995)明确提出 微生物在载体表面的可逆附着行为遵守一级可逆反应动力学准则。 根据方程式(2-1),微生物附着固定速度可表示为 mh =a,x-a2Xo (2-2) 式中X在时间t时悬浮微生物浓度,ML3; X-在时间t时单位悬浮相体积内微生物在载体表面的附着浓度,M 附着常数,T; a2—反附着常数,T!。 由微生物质量平衡可以给出 Xr=x。-X 23) 式中X——悬浮微生物初始浓度,ML
22微生物团定动学17 x8 露10 200250 图2-2亚硝化细菌在PE、P及PS表面积累曲线(Liu,1994) 当微生物附着达到平衡时,则有 Xfe =Xo-x (24) 及 (2-5) 式中X平衡状态下微生物附着量,ML3; X——平衡状态下悬浮微生物浓度,ML3。 整理方程式(22)至(25),可以得到 )幽=(a1+a2)(X-X。) (26) 对方程式(26)两边积分有 xxx=島a (27) 28) 式中a—微生物附着总常数(a=a1+a2),T3 、把方程(2-3)代入方程(2-8)得到: (29) 根据方程(24),X0-X项可被X代替,则 对于给定的过程来讲,X为一常数,它反映平衡状态微生物在载体表面的附着能力, 把方程(2-10)两边进一步除以载体与细菌间接触表面积,可获得一个以单位表面附着为 交量的动力学模型: