18第2章微生物在载体表面的园定机理 式中B—t时刻微生物表面附着量,ML2 Bmx-—可逆附着中徵生物平衡附着量或称最大附着量,ML2。 如前所述,可逆附着反应发生于载体与微生物接触的最初阶段,一般讲接触时间较 短。这样根据泰勒级数,指数项e可简化为 (2-12) 即 (2-13) 经简化处理后,可逆附着动力学常数(a和Bmn)可通过下列方程的斜率及截距求得: 1 根据方程(214),图2-3给出了图2-2中实验数据的线性化结果,由此可以看到实验 数据与方程(2-14)的预见是非常一致的。 方程(2-13)已在实际微生物附着动力学及载体表面优化研究中得到了应用( Moreau, 993: Moreau et al,1994;Liu.1995)。值得强调的是方程(2-13)不仅揭示了微生物可逆 附着的机制,同时它为研究各种物理、化学因素对徽生物可逆附着的影响提供了有用的工 具,这将在下节中详细讨论。 222微生物不可附着模型 在这一阶段,已附着、固定的微生物开始其各种生理活动,可用如下过程模式描述 细菌载体一“→细菌-载倆 (2-15 式中a3——生物膜或固定微生物净积累常数,Tl。 图23根据方程(214)对图22中实验数据的线性化处理 Bryers等人(1981)在连续运行的管式反应器( tubular reactor)中详细研究了方程 (2-15)的动力学过程。其实验结果表明在生物膜形成初期,生物量积累过程遵循一级反 应动力学(见图24)
2.2微生物因定动力学19 ■X=24 mgTSL ●X=23 mETSSL 10 望?进 时间(rin) 图24生物膜积累随时间变化(R=17200及=028h2) Bryers等人(1981)提出 B (2-16) 在一个连续运行的生物反应器中,早期生物膜形成速率主要依赖以下两个因素:一是 微生物与载体表面接触频度;再则是悬浮微生物的增长活性。大量实验表明微生物与载体 间的接触频度直接取决于悬浮微生物的浓度、微生物体的性质以及水力学强度,这些通常 由可测定的悬浮微生物浓度(X)和雷诺数(R)表示。至于悬浮微生物的活性可通过其 增长比速度(μ)来描述。基于此, Bryers等人(1981)提出a23可用如下复合函数表示: X"R。p (2-17) 式中a3——早期生物膜比增长率 a,B,y-经验常数。 为进一步实验确定α、β和γ,固定X、R。和μ中任何两项时,研究第三项对a3的 影响,a3X,a3R。及a23(系数分别为a3、a3、a3”)关系分别列于图25至图27。 经数值分析处理可得到如下关系 4:=a (2-18) a3=arE (2-19) (2-20) 综合方程 dB X (2-21) R 经积分后得到 B 式中a早期生物增长比速率 B0—在不可逆过程中t0时微生物固定量,ML2
20第2章微生物在栽体表面的國定机理 006 04 0 0 12 x (mgTSS/L) 图25a3X间关系( bryers et a,1981)(R=17200及=028h) 粑娥义粑盈 RexIo- 图26a3R间关系( Bryers ef al,1981)(x=12mgTs及=0.28h4) 008 006 平0.02 u(h" 图27a3间关系( Bryers et al,1981)(x=18mgTS兀及R=17200) 必须一提的是, Bryers等人(1981)所得到的方程(222)是一个经验方程,只适用 于描述生物膜发展的初始阶段中生物膜积累的变化。关于生物膜增长动力学将在后面章节 中详细介绍。毫无疑问,对生物膜形成早期可逆及不可逆附着、固定的动力学探讨,将有 助于人们进一步弄清生物膜形成的机制,以及如何控制生物膜的增长过程 23影响微生物固定的重要因素 影响微生物在载体表面附着、生长的因素很多,但可归纳为三大类,即微生物的自身
2.3影响微生物固定的重要因素2 性质、载体表面性质以及坏境特性。根据以上三大类的划分,这里总结了影响微生物附着、 固定的多种可能因素,见表22。 影响微生物在载体表面固定的因素(Lju,1994) 表22 徽4物性质 载体表面性质 环境特性 A.种类 A.表面亲水性 T,堵养条件 B.表面电荷 ,离子强度 C.沿性 C.表面化学组成 C.水力剪切 D.表粗糙度 .温度 E,与微牛物接触 F环境组成 在本节中,我们将结合提出的动力学模型重点讨论以下几种因对微生物附着、固定 的影响。 23.!悬浮微生物浓度 在给定的系统中,悬浮微生物浓度代表了微生物与载体间的接触频度。…般讲,随悬 浮微生物浓度的增加,微生物与载体间的可能接触的儿率也随之增高。 Fletcher(1977) Daniels(1980)、 Bryers等人(1981)、 Escher等人(1990以及Ii(1995)报导了大 量实验事实,表明在附着微生物的密度与悬浮微物浓度间存在着一正比例关系。Lju (1994,1995)应用其所发展的可逆附着过程动力学模型(方程2-14),研究了在静态 实验中初始硝化细菌浓度对硝化细菌在PS表面固定速率(a)及最大附着量(B)的影 响,见图28和图29。 如图所示,当初始悬浮硝化细菌浓度从0增至30 mg MLSS/时,硝化细菌附着固定 速率(a)呈线性增加。然而,随着X进一步增加,硝化细菌的附着固定速率常数趋于 稳定值。 这些结果表明,在微生物附着固定过程中存在着一个临界悬浮微生物浓度。显然,随 着悬浮微生物浓度的增加,微生物借助浓度梯度的运送得到加强。正如图28所示,在临 界值x以前,微生物从液相传送、扩散到载体表面是控制步骤。一旦超过此临界浓度, 微生物在载体表面的附着、固定受到有效表面积的限制,不再依赖于悬浮微生物的浓度。 0.30 0.20 0.15 0.10 图28悬浮硝化细菌浓度对a的影响(Liu,1994)
22第2章徼生物在裁体表面的圊定机理 图29悬浮硝化细菌浓度对Bmx的影响(Liu,1994) 值得注意的是,Banx并不随X0的变化而变化,这一点是容易理解的,因为Bm代表 附着固定平衡状态的微生物在载体表面的量,它由微生物及载体表面特性所决定。 23.2液相pH 除了等电点以外,细菌表面在不同环境下带有不同的电荷。不同的菌种,其等电点在 实测过程中也是不尽相同的,一般是在pH=35左右。液相环境中,pH的变化将直接影 响微生物的表面电荷特性。当液相pH值大于细菌等电点时,细菌表面由于氨基酸的电离 作用而显负电性;当液相pH值小于细菌等电点时,细菌表面显正电性。由pH引起的细 菌表面电性的变化将直接影响细菌在载体附着固定的动力学过程,Liu(1994,1995)通过 静态实验系统研究了pH在25~10.0范围内变化时,硝化细菌在PP及PS表面附着固定的 动力学。图2-10清楚地显示了液相pH的变化对硝化细菌固定速率常数的影响 PP 0.2 图2-10液相pH对硝化细菌固定速率的影响(Liu,1995) 令我们感兴趣的是,图2-10给出了两条相似的峰形曲线。在pH=4.8附近,硝化细茵 在PP及PS表面的固定速率常数同时达到最大。通过Zeta电位的测定,Liu(1994)进一 步证实了硝化细菌的等电点在pH-48左右。在尺度上,细菌与胶体颗粒相近,因而被处 理为胶体粒子,这在理论上是可以接受的( Marshall et al,1990; Gingell et al,1980, Rouxhet etaL,1990)。胶体稳定性理论可为图210中的实验结果提供令人满意的解释。由于zeta 电位的存在,在带电的细菌周围形成稳定的双电层或溶剂化结构。Ii(1994,1995)认 为正是这种表面溶剂化结构阻碍了微生物与载体表面的有效接触;另一方面,这种溶剂化