28第2章微生物在载体表面的固定机理 从图中可以看出,在经处理的PS表面硝化细菌固定量是未经处理的PS表面上的1.5 倍。事实上,未经处理的PS表面带有负电荷,而经过低温等离子体Fe+覆盖技术处理后 PS表面显正电性。简言之,细菌在带有正电性的载体表面吏容易实现固定。 Changui等人 (1987)和 Mozes等人(1992)同样报导了相似的实验结果。 载体表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定,主要由于以下两方面的原因 是与光滑表面相比,粗糙的载体表面增加了细菌与载体间的有效接触面积,是载体表面 的粗糙部分,如孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护,使它们免受水力学剪切的冲 刷作用。 Verrier等人(1981)的实验结果表明,载体表面的孔洞及裂缝有效改善了甲烷 菌在不同聚合材料上的初始附着、固定。 Asther等人(199)及Liu(1994)同样报导∫ 当载体表面粗糙度增加时,细菌在不同载体表面的附着、固定能力得到极大的改善 Messing 等人(1979)调查了载体表面孔径大小对微生物附着、固定的影响,其结果表明,载休表 面最佳孔径应是微生物体长的45倍。图2-21描述了不锈钢表面不同粗糙度对细荣固定 的影响。 很明显,落到缝隙中的细菌可以受到很好的保护,而在较平表面的细菌由于受到水力 剪切力的作用,从载体表面被冲刷掉的可能性非常大。事实上,在实际生物膜载体的选择 以及生物膜反应器设计中,工程师及研究人员已把载体表面粗糙度作为一个重要因素加以 考虑。 #2B 细菌典型尺寸 表|2 面缝隙高度 缝0 均 继隙 3高度 图2-21不锈钢管表面粗糙度尺与细菌大小比较( Characklis,1990) 23.6水力剪切作用 在生物膜形成初期,环境水力学条件是一个至关重要的因素,它直接影响生物膜能否 培养成功。在实际水处理中,水力剪切力的强弱决定了生物膜反应器启动周期。单从生物 膜形成角度讲,弱的水力剪切作用有利于细菌在载体表面的附着和固定。然而在工业生物 膜反应器中,需要一定强度的水力学力以维持反应器中的完全混合状态。如何止确选择或 确定生物膜反应器中的水力学条件,是生物膜反应器设计者面临的个难题。最常用的定 量描述水力剪切作用对细菌在载体表面固定、附着技术是辐射型流动室( Radial flow Chamber),剪称RFC这种技术目前可应用于在不同水力剪切作用下,生物膜形成的早
2.3影响微生物固定的重要因素29 期动力学研究( Fowler et al.1980; Callow et al.,993; Characklis et al.,1990)。RFC是由 两个平行的同心圆组成,两盘之间有·窄缝,通常为0.5至几个毫米,见图222。 流计 RFC 图2-22RFC实验装置 微生物培养液通过泵以一定的流速泵入RF℃C中心,然后呈辐射状从盘边缘流出,返 回培养液槽。在RFC内,沿着盘半径方向,随着流体表面增加,流体线速度及盘间水力 剪切力下降。因此,在进水口附近试验盘承受最大水力剪切作用,而在出水边缘,其剪切 作用最小。图2-23给出了典型的水力剪切与细菌在试验盘表面固定的关系。 固定细菌 临界值 剪切力 图223RFC中剪切力与固定细菌一般关系 当水力剪切力超过某个值时,细菌基本上不能在载体表面附着、固定,此值被称为临 界剪切,它在实际生物膜反应器设计及运行控制中具有指导意义。 下面我们将集中讨论如何确定RFC中的水力学分布,RFC可以用图224表示 RFC中沿半径方向的流速分布可按下式计算 U≈3F Re<2000 (2-24) ryle h 根据此流速分布,进而可以计算出水力剪切力的分布 dufU (225) dz tyh
30第2章微生物在載体表面的因定机理 式中μ-—粕度。 图224RFC中沿半径方向的流速分布 Callow等人(1993)应用RFC技术研究了在不同水力剪切力作用下海洋硅藻在玻璃 上的附着固定过程,其结果见图225和图226。 很显然,在半径小于20mm内,硅藻基本不能在玻璃表面附着、固定。正如上面所 讲,20mm处所对应的水力剪切力可看做是其临界剪切力(12N/m2)。 试验2 289 半径(mm) 图225RFC中固定微生物沿受试盘半径的分布( Callow et a,1993 导x颖 剪切力 图226RFC中水力剪切对微生物在受试盘上固定的影响(c乱 low ef a.,1993)
2.3影响微生物因定的重要因素3 可见,水力剪切力的强弱直接影响早期生物膜形成过程,这在实际生物膜反应器进行 中是值得注意的问题,对丁临界剪切力的了解,有利于掌握生物膜反应器内水力学条件, 使其在优化条件下运行。 2.3.7接触时间 微生物在载体表面附着、固定是一个动态过程。微生物与载体表面接触后,需要一个 相对稳定的环境条件,必须保证微生物在载体表面停留一定的时间,完成微生物在载体表 面的增长过程,这是容易理解的。 24硝化细菌在载体表面固定的措施 常用的硝化细菌在载体表面附着、固定的方法有两大类:一是通过载体表亩的改性 正如前述,在正常微生物生长环境下,其表面带有负电荷,因此人们一直希望通过载体表 处理技术使载体表面带有正电性,这将大大缩减微生物与载体间的斥力作用,无疑将改变、 加快微生物的附着、固定过程。二是通过细菌表面的改性,主要是在微仕物表面吸附一些 正离子物质包括无机离子及有机分子。 24l载体表面处理 做为生物膜的载体,月前最常用的是聚合物( Polymer),然而这些材料的表面通常 带有负电性,为了有效地强化细菌在载体表面的附着、固定过程,近20年来人们-直致 力于载体表面处理技术的研究。下面简单介绍一些常用的载体表面处理方法。 1.化学氧化一铁离子覆盖技术 这种技术是把要处理的生物膜载体浸于重铬酸钾溶液中30min-h,然后用清水冲洗 经重铬酸钾溶液氧化后的载体。Liu(1994,1995)应用光表面分析仪(XPS)确定∫经 重铬酸钾溶液氧化前后,PE、PS、PP及PVC表面官能团组织的变化,结果表明,含氧 官能团显著增加,载体表面呈现较强的负电性然后把氧化后的载体置于005-0MFeC1 溶液中30min,以使Fe通过正负电荷作用覆盖到载体表面。Liu等人(1996)分析结果 表明,经过这样处理的载体表面FeC原子比可达到0.05,表面为正电性,这-技术已在 颗粒状载体表面处理中得到应用,一次处理量可达上百公斤或更多。值得注意的是,在实 际应用中,化学氧化过程将产生人量的废酸液给环境造成二次污染,它阴碍了这一方法大 规模工业化的应用 2.低温等离子体氧化一离子覆盖技术 低温等离子技术目前广泛应用于不同材料的表面处理中。它可以政变材料表面的诸多 物理化学性质,如亲水性、可燃性、强度可塑性及表面静电性等( Westerdahl et al,1974; Ashida et aL, 1982; Yasuda et aL., 1977; Moss et al, 1986: Clark et aL. 1987; Liu, 1990. 1994: Liu eral,1996;刘雨等,1997)。在生物膜载体表面处理中,我们感兴趣于通过低温等离子体 处理改变载体表面的静电性。低温等离子体是一群在高频率电磁场下产生的活性离子群, 这些等离子体在轰击载体表面时,可以在载体表面产生大量自由基。 Ashida等人(1982) 利用不同种低温等离子轰击PE表面,其结果列于表23 表23清楚表明,与未经处理的PE表面比较,经上述等离子体氧化后的PE表面不 同程度的增加了官能团的数量
32第2章微生物在载体表面的固定机理 Lu(1990.1994)应用圆管等离子发生器,详细研究了轰击时间以及等离子体功率对 载体表而性质的影响。在其研究中,载体表面性质的变化是由表面水接触角决定。一般讲, 载体表而官能团越多,极性就越大,水接触角越小。图2-27所示为在功率60W、气体压 强0075MPa下PE、P、PS及PVC四种载体表面水接触角随氩气等离子体中轰击时间 的变化。 PE表面每1000个C原子中所拥有的不同官能团数( Ashida ef a,1982)表 官能H OH >C=o CH RCH-CHR' RCH=CH, 未处理PE 起一空气等离子体 衄气等离子体 氮’等离子体 氧气等离子体 6.7 水气等离子体 26 2.6 60.3 3.2 6.3 ●Pvc。PS▲PAPE 自。:÷ 时间(min 图2-27载体表面接触角随等离子体轰击时间的变化( Liu et al,1996) 当轰击时间小于3min时,随着轰击时间的增加,水在四种载体表面的接触角显著下 降。当轰击时间超过3min时,水在载体表面的接触角基本不随轰击时间变化 根据图2-27的曲线变化,转折点处所对应的轰击时间即为最佳处理时间,约1.5mins Lu等人(1996)指出,在实际应用中轰击吋间应略大于最佳处理时间,建议选为3min 较为合适。Lj(1990,1994)同样研究了在给定处理时间3min、气体压强为0.075mbar 下,不同功率的氩气等离子对PE、PP、PS及PVC表面水接触角的影响,见图228。 在图2-28上观察到了与图227相似的变化趋势。当氩气等离子体功率超过20W后 水在四种载体表面的接触角不再变化。最佳等离子体功率可选定为20W,但正如上面所 述,在实际过程中,一般选择等离子体功率略大于最佳功率。Li(1990)建议为30至40 W为妥。在此研究基础上,Liu(1994)进一步研究了不同种等离子体对PE、PP、PS及 PVC的表面氧化能力。发现在所研究的Ar、H2O、O2、CO2及NH气等离子体中,Ar气 等离子体对上述四种载体表面氧化性最强。这些将为正确操作运行低温等离子反应器处理