微生物膜及其特性
一、微生物膜及其形成过程
微生物细胞在其生存条件满足的情况下，几乎可在任何适宜的载体表面附着生长和繁殖，由细饱内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的纯缠结构，该结构被称为微生物膜。所以微生物膜是由固定在其附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物结构中的细胞所组成。
微生物膜在载体表面的分布及膜的厚度随着有机底物浓度、时间和空间的变化而变化。由于微生物膜主要是由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚物所组成，因而微生物膜通常具有孔状结构，并具有很强的吸附能力。当然，微生物膜通常还含有大量被吸附和镶嵌于其内的有机和无机颗粒，因此，微生物膜是由有生命的细胞和无生命的无机物所组成的钻构。
根据研究，微生物膜的形成通常是以下过程综合作用的结果：①有机物分子从水中向微生物膜附着生长载体表面运送，其中有些被吸附便形成了被微生物改良的载体表面，见图2-1(a)；②水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面，其中碰撞到载体表面的细胞一部分在被表面吸附一段时间后因水力剪切或其他物理、化学和生物作用又解吸出来，而另一部分则被表面吸附一段时间后变成了不可解吸的细胞，见图2-1(b)；③不可解吸的细胞摄取并消耗水中的有机底物与营养物质，其数目增多，同时细胞新陈代谢产生大量的代谢产物。这些产物有些被排出体外，有些则是饱外多聚物，将微生物膜紧紧地结合在一起，长此以往便使微生物膜形成累积，见图2-1(c)；④细胞在水中或在增殖时也可以向水中释放出游离的细饱，见图2-1(d)。
二、微生物膜的特性
在任何非均相环境中，基质的去除都是传递速率与固有的反应速率之间相互作用的结果。固有的生物反应速率通常按单位生物量来表示，也就是基质去除速率用每单位时间单位生物量所去除的基质质量来表示。固有的生物生长速率则用每单位时间现有单位生物量所产生的生物量来表示。在考虑固有速率的表达式形式之前，应当考虑生物膜中可能存在的微生物量，因为可供生物膜附着和生长的表面面积通常是所模拟的反应器类型的一个物理特征量，所以反应器内的生物膜质量是生物膜厚度和密度的两数。此外，存在于生物膜中的微生物。有可能不是都能利用进入生物膜的全部基质，也就是说如果有机物和氨氮都存在，那么异养型微生物只能氧化有机物，自养型微生物才能氧化氨氮。因此，生物膜的组成也是反应速率一个重要的决定因素。
- 生物膜厚度
当考虑生物膜的厚度时，重要的是要区分膜的总厚度和活性厚度。一般生物膜总厚度介于0.07-4mm之间。当生物膜受机械或水动力学控制时。其膜厚一般小于0.2mm；当生物膜未受机械或水动力学控制时，其膜厚却可达到4mm。未受控制的较厚的生物膜，并不比薄的生物膜具有更大的基质去除速率，因为生物膜中的扩散阻力限制了内层的微生物直接参与基质的去除，参与基质去除的微生物膜部分称为活性层。
研究表明，在生物膜反应器内，基质的去除速率随生物膜厚度的增加而变化。当生物膜厚度为70-100μm以内时，消耗速率随生物膜厚度的增加而增加。而当生物膜厚度再增加时，去除速率便与膜的厚度没有明显的关系，所以基质消耗速率达到最大值的生物膜厚度被称为活性厚度，活性厚度随液相中基质浓度的增加而增加。
活性厚度是由于生物膜内传质限制的结果，只有当膜很薄、电子给体和受体的浓度很高。或传质速率相对于反应速率很大时，膜的活性厚度才会接近总厚度。但对于多数反应器来说，这种情况不存在，因而只有活性厚度与反应器的性能密切相关。
从理论上说，只要微生物的生长速率超过由于衰耗和损耗而减少的速率，生物膜的厚度就会连续增长。衰耗是指由于细菌自我氧化所造成的生物量的减少。而损耗是指由于外力如水流紊动、冲剧的作用，所造成的生物量的减少。在高紊流的条件下，损耗相对较大，所以生物膜的厚度难得超过1000μm；而在低紊流的条件下，生物膜生长的厚度相对较大。另外，生物膜生长的厚度与基质浓度有很大关系，一般在微生物适宜生存的条件下，基质浓度越大，其微生物膜增厚也越快。反之则越慢。对于污水处理的多数生物膜来讲，连续衰耗和损耗的量一般不足以与纯增长相平衡，因而生物膜一直在增长，这就使得对生物膜的厚度分析较困难。因此，Atkinson与Fowler建议采用流化床生物膜反应器来控制膜的厚度。在这种反应器中，滤床的高度在功能上与滤料颗粒上的生物膜厚度有关。所以用去除并清洗填料颗粒来维持一恒定的床层高度，以便得到一已知的最大膜厚。
曝气生物滤池中的微生物膜，其厚度不能被有效地控制，也就是说生物膜的生长或者是正好与衰耗和损耗相平衡，或者是连续增殖生长到一定厚度脱落为止，要控制生物膜的厚度在某一数值几乎不可能。
国外研究人员曾做过模拟生物膜厚度的工作。他们的研究认为，生物膜的脱落速率随界面上剪切力的增加而增加，也随生物膜质量的增加而增加，所以当以不同的速率来施加基质时，可以靠固定的剪切力来获得不同厚度的生物膜。在基质供给速率低时，新生物膜的生长速率也低，且在现有生物量或厚度较低时，它可能由损耗相平衡。然而，在基质供给速率高时，生物膜将较快地生长，且在脱落速率与累积速率相等之前，会生长出更多的生物膜来。
上述研究成果可参见图2-2。
报据Howell和Atkinson从动力学的现点来模拟生物膜的厚度，也就是模拟脱落。在他们的模式中，由于假定不连续发生损耗，因而允许生物膜厚度超时增长，于是基质的去除就会造成细胞质量的累积。由于膜厚增加，基质浓度的分布随之变化，直到生物膜内侧的基质浓度过低，乃至不能维持细胞的生长为止，因而允许发生溶菌裂解而导致脱落。考虑到脱落有一定的概率，在模式中他们取该概率进行计算，并将该模式用于滴滤池，研究了膜厚随时间而变化的特性。因为生物膜的脱落，出水基质浓度总以动力学的方式变动，这表明在生物滤池这样的反应器中，生物膜的厚度影响着反应器的动力学特性。
- 生物膜密度
生物膜反应器的反应速率与生物膜的绝对数量有关，即反应速率是微生物质量的函数，而微生物质量是与生物膜表面积、厚度及生物膜密度相关。虽然通常情况认为生物膜密度是恒定的，但有证据表明情况并非如此。Hoehn和Ray的研究认为，生物膜密度与它的厚度密切相关，其研究成果可见图2-3。
从图2-3中可以看出，在生物膜厚度等于活性生物膜厚度时，生物膜密度达到最大值，而随着生物膜厚度的进一步增加，其生物膜厚度逐渐降低并趋于稳定。Hoehn和Ray认为，生物膜厚度的改变是由于生物膜中微生物数量的不同而引起，最大密度是在好氧层中存在的微生物细胞的紧密叠集，而较低密度是由于微生物膜中厌氧区城微生物细胞的溶菌裂解造成的。
三、生物膜的界面特征
Atkinson和Howell对生物膜的界面特性进行了研究，他们将界面假设为如图2-4的三种状态，即假均相状态、非均相状态和混杂状态。
在假均相条件下，薄膜中的液体可认为是穿过生物膜流动的，所以没有清晰的液膜存在，这是滴滤池的特征，它不能准确地描述其他的固定膜工艺过程。另外，在非均相条件下，在液体和生物膜之间存在清晰的界面。而Atkinson和Howell最终认为：污泥表面几何图像的实际情况是介于假均相和非均相之间的混杂状态，这一点他们通过试验和观察觉得比较恰当。
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