微生物膜在滤料载体表面的固定
微生物膜的形成首先必须在载体表面附着，然后才能在适宜的生存条件下进行新陈代谢并增殖。最后形成具有一定厚度和密度的微生物膜。因此，微生物在载体表面附着过程是生物膜形成的关键步骤，它将直接影响生物膜的生物及生理功效以及生物滤池的启动运行周期。
一、微生物膜固定的过程
微生物在载体表面附着固定过程可以看作为载体表面与微生物表面间的相互作用，大量研究表明，微生物在载体表面附着固定一方面取决于微生物表面的特性，另一方面依赖于所用载体的表面物理化学特性。从理论上讲，微生物在载体表面附着、固定过程包括以下步骤：液相中的悬浮微生物向载体表面运送→可逆附着→不可逆附着→固定微生物增长并形成生物膜。
- 悬浮微生物向载体表面运送
微生物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，微生物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，由布朗运动、微生物自身运动、重力或沉降作用完成。
一般来说，主动运送是微生物从液相转移到载体表面的主导力量，特别是在动态环境中，它是微生物长距离移动的主导力量。另一方面，微生物个体一般都非常小，通常在1μm左右，所以微生物个体可按胶体粒子处理，微生物自身的布朗运动增加了微生物与载体表面的接触机会。Zobell在微生物附着、固定静态实脸中研究发现，由浓度扩散而形成的悬浮相与载体表面间的浓度梯度对微生物从液相向毅体表面移动起着不可忽视的直接作用。悬浮相中的微生物正是借助于上述各种力从液相被运送到载体表面，促成了微生物与政体表面的直接作用。在整个生物膜形成过程中，这一步是至关重要的。
- 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。在微生物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吸的双向动态过程，因为环境中存在的水力学力、简单的布朗运动成是微生物自身的运动都可能使已附着在载体表面的微生物重新返回悬浮液相中去。一般来讲，造成这种可逆附着过程的力主要是物理及化学相 互作用，在这一阶段微生物的增长不起主要作用。在可逆附着过程中可能起作用的各种物理及化学力见表。
表中各种力对微生物可逆附着的贡献或影响取决于载体及微生物的表面特性。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，在微生物附着固定过程中，各种热力学力同样影响微生物在载体表面附着的可逆性程度，微生物的附着可逆性与微生物-载体间的自由能水平相关。总而言之，微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。
- 不可逆附着过程
不可逆附着过程是可逆附着过程的延续，这种不可逆附着过程通常是由于微生物分泌一些黏性代谢物质所造成的，如多聚糖等。这些体外多聚糖类物质起到了生物黏结作用，因此这阶段附着的微生物不易被中等水力剪切力所冲刷掉。在实际运行中，若能够保证微生物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，可逆附着和不可逆附着的区别就在于是否有生物聚合物参与微生物与载体表面间的相互作用，不可逆附着是形成生物膜脱落的基础。
- 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其生存所需营养物质不断进行新陈代谢，不断繁殖，逐渐形成成熟的微生物膜。
二、影响微生物膜固定的因素
影响微生物膜在载体表面附着、生长的因素很多，包括悬浮微生物浓度、液相pH值、液相离子强度、悬浮微生物的活性、载体表面结构与性质、水力剪切作用和接触时间等。
- 悬浮微生物浓度
在生物膜反应器中，总浮微生物浓度代表了微生物与载体间的接触频度，随着微生物浓度的增加，微生物与载体间的接触概率也随之增高。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，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。在临界悬浮微生物浓度值之前，微生物从液相传送、扩散到载体表面是控制步骤，一旦超过此临界悬浮微生物浓度值，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。
- 液相pH值
除了等电点以外，微生物表面在不同环境下带有不同的电荷，不同种类的微生物其等电点也不相同，一般是在pH值为3.5左右。液相环境中，pH值的变化将直接影响微生物的表面电荷特性，当液相pH值大于微生物等电点pH值时，微生物表面由于氨基酸的电离作用而显负电性；当液相pH值小于微生物等电点pH值时，微生物表面显正电性。由pH值引起的该生物表面电性的变化将直接影响微生物在载体附着固定的动力学过程。在非等电点pH值时，由于微生物表面存在Zeta电位，在带电的微生物周围形成固定的双电层或溶剂化结构，限碍了微生物与载体表面的有效接触，同时这种溶剂化结构会引起微生物与微生物之间的空间位阻，这些都不利于微生物在载体表面附着和固定。当微生物处于等电点pH值环境中时，微生物表面的Zeta电位趋于零，表面溶剂化结构基本消失，这时的微生物在液相中处于一种极端稳定状态。为了减少表面自由能，微生物吸附到载体表面或自由聚集，以达到新的稳定。
- 液相离子强度
液相离子强度将直接影响悬浮微生物的表面电荷，特别是影响微生物周围的双电层结构。对于微生物及载体表面带有相同电荷的体系，当主体溶液中离子浓度较低时，微生物在接近载体表面时要超越显著的势能璧垒，这使得微生物与载体表面间接触得相当困难或不可能。随着溶液中离子强度的进一步增加，微生物周围扩散层被压缩，而使排斥力起作用，电势能就会减少。换言之，总势能曲线在较远的距离处有一个很小的极小值，形成微生物与载体间的弱引力范围，若向悬浮液中进一步添加电解质，总势能曲线的形状随之进一步变化，最后使微生物与载体表面处于接近状态。
- 悬浮微生物的活性
当悬浮微生物的活性较高时。其分泌体外多聚糖的能力较强，这种黏性的体外多聚糖在微生物与载体间起到了生物黏合剂的作用，使微生物较为容易地实现在载体表面的附着、固定。微生物表面结构将随着其活性的不同而相应变化，微生物表面的化学组成(如官能团的量)随微生物活性的变化有显著变化，微生物表面的这些变化将直接影响微生物在载体表面的附着、固定动力学过程。由于悬浮微生物活性变化而引起的微生物表面生理状态或分子组成的变化是有利于微生物在载体表面附着、固定的。
- 载体表面结构与性质
载体表面的电荷性及表面粗糙度将直接影响微生物附着的动力学过程。在正常生长环境下，微生物表面带有负电荷，如果设法使载体表面带有正电荷，这将使微生物在载体表面附着、固定过程更易进行。
另外，载体表面的粗糙度有利于微生物在其表面附着、固定。一方面由于粗糙的载体表面增加了微生物与载体表面的有效接触面积；另一方面由于载体表面的孔洞、裂缝等粗糙部分对已附着的微生物起到屏蔽保护作用，使它们免受水力剪切冲剧作用而脱落。
- 水力剪切作用
在微生物形成初期水力剪切力是个重要因素，它直接影响微生物膜能否培养成功，水力剪切力的强弱决定了微生物膜反应器启动周期，弱的水力剪切力有利于微生物在载体表面的附着和固定。当水力剪切力超过某个值时，微生物基本上不能在载体表面附着、固定，此值即为临界水力剪切力。水力剪切力的强弱直接影响早期微生物膜的形成过程。当水力剪切力小于该值时，微生物在载体表面不断附着、生长繁殖；当水力剪切力大于该值时，微生物在载体表面附着力急剧减小，极易脱落。
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