生物膜

4.2 悬挂式填料
悬挂式填料包括软性、半软性及组合填 料。 软性填料主要以软性纤维填料为代表。 软性填料的基本结构是在一根中心绳索 上系扎软性纤维束, 在安装时需要固定 在辅助支架上, 它克服了蜂窝填料的某 些弊端。软性填料的空隙可变性避免了 堵塞现象; 纤维丝的数量很多, 从而具有 巨大的理论比表面积(2 470 m2 / m3 ) , 造价低廉、加工方便。
4. 生物膜载体
优良载体应具有以下特性: 载体应具有良好的生物相容性, 适中的粒度及 孔径结构, 可以耦联足够的生物分子; 载体的作用仅是使生物分子固定化, 对生物分 子而言载体应是惰性的; 载体应具有足够的机 械强度, 以保证载体的使用寿命和稳定性;
载体表面应具有化学活性基团, 这些基 团可以直接或经过较为温和的化学方 法活化后与生物分子耦联; 载体应价格便宜, 操作制备方便。
5.1 天然高分子降解材料

天然高分子降解材料主要包括淀粉、 壳聚糖、蛋白质、纤维素、木质素、 天然橡胶型高分子材料、海藻酸钙、 琼脂、角叉菜胶等。天然高分子载体 一般对生物无毒性, 传质性能好, 但强 度低, 厌氧下易被微生物分解, 寿命短。
5.2 有机合成高分子载体

另一类是有机合成高分子载体, 如PHB、 PHBV、聚乳酸、聚酯、聚乙二醇、聚 乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅胶、 光硬化树脂等。这类载体一般强度较 高, 化学稳定性好, 但传质性能稍差。 在进行包埋时对细胞的活性有影响, 易 造成细胞失活。
4.3

悬浮型填料
悬浮型填料的开发是当前国内外针对以上填料 的不足, 由生物流化床工艺引发而来的一个新 的研究方向。这种填料密度接近于水, 无需固 定支架,在池中可随曝气搅拌悬浮于水中并全 池均匀流化,能耗较低, 是一种很有发展前途的 填料。据资料表明: 悬浮填料用于中水、化工、 制药、印染、造纸等工业废水的处理, 处理效 果相当好。

生物膜细菌与游离或浮游的细菌在形 态和生理特性上, 均有着显著的区别。 膜内的细菌又称为“座生菌”, 由于膜 的包裹, 其对抗生素的抵抗力要比自由 存在的单个细菌高1 000 倍以上, 并且 用常规的消毒方法很难将其除掉。生 物膜内的表层菌与里层菌, 也存在着较 大差异。
生物膜与人类的生产生活关系非常密切：

致病细菌不仅可直接在人体组织及器官的表面形
成生物膜,引起诸如牙周病、慢性支气管炎、败血
病、肺部感染和心内膜炎等难治疾病,而且可在植
入人体内的医疗装置(如隐型眼镜、人工关节和心
脏人工瓣膜等)的表面形成生物膜,从而导致一系
列的感染并发症。据估计,大约65%的人类细菌性 感染是由细菌生物膜引起的。由于生物膜有较强 的抗逆性, 因此难以控制,往往引起严重的感染。

生物膜的生长期(Development): 细菌粘附到物
体表面后,即调整其基因表达, 在生长繁殖的同
时分泌大量胞外聚合物, 此时其对表面的粘附
发展为牢固的、不可逆的。胞外聚合物可粘结 单个细菌而形成细菌团块, 即微菌落 (microcolony)。大量微菌落的不断堆积使生物 膜加厚。

生物膜的成熟期(Maturation) :细菌生物膜在 经历不可逆粘附阶段后进入成熟期,成熟的 生物膜形成高度有组织的结构,利用激光共 聚焦显微镜观察到成熟生物膜结构是不均 匀的,即具有不均质性( heterogeneity) ,它由 类似蘑菇状或堆状的微菌落组成,在这些微 菌落之间围绕着输水通道,可以运送养料、 酶、代谢产物和排出废物等。 因此,有人将 成熟的生物膜内部结构比喻为原始的循环 系统。



实际上, 很少有一种载体材料能满足上述所 有条件。通常总是根据工作性质去选择较 为合适的载体材料。 生物膜填料的种类及分类方法繁多, 按照载 体的材料分类, 生物膜载体大致可分为固定 型填料、软性填料、半软性填料及复合填 料等悬挂式填料和悬浮型填料。
4.1 固定式填料
固定式填料主要包括蜂窝状和波纹板 状等硬性填料。生物接触氧化池较多采 用固定填料, 经生产运行数据表明: 反应池中有较高的生物浓度和生物活性, 可有效去除废水中的有机污染物质,对 COD 的去除率可达到85 %～90 %;
的观察,发现生物膜多细胞结构的形成是一个动态
过程,这一过程包括细菌起始粘附、生物膜粘附期、 生长期、成熟和播散期等阶段,而生物膜细菌在各 阶段则具有不同的生理生化特性。

生物膜的粘附期(Attachment): 粘附是细菌在
物体表面形成生物膜的第一步。浮游细菌首先 粘附到物体表面,启动物体表面生物膜形成。 单个附着细胞仅由少量胞外聚合物包裹,实际 上这些附着的细菌还未进入生物膜的形成过程, 很多菌体还可以重新进入浮游生活方式,这时 的粘附是可逆的。
生物膜法是一种区别于活性污泥法的高 效水处理工艺, 可使微生物固着生长在固体 载体表面, 并随着废水流入, 微生物不断生 长繁殖, 从而分解污染物质。由于生物膜法 对废水水质和水量的变动具有较强的适应 能力以及产泥量少等优点, 在废水处理中已 得到广泛的应用。而载体是该工艺的核心 部分, 无论是好氧、兼氧还是厌氧过程, 载 体都发挥着重要的作用, 对废水的处理效率 有着直接影响。
Hale Waihona Puke 生物膜细菌还可污染与人类生活相关的设施,
如空调系统、供水系统和食品加工设备等, 降
低使用效率和寿命。

它可以黏附杂质, 清洁污水, 可作为污水处理
的优良载体;
2. 细菌生物膜形成过程
生物膜可由纯菌种形成,也可由多菌种组成。在多
菌种生物膜中,不同菌种在不同的时间和空间发展,
存在着菌种的交替演变。通过对生物膜形成过程
体积负荷相对于活性污泥法提高, 处理 时间短, 可减少反应器容积; 与活性污泥法相比较, 其动力效率提高 30 %左右; 克服了活性污泥法中污泥膨胀的缺点, 产泥量低等。



但是由于固定式填料比表面积小、生物膜量少, 且表面光滑, 生物膜易脱落, 致使这些填料在使 用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀、 充氧性能差等问题。 此外, 上述填料均需安装在辅助支架上, 造成安 装更换诸多不便, 使工程投资和运转费用相对 提高。
5.可降解生物膜载体材料

用可降解材料制备生物膜载体, 可以使 载体经过一定的使用期后自行降解或人 为地促使其降解。使用这种载体进行废 水处理具有产生污泥量小、易于进行后 处理以及不产生二次污染等显著优点, 因此具有十分广阔的应用前景。可降解 材料可分为天然高分子降解材料和有机 合成高分子降解材料。


但软性填料一般在使用1 年后就会出现纤维束 结团的现象。随着时间的推移, 结团现象将越 来越严重。

针对软性填料的缠结和断丝两方面的不足, 业 内专家对软性填料进行了改良, 即后来发展起 来的半软性填料。以BS 型半软性填料为代表。

组合式填料是基于软性填料的比表面 积大、易挂膜和半软性填料的不结团、 布气均匀的优点基础上设计的一种填 料, 以YDT 弹性立体填料为例。YDT 弹性立体填料利用密集的丝条来进行 挂膜和切割气泡, 比表面积大、生物膜 量多, 氧的利用率比软性填料料高, 不 堵塞、使用寿命长。
第8章 生物膜
1.概述
生物膜(Biofilm)是微生物(如细菌)被包 裹在其自身分泌的多聚物中形成的一种 特殊细胞群体结构。 自然环境中, 微生物90%以上是以生物 膜的形式存在的, 这种结构通常是菌体 在逆境条件下产生的,如营养匮乏、微 生物抑制剂等,具有很强的抗逆性。


生物膜成份多样, 除了细菌菌体外,还含 有许多大分子多聚物, 由于成份的多样 性, 生物膜的结构也多种多样。
3. 生物膜反应器

生物膜反应器(Biofilm reactor) 处理水的设想。 在生物膜法废水处理系统中生物膜内细菌是
降解转化有机污染物的主体, 尤其是在含复杂难 降解有机物的工业废水处理中, 生物膜大量形成 是有效处理的关键。尽管医学等领域对生物膜 和生物膜形成细菌的研究是以阻止生物膜形成 为目的, 但其对生物膜和生物膜形成菌的再认识 也促进了工业、环保等领域对生物膜的研究。

生物膜的播散期(Detachment) :播散是一个 用于描述细菌从生物膜或载体表面释放出 来的习惯用语。 成熟生物膜通过蔓延、部
分脱落或释放出浮游细菌等方式进行扩展,
从生物膜中脱落或释放出来的细菌重新变
为浮游生长的细菌,它们又可以在物体表面
形成新的生物膜。

胞外聚合物由多糖、蛋白质及核酸等物 质组成,是生物膜的主要组成部分。在生 物膜形成中细菌胞外聚合物参与了细菌 的粘附,其产生量和性质与生物膜结构又 有重要的关系。胞外聚合物的瓦解不仅 会降低生物膜结构的复杂性也会增加生 物膜细菌对抗生素的敏感程度, 但胞外 聚合物的过度产生则会导致相反的影响。