生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型

发布时间：2016-08-18 13:02

  本文关键词：生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型，由笔耕文化传播整理发布。

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生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型

肖鸿１，杨平１，郭勇２，方章平２

（１．四川大学建筑与环境学院，ｌ匹ｌＪｌＩ成都６１００６５；２．四川大学化工学院，四川成都６１００６５）

［摘要］生物膜法是一种高效的废水处理方法。对生物膜反应器中的生物膜形成、流体力学、传质以及反应动力学特性都做了较深入的研究。目前，在反应机理研究方面，生物膜的脱落是了解最少的，而反应器中生物膜的脱落对生物膜的形态、稳定性以及转化效率都有直接的影响，因此，生物膜脱落的研究具有十分重要的意义。介绍了生物膜反应器中生物膜脱落的过程及其机理，讨论了影响生物膜脱落的种种因素，并对有关研究生物膜脱落的数学模型作了总结和分析，最后提出了今后生物膜脱落研究的重点。

［关键词］生物膜；脱落；数学模型；生物膜反应器；废水处理［中图分类号］Ｘ７０３．１

［文献标识码］Ａ

［文章编号］１００６—１８７８（２００５）０１—００２３—０６

生物膜法是一种高效的废水处理方法，近２０年来，在工业废水和城市生活污水处理方面开发出了一大批生物膜法处理技术，如生物流化床（ＢＦＢ）、上流式污泥床（ＵＳＢ）、颗粒污泥膨胀床（ＥＧＳＢ）、生物膜气升式反应器（ＢＡＳＲ）以及内循环厌氧反应器（ｉｃ）等。研究者们对这些系统的处理效率、生物膜形成、流体力学、传质以及反应动力学特性都做了较深入的研究，并提出了一些可供实际操作（如大规模反应器的设计、运行及控制）的经验关系式和数学模型ｕｊ。目前，在反应机理研究方面，生物膜的脱落是了解最少的，而反应器中生物膜的脱落直接影响到生物膜的形态、稳定性以及转化效率。所以，弄清楚影响生物膜脱落的机理、因素以及建立相应的数学模型，对控制生物膜形态、增强生物膜稳定性、提高其转化效率等都具有十分重要的意义。现今这方面的研究多见于国外文献，国内的研究报道很少。为此，笔者介绍了生物膜反应器中脱膜过程及其数学模型研究进展，并对不同研究者提出的脱膜模型进行了分析和评价，指出了今后研究的重点。

１

物膜脱落深至载体表面，但它只发生在生物膜表面的局部区域。冲蚀是单个的细胞或者小群的细胞从生物膜表面连续的脱落，研究认为，它是由流体与生物膜表面接触产生的剪切力引起的。磨损类似于冲蚀，但它是由颗粒相互碰撞引起的，与蜕落不同的是，冲蚀和磨损发生在生物膜的整个表面，只是它们不能使生物膜最内层的细菌脱落。１．２生物膜脱落的机理

在实际的生物膜反应器中，生物膜脱落是不同过程共同作用的结果。根据操作方式的不同，占主导地位的脱落机理也不同一ｊ。已有研究者针对不同的生物膜反应器，研究了控制生物膜脱落的机理。如有人研究了浸没式生物滤池，认为磨损很可能是最主要的脱落过程。而在高负荷的滴滤池和生物转盘中，则认为蜕落是最主要的脱落过程。另外，Ｃｈａｎｇ等∽１研究液体流化床生物反应器时发现，床层流化产生磨擦是引起生物膜脱落的最主要机理。Ｇｊａｌｔｅｍａ等。刊在ＢＡＳＲ中研究发现，生物膜脱落率取决于光载体颗粒与生物颗粒之间的碰撞，因此，可用传统的颗粒碰撞理论来描述和定量生物膜的磨损脱落率。根据这个观点，那些影响颗粒碰撞频率的因素和碰撞冲击力的因素（如颗粒浓度、颗粒大小、颗粒质量、输入系统的能量等）都将影响到生物膜的磨损脱落率。

生物膜的脱落过程及其机理

生物膜是由固定在载体表面的细胞和细胞产物

１．１生物膜的脱落过程

组成的。生物膜的脱落是指细胞或细胞产物从已存在的生物膜上脱落进入液相的过程旧１，通常包括４种不同的过程∞＇４Ｊ：被捕食、蜕落、冲蚀和磨损。被捕食指的是生物膜外表面的细菌被原生动物吞噬。蜕落指的是相对来说较大块的生物膜的间歇性脱落，它是一个随机过程；在蜕落过程中，一部分的生

［收稿日期］２００４一０５—１８；［修订日期］２００４－０６—２５。［基金项目］国家８６３计划资助项目（２００２ＡＡ６０１２１０）。

［作者简介］肖鸿（１９８０一），男，湖南省衡阳市人，硕士研究

生，研究方向为水污染控制。

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生物膜脱落的影响因素

影响生物膜脱落的因素很多，且错综复杂。例

如：流体（液体／气体）流动的动力学特性、生物膜的生长及自身特性、载体特性等。

２．１流体动力学特性对生物膜脱落的影响

流体流动的动力学特性主要包括流体的流速、湍流度（雷诺数）、剪切力等。它对生物膜的脱落具有重要的影响。Ｃｈａｎｇ等∞ｏ的研究表明，液体的上升流速会显著地影响生物膜的脱落。但Ｓｈｉｅｈ等邛１认为，，液相上升流速对生物膜的脱落无影响。对于气相上升流速，大多数的研究结果都表明，较高的气体流速会使脱落率增加，导致生物膜变薄而致密一１。Ｃｈａｎｇ等Ｍｏ发现，湍流度增加，生物膜脱落率将随之增加。Ｎｉｃｏｌｅｌｌａ等¨叫得出了类似的结论。对于剪切力的影响，Ｒｉｔｔｍａｎｎ¨ｕ在较早的研究中发现，在其它参数恒定的条件下，生物膜脱落率与剪切力的０．５８次方成比例。Ｂａｋｋｅ等¨２３研究发现，生物膜脱落率与剪切力之间存在线性关系。Ｈｏｒｎ等¨纠认为，生物膜脱落是液体剪

切力与生物膜强度共同影响的结果。而舡

ｃａｎｄ¨４

ｏ在上流式厌氧复合床（ＵＢＦ）中研究发现，

液体流动所产生的剪切力与生物膜表面膜的脱落无关，但由气体流动所产生的剪切力则显著地影响生物膜的脱落。Ｎｉｃｏｌｅｌｌａ等¨刨和Ｂｒｙｅｒｓ等¨５Ｊ的研究表明，剪切力在一定范围内对生物膜的影响很小。鉴于各种说法的不同，有研究者指出，在水力剪切力与生物膜脱落关系的研究中，水力剪切力都局限在较小的范围内，只要其达到某一“临界值”，必然会对生物膜的脱落产生影响¨６｜。笔者认为，剪切力对生物膜的形成、脱落都有重大影响。Ｌｉｕ等Ⅲｏ也指出，生物膜内的传质、胞外多聚物的产生、细胞的新陈代谢、基因特性以及生物膜结构都对生物膜的脱落有影响。新观点认为ｕ

８｜，

生物膜的脱落可以看作是膜内细菌对外部剪切力

的主动响应。

２．２载体特性对生物膜脱落的影响

对于载体特性（载体浓度、大小、表面特性）对生物膜脱落的影响，也有一些研究。Ｃｈａｎｇ等Ｍｊ、Ｇｊａｌｔｅｍａ等＂ｏ发现，反应器中载体浓度上升，颗粒间的磨擦加剧，生物膜的脱落率将增大，生物膜变得薄而致密。Ｇｊａｌｔｅｍａ等【＿刊还发现，当固体量保持在３０％以上时，生物膜脱落率与生物颗粒浓度和光载体颗粒浓度之间都呈线性增长关系¨Ｊ。而Ｔｉｊｈｕｉｓ

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方数据等¨刚在异养生物膜形成过程中观察到，生物膜脱落率与载体颗粒数之间是一个指数关系。但Ｋｗｏｋ等∽ｏ指出，在增长型系统中，颗粒浓度上升，生物膜脱落速率反而会下降，这与在非增长型系统中的情况刚好相反。在考察载体颗粒直径对脱落率的影响时，Ｇｊａｌｔｅｍａ等心刈研究发现，生物膜磨损率随颗粒直径的增大而显著增加。至于载体的表面特性的影响，Ｃｈａｎｇ旧。研究发现，以外形不规则和球形的活性炭作载体，当载体表面尚未完全覆盖生物膜时，外形不规则有助于防止生物膜的脱落，一旦载体表面被生物膜完全覆盖后，载体的表面特性对生物膜的脱落就无影响。而Ｇｊａｌｔｅｍａ等。刊认为，载体粗糙度会影响碰撞影响力，颗粒越光滑，碰撞越富有弹性，冲击力就越小，因而对脱落率的影响也越小。如果颗粒粗糙、形状不规则且带有尖边，碰撞的冲击力将更集中，更容易切人生物膜，从而更易引起生物膜的脱落。在综

合考察了载体表面特Ｉ生对生物膜脱落率的影响后，笔

者认为，多孔载体（比如沸石、多孔聚合物载体等）可能是最好的选择。对于多孔载体生物膜的脱落，杨平等¨刮在厌氧生物流化床中做了研究。

对于生物膜生长对脱落的影响，Ｓｐｅｉｔａｌ等旧３｜、Ｐｉｃｉｏｒｅａｎｕ等Ⅲｏ发现，在动态条件下，脱落率随生长率的提高而提高，生长快速的生物膜似乎更加脆弱，因而更易脱落。然而，Ｐｅｙｔｏｎ等旧１发现，在稳定状态条件下，生物膜脱落与生长达到平衡，且都取决于基质负荷率。生物膜脱落与生长相互关联，那些影响生物膜生长的因素（如基质表面负荷率、营养供应、传质等）也将对生物膜脱落产生影响。Ｔｉ—给基质和不供给基质将对脱落率产生重大影响，这一点与以前有的研究者在ＢＡＳＲ的研究中得出的结论刚好相反。原来认为，在ＢＡＳＲ中，脱落主要取决于碰撞而与基质负荷无关。Ｇｊａｌｔｅｍａ等¨１认为，生物膜表面负荷率和剪应力的比率决定了生物膜的结构，在适当的平衡情况下，可得到光滑致密的生物膜。在高表面负荷和低剪应力时，生物膜变出反应器。ＭａｓｈａｌｌⅢＪ，Ｄｅｌａｑｕｉｓ等旧７。发现，当营养２．３生物膜生长及其影响因素对生物膜脱落的影响

ｊｈｕｉｓ等旧纠实验发现，在同样的水动力学条件下，供得表面粗糙、内部多孔且富有生长发育不均衡的丝状菌。这种生物膜很容易发生脱落且容易被冲洗物质缺乏时，细菌细胞会脱落。相反，Ｊａｍｅｓ等旧８ｊ发现，在营养水平高时，细胞会脱落。而Ｐｅｙｔｏｎ等旧。发现，对稳定成熟的生物膜，脱落率在３个营养水平上与生长率相关，脱落率与营养消耗之间存

第１期肖鸿等．生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型

在函数关系。

量计算总体的生物膜脱落率（即出水中的悬浮固体２．４反应器构造对生物膜脱落的影响

质量／反应器中总的生物膜质量），但它不能反映局Ｇｊａｌｔｅｍａ等旧ｕ认为，反应器的底部构造对实验部的生物膜脱落。尽管后来采用了微尺度的流体通规模（小规模）反应器中生物膜的脱落有较大的影路以及运用了图象分析技术，但对这些微尺度的实响，而对大规模反应器而言，其影响不显著。

验而言，还是不可能将局部脱落现象与悬浮固体总３

生物膜脱落率的数学模型

体的质量守衡联系起来¨３｜。为了计算局部生物膜的脱落率，近２０多年来，不同的研究者提出了大量基于宏观质量守衡的实验方法虽然可以用来定

的生物膜脱落率数学模型（见表１）。

表１

生物膜脱落率数学模型

霉善

反应器类型脱落率数学模型

妻蒺

备注

３．１基于流体动力学的生物膜脱落率模型

落率的影响。有研究指出，剪切力的瞬间变化会影如前所述，流体的动力学特性对生物膜的脱落响生物膜脱落率，但这种影响是短暂的。也就是说有着重要的影响。尤其是针对剪切力与生物膜脱落剪切力突然增加，脱落率可能会随之陡然增加，但这率之间的关系，研究者作了不少的研究，提出了一些种情况会很快恢复正常。这也说明生物膜内的微生数学模型。如Ｒｉｔｔｍａｎｎ¨ｕ提出的模型１以及Ｂａｋｋｅ物对外部的剪切力变化有一定的主动回应能力。等旧刈提出的模型２就体现了剪切力对脱落率的影３．２基于生物膜生物学特性的生物膜脱落率模型

响。模型１中，脱落率与剪切力的０．５８次方成比生物膜的生物学特性包括生物膜的膜厚、膜组例，模型２中脱落率与剪切力则有着直接的正比关分密度、基质利用率、生物膜生长率等。从表１中可系。在模型１和２中，剪切力恒定在一个水平上，而以看出，模型４—７有一个共同点：脱落率与生物膜Ｐｅｙｔｏｎ等心。提出的模型３还考虑了剪切力变化对脱

的厚度之间存在一次或二次函数关系，表明生物膜

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厚度对脱落率有重大影响。不同的是模型４中研究的生物膜中微生物种类单一，基质种类也是单一的，而模型５—７中研究的生物膜内有多种微生物，显然，这是一个进步。然而，模型中仅仅体现生物膜密度、厚度的影响是远远不够的。以上的这些模型都没有考虑生物膜的生长率的影响，而Ｓｐｅｉｔａｌ等旧。提出的模型８以及Ｐｅｙｔｏｎ等旧。提出的模型９做到了这一点。模型９中体现了基质利用率、生物膜生长率、生物膜厚度对脱落率的影响。相对于以前提出的种种模型来说，该模型与实验数据的吻合程度

最高。

３．３其它生物膜脱落率模型

另外，Ｍｏｒｇｅｎｒｏｔｈ等∞２ｏ提出的模型１０还考虑

了生物膜脱落与时间的相关性。模型１～１０中考虑的影响因素还只是生物膜脱落影响因素的一部分，当考虑的因素越多时，脱落率表达式中包含的变量也越多。在此情况下，Ｎｉｃｏｌｅｌｌａ等旧副在建立生物膜脱落率模型时，运用了量纲分析的方法。通过量纲分析，可以缩小相关的实验变量数。基于该法，提出了模型１１，其中，Ｐ。，Ｐ：，Ｐ，为无量纲数组，Ｐ。＝

Ｐｌｄ。嘶，Ｐ２＝以／ｄ。，Ｐ３＝ｄ。ｂ。么，一旦参数Ｋ，０１１，ｏｔ２

确定，就可以通过方程１１计算脱落率。应该提到的还有Ｓｔｅｗａｒｔ基于概率的观点提出的脱落率模型１３，其中，根据五（ｚ）表达式的不同，可以衍生出一系列的脱落率表达式：当认为兀（ｚ）在整个生物膜内恒定时以（ｚ）＝ｋａ／Ａ。，得到模型１４；当引入位置（厚度）因素对＾（ｚ）的影响时，厶（ｚ）＝ｋｄ６（Ｚ—Ｚｄ）／Ａ。，得到模型１５；当引入生物膜生长率对五（ｚ）的影响

时，兀（ｚ）＝［瓦。ｐ（ｚ）＋如］／Ａ。，得到模型１６。另

外，在ＢＡＳＲ中，６ｊａｌｔｅｍａ等＂ｏ运用传统的颗粒碰撞理论来描述和定量生物膜的磨损脱落率，从而得到的模型１２也可以看作是一个理论意义上的脱落率数学模型。

在最近的研究报告中，Ｈｏｒｎ等¨副提出了一个最新的描述生物膜脱落率的模型（即模型１７）。在他们的研究中，生物膜生长和脱落被分为３个阶段：（１）同种类生物膜的厚度的指数增长阶段；（２）生物膜厚度有自然波动的近似稳定阶段；（３）剪应力增加，生物膜洗出阶段。对应每一个阶段，都提出了一个脱落率模型。模型中反映出：在阶段（１），脱落率与生长率成比例；在阶段（２），脱落被认为是一个随机事件，生物膜存在一个底线厚度；在阶段（３），剪应力增加前，认为脱落率是生物膜厚度的函数。该模型是至今为止最全面的一个反应生物膜脱落率的

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方数据模型。

以上提出的各种模型都是在特定的实验条件下得到的。它们虽然能比较合理地解释原实验得出的结果，但不一定与别的实验观察结果吻合。如在Ｔｉｊｈｕｉｓ等Ⅲｏ的实验中就对模型１、模型５～８做了验证。结果显示，由模型得出的结果跟实际观察到的结果并不一致，这也正说明了它们的实用性有待于进一步的验证。另外，可以看出，表１中提出的生物膜脱落率模型所涉及的反应器类型还不全面，如新型反应器ＵＳＢ，ＥＧＳＢ及Ｉｃ等并未包括在内。因此，必须针对这些反应器做进一步的研究，而且，这些模型多是一维的，它们尚不能很好地反映生物膜脱落这一复杂现象。

事实上，在各个模型的提出过程中，都对相关条件和参数做了一些假定和简化，如假定生物膜处于稳定状态，生物膜厚度始终保持不变以及假定水动力学条件不变、不存在传质限制等。而这些假定和

简化的合理眭正越来越多地受到质疑。不过，对研

究者来说，真正的挑战并不在于要建立包含尽可能多参数的模型，而是在于确定这些参数的显著性水平以及它们在不同过程中的重要性。这就要求研究者对不同模型进行对比分析，并在不断实验的基础上对模型进行优化。

４

结语

生物膜的脱落是影响生物膜形成的一个重要因

素。生物膜的脱落对于去除冗余的生物膜，维持生物膜的最佳厚度，提高生物膜的活性和转化率以及缩短反应器的启动周期都具有重要的意义。然而，目前有关生物膜脱落的研究总的来说还很不成熟。对生物膜的脱落机理、影响脱落的因素等都还有待于进一步深入研究，已建立的脱落率模型也大多是基于某些简单假设上的一维模型，二维模型都很少有报道，且这类模型还停留在实验研究的水平。因此，我们认为今后的研究工作重点为：深入研究不同生物膜反应器内脱膜的机理，发展二维和三维脱落模型；深入研究生物膜内微生物组成及其生物学行为；加强非稳定状态下，特别是生物膜反应器启动阶段及受冲击负荷情况下的生物膜脱落研究；增加生物膜脱落研究的反应器类型（如ＵＳＢ，ＥＧＳＢ及ＩＣ等）；以能实际运用于工程实践为目标，形成一套设计和操作准则。

随着人们对生物膜脱落认识的不断提高，生物膜法处理废水技术将得到进一步的完善，其应用也

第１期肖鸿等．生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型

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将更加广泛。

符号说明

Ａ反应器面积，ｍ２

Ａ因碰撞引起的生物膜总的磨损率，ｋｇ／ｓＡｄ颗粒的平均面积，ｍ２ｂ’比生物膜脱落系数

ｂｓ

生物膜脱落率，ｋｇ／（ｍ２?ｓ）以光载体直径，ｍ以生物膜颗粒直径，ｍ

兀（ｚ）

局域性脱落频率，ｓ～?ｍ～，（与生物膜内不同位置上细胞的生理学状态有关）单次碰撞的冲击力，ｋｇ?ｍ／ｓ２

脱落率与生长率的联系系数，值在０到１之间脱落率与时间的相关系数冲洗阶段的稳定脱落率系数脱落率系数

物理剪切率系数，ｋｓ／（ｍ３?ｓ）

生物学剪切率系数，ｋｇ／（ｍ３?ｓ）生物膜厚度，ｍ

平均底线生物膜厚度，ｍ洗出阶段的底线生物膜厚度，ｍ

碰撞频率，ｓ。体积流量，ｍ３／ｓ

生物膜脱落率，ｋｇ／（ｍ２?ｓ）生物膜中组分ｉ的脱落率进水基质浓度，ｋｇ／ｍ３反应器中基质浓度，ｋｇ／ｍ３流体流速，ｍ／ｓ平流速度，ｍ／ｓ生物膜密度，ｋｇ／ｍ３生物膜产率系数距离坐标液体密度，ｋｇ／ｍ３

生物膜中组分ｉ的密度，ｋｇ／ｍ３生物膜中组分ｉ的局域性密度，ｋｇ／ｍ３剪切力，ｋｇ?ｍ／ｓ２

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比生长率，Ｓ‘１与位置相关的函数

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ａｉｒｌｉｆｔｒｅａｃｔｏｒｓ．ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌＢｉｏｅｎｇ，１９９４，

４４（５）：５９５～６０８

Ｋｗｏｋ

ＷＫ，ＰｉｃｉｏｒｅａｎｕＣ，ＯｎｇＳＬ，ｅｔａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｉｏ一

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