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生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型
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 如前所述,流体的动力学特性对生物膜的脱落
有着重要的影响。尤其是针对剪切力与生物膜脱落 率之间的关系,研究者作了不少的研究,提出了一些 数学模型。如Rittmann¨u提出的模型1以及Bakke 等旧刈提出的模型2就体现了剪切力对脱落率的影 响。模型1中,脱落率与剪切力的0.58次方成比 例,模型2中脱落率与剪切力则有着直接的正比关 系。在模型1和2中,剪切力恒定在一个水平上,而 Peyton等心。提出的模型3还考虑了剪切力变化对脱
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。
量计算总体的生物膜脱落率(即出水中的悬浮固体 质量/反应器中总的生物膜质量),但它不能反映局 部的生物膜脱落。尽管后来采用了微尺度的流体通 路以及运用了图象分析技术,但对这些微尺度的实 验而言,还是不可能将局部脱落现象与悬浮固体总 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 的生物膜脱落率数学模型(见表1)。
[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
1 生物膜的脱落过程及其机理
1.1生物膜的脱落过程 生物膜是由固定在载体表面的细胞和细胞产物
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∞'4 J: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
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2 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M o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
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。
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u8|, 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。
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— jhuis等旧纠实验发现,在同样的水动力学条件下,供 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 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 出反应器。MashallⅢJ,Delaquis等旧7。发现,当营养 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
万方数据
落率的影响。有研究指出,剪切力的瞬间变化会影 响生物膜脱落率,但这种影响是短暂的。也就是说 剪切力突然增加,脱落率可能会随之陡然增加,但这 种情况会很快恢复正常。这也说明生物膜内的微生 物对外部的剪切力变化有一定的主动回应能力。 3.2基于生物膜生物学特性的生物膜脱落率模型
生物膜的生物学特性包括生物膜的膜厚、膜组 分密度、基质利用率、生物膜生长率等。从表1中可 以看出,模型4—7有一个共同点:脱落率与生物膜 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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化
工
环
保
ENVⅡtONMENTAL PR()1ECTION OF CHEⅣⅡCAL INDUSTRY
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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)
万方数据
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
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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ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY
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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