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标题: 污水生物处理中生物膜传质特性的研究进展 [打印本页]

作者: 娜娜世界 时间: 2012-12-20 17:51
标题: 污水生物处理中生物膜传质特性的研究进展
本帖最后由 johan_chan 于 2011-8-6 13:37 编辑

１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
  生物膜法是一类高效的污水生物处理技术，与
  传统的活性污泥污水生物处理技术相比，生物膜法
  具有许多优点：产生的污泥量少，不会引起污泥膨
  胀；对污水水质和水量的变动具有较好的适应能
  力；工艺系统运行管理较方便等．污水处理中，生物
  膜反应体系通常由液、气、固三相所组成，水污染物
  必须通过液、气、固之间的紊动产生传质，从而进行
  反应，因此，传质效果是影响生物膜法处理效果的
  重要因素之一．生物膜传质特性与生物膜结构和水
  力条件密切相关，研究三者之间的定性和定量关
  系，对于创造理想的传质条件，提高传质速率具有
  重要意义．
  ２　生物膜结构（Ｂｉｏｆｉｌｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）
  ２．１　生物膜结构模型
  对生物膜结构的认识，由早期的均质生物膜模
  型经分层生物膜模型，发展到目前被多数学者认同
  的异质生物膜模型．最早出现的生物膜模型是
  Ａｔｋｉｎｓｏｎ（１９６３）提出的均质模型，该模型建立的前
  提是，认为胞外聚合物和生物量是均一的（图１ａ），
  ８期周律等：污水生物处理中生物膜传质特性的研究进展
  即一维模型．而后针对多底物、多生物种群的生物
  膜，研究人员又提出了分层的一维生物膜模型
  （Ｎｏｇｕｅｒ，１９９９）（图１ｂ），其两者的本质区别在于沿
  生物膜深度方向上生物量的不均匀性．随着定量分
  析生物膜技术的发展，如共聚焦显微镜（ＣＬＳＭ）和
  微电极的应用，实现了对生物膜的动态三维成像，
  表征了生物膜内外沿深度方向（以及膜内部某深度
  上）特征参数的梯度分布情况（Ｚｈａｎｇ，１９９５）．在此
  基础之上，为了解释生物膜中微生物等的三维分
  布，且更准确的描述生物膜的结构和传质，出现了
  异质模型（Ｌｅｅ，２００４）（图１ｃ）．因此，当前在建立生
  物膜传质数学模型时应该考虑三维方向上的传质，
  而不仅是垂直于生物膜方向的传质．
  图１　生物膜概念模型示意图（ａ．均一生物膜；ｂ．多底物多种群
  生物膜；ｃ．异质生物膜）
  Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｂｉｏｆｉｌｍ（ａ．Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｂｉｏｆｉｌｍ，ｂ．
  ｍｕｌｔｉｎｕｔｒｉｅｎｔｓａｎｄｍｕｌｔｉｓｐｅｃｉｅｓｂｉｏｆｉｌｍ，ｃ．ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ
  ｂｉｏｆｉｌｍ）
  生物膜是由许多分散的“菌落群”、细胞代谢产
  物、不溶性固体颗粒和水等物质构成的一层具有流
  变性质的异质薄膜（Ｌｅｗａｎｄｏｗｓｋｉ，１９９５）．所谓“异
  质”是因为生物膜中孔（ｃａｖｉｔｙ）、空隙（ｖｏｉｄ）及通道
  （ｃｈａｎｎｅｌ）（ＭａｓｓｏｌＤｅｙａｅｔａｌ．，１９９５）的发现，以及生
  物膜密度沿深度方向增大的现象．对于异质生物膜
  形成的原因，有研究认为（Ｄｅｒｌｏｎ，２０１０），原生动物
  的捕食使得生物膜内出现空腔，易于形成异质结
  构；当缺乏原生动物的捕食，生物膜则形成平整均
  相的结构，其本质在于原生动物的捕食促进液相中
  微生物的生长，有助于形成开放和非均相的异质结
  构，异质结构越开放，生物膜可通过的营养物质量
  越大，传质效率越高．基于生物膜的异质性，生物膜
  内包含了多种形式的传质方式，在液相和空隙中营
  养物是通过对流和扩散原理传质的；在固相部分，
  即细胞实体中主要靠扩散传质．
  目前，生物膜结构的研究多集中在定量分析和
  观察形态两方面．定量分析多运用模型，Ｊｉａｎｇ
  （２００９）等论证了污染物转移和生物膜变化的模型，
  指出生物膜的密度与多孔性相关，通过联合运用荧
  光原位杂交（ＦＩＳＨ）和ＣＬＳＭ来预测生物膜的多孔
  性和空间结构，并利用生物膜中ＤＯ、ＮＨ３ Ｎ、ＮＯｘ和
  硫化物的空间浓度分布证实生物膜模型．生物膜结
  构的定量分析可以运用代表性单元面积法（ＲＥＡ，
  Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔａｌａｒｅａｓ），用相关度分析不同
  尺度的生物膜异质结构的尺度效应，研究表明
  （Ｍｉｌｆｅｒｓｔｅｄｔ，２００９），在生物膜中进行传质的有效深
  度是４００ μｍ．在生物膜结构的形态方面，研究人员
  （Ｘｉ，２００６）运用光学相干断层扫描技术（ＯＣＴ），对
  玻璃毛细管上的生物膜进行三维观察，发现在毛细
  管底部生长的生物膜结构具有空洞、外部突出和小
  菌落特点，而生长在毛细管顶部的生物膜相对平
  整，结构特点简单．以有机物为碳源形成的生物膜
  呈簇丛似的形态，以无机物为碳源形成的生物膜呈
  树状型的形态（Ｐｌｏｕｘ，２００７）．生物膜结构的定量分
  析集中于模型的建立和验证，模型的发展过程即为
  探索真实生物膜的过程，而生物膜结构的观察主要
  依赖于显微技术的发展，不同环境条件下的生物膜
  结构也是研究重点．
  ２．２　微环境
  在生物膜污水处理系统中，微生物种群结构、
  物质分布和复杂的生化反应构成微环境．与微生物
  所处的处理系统大环境相比，微环境更体现在生物
  膜上微生物的组成、分布以及理化指标．沿生物膜
  深度方向的微环境参数，如溶解氧扩散系数、膜密
  度、厚度、孔隙率等差异很大，如表１所示．
  基于膜结构的不均匀性和微环境的复杂性，利
  用基质浓度和水力条件控制生物膜微环境，实现生
  物膜的有效传质．有研究（Ｈｗａｎｇ，２０１０）采用通入氨
  气控制生物膜，保持膜厚度平均在２７０ μｍ，使得生
  物膜的生长和脱落达到一个平衡，实现生物膜的自
  养反硝化．当生物膜超过一定厚度，约为２０００ μｍ
  之后，因为传质效率的降低导致总氮去除率开始不
  断下降（赵旭东，２００９）．
  生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组
  成，由于传质限制，生物膜内微生物的分布具有明
  显的空间性．生物膜表层形成好氧层，好氧菌属占
  优势，沿生物膜深度方向逐渐形成兼性层和厌氧
  层，以兼性菌居多，但是对于生物膜整体而言，由于
  生物膜的形成起始于异养细菌大量分泌的胞外多
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  环　　境　　科　　学　　学　　报３１卷
  糖的积累，因此异养细菌在生物膜上为优势种群菌
  （Ｎｏｇｕｅｉｒａｅｔａｌ．，２００２；康春莉，２００５）．研究发现
  （王磊，２００８），在低溶解氧条件下（０．２～１．５
  ｍｇ·Ｌ－１），移动床生物膜反应器（ＭＢＢＲ）系统中异
  养菌的数量与传统生物膜反应器的相当，说明低溶
  解氧对生物膜内异养菌群总量的影响不大，只是对
  菌群起到了重新分布的作用，使更适应低溶解氧环
  境的微生物占据主导地位，这也是生物膜在低溶解
  氧条件下仍具有较高除污效率的主要原因．而对于
  不占优势的自养菌，生物膜呈现明显的分层结构，
  亚硝酸菌主要生长在好氧区，厌氧氨氧化菌主要生
  长在厌氧区，在好氧区亚硝酸菌与硝酸菌能够共
  存，并且随着生物膜不断增厚，硝酸菌逐渐消亡（赵
  旭东，２００９）．Ｓｃｈｒａｍｍ（２０００）等将ＦＩＳＨ和微传感器
  相结合，揭示了在生物膜的好氧部分（膜厚＜２００
  μｍ）氨和亚硝酸的浓度都很高，在生物膜好氧和缺
  氧的界面上（膜厚在２００～３００ μｍ），硝酸菌（ＮＯＢ）
  菌群占优势，β 亚纲亚硝酸菌（βＡＯＢ）的丰富度
  （种群个数）低，在缺氧的生物膜部分（膜厚在３００～
  ６００ μｍ），所有ＮＯＢ菌群的丰富度都很低．
  表１　生物膜不同深度的微环境参数
  Ｔａｂｌｅ１　Ｍｉｃｒｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｄａｔａａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓｉｎｂｉｏｆｉｌｍｓ
  参数膜表面膜深层文献
  有活性的细胞占总生物量比例７２％～９１％３１％～３９％（Ｚｈａｎｇ，１９９４）
  生物膜密度（单位生物膜体积中总固体重量／（ｇ·ｃｍ－３））８～１８９１～１０８（于国忠，２００８）
  孔隙率８４％～９３％５８％～６７％（Ｚｈａｎｇ，１９９４）
  溶解氧浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）５．８接近０（周小红，２００７）
  溶解氧扩散系数９０％２５％（Ｚｈａｎｇ，１９９４）
  厌氧过程水解和发酵产酸产氢（据生物膜
  表面１００μｍ处）产甲烷（ｓａｔｏｈ，２００８）
  　　除了溶解氧影响生物膜内微生物的分布，生物
  膜本身也能够基于不同的污水处理工艺特点，对不
  同类型的微生物进行筛选和富集．有研究表明
  （ＯｎｎｉｓＨａｙｄｅｎ，２０１０），固定生物膜活性污泥法联
  合强化生物除磷的系统中，聚磷菌在悬浮混合液和
  附着载体上的数量分别占各自总细菌数的１５．８％
  ± １．４％和４％ ± １％；然而发生在附着载体上的硝
  化作用占总硝化作用的８５％，这是因为ＡＯＢ、ＮＯＢ
  能较长时间的附着在载体上，充分发挥污泥龄长的
  优势．
  ３　生物膜传质特性（Ｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｔｈｅ
  ｂｉｏｆｉｌｍ）
  生物膜的传质阻力主要集中在气液、液固及
  固相（生物膜）３部分．固相内部扩散一般称为内传
  质；氧与底物通过液相主体与界面到达固相表面的
  扩散，称为外传质．
  ３．１　内部传质
  早期对生物膜内传质的研究认为，均质生物膜
  内的传质方式主要是扩散，扩散方向是垂直于基体
  表面．随着生物膜中孔洞和空隙的发现，目前研究
  者认为扩散和对流是两种最主要的传质方式．在细
  胞实体内传质方式为扩散（Ｂｅｅｒ，１９９４），而在孔穴
  内，传质方式既有扩散，也有对流．
  生物膜内部传质研究集中在对氧传质规律的
  研究，主要以溶解氧分布和限制性溶解氧为研究对
  象．在生物膜三维结构中，溶解氧浓度的分布差异
  性较大，规律性不强（Ｙｕ，２００４），这也反映出膜内不
  同深度处的有效扩散系数差异很大．Ｂｅｅｒ（１９９４）等
  采用微氧电极结合ＣＬＳＭ对生物膜内各点的氧气浓
  度进行了测量，发现氧浓度在生物膜内的分布很不
  均匀，“菌落群”和其周围空隙中的氧浓度相差很
  大．溶解氧在膜／水界面的扩散系数为水中扩散系
  数的９０％，而在膜深层，该系数降到２５％左右
  （Ｚｈａｎｇ，１９９４）．邱玉琴（２００８）等，以溶解氧浓度作
  为限制性因素研究微生物半饱和系数，其数值大于
  国际水协（ＩＷＡ）推荐的悬浮生长的异养菌氧半饱
  和系数０．２ｍｇ·Ｌ－１，这体现了生物膜传质阻力的效
  应．在ＭＢＢＲ反应器中生物膜内ＤＯ的限制导致硝
  化过程受阻（王怡等，２００７），使其氨氮去除效率低
  于活性污泥反应器．但是近年来研究者（王宇，
  ２００５）发现曝气强度过大，氧传质系数在出现最大
  值后逐渐减小，因为曝气强度过大，气泡易发生聚
  并、膨胀，以很高的速度流过床体、溢出水面，传质
  效率下降．可见，在生物膜中很难界定溶解氧的范
  围，这与其复杂的生物膜结构有关．
  氮元素在生物膜内的传质过程也是研究重点，
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  ８期周律等：污水生物处理中生物膜传质特性的研究进展
  研究发现（Ｖａｎｅｔａｌ．，１９９５；Ｓｃｈｒａｍｍｅｔａｌ．，１９９７），
  生物膜表层的铵盐浓度较高，但该层却没有硝化细
  菌，硝化细菌主要分布于距生物膜表面１００ μｍ处，
  因此氧与铵盐向膜内的扩散效率是决定硝化作用
  的主要因素．传质方式也是影响氨化和硝化作用的
  因素，在溶解氧限制的条件下，通过氧气在生物膜
  中的同向扩散（氧气从生物膜的外层传输到内层）
  和反向扩散（氧气从生物膜的内层传输到外层）实
  现硝化过程．在同向扩散的生物膜中硝化作用明
  显，而在反向扩散的生物膜中硝化作用较弱（Ｗａｎｇ，
  ２００９），说明氧扩散系数主要影响硝化作用．为了增
  大扩散系数，可以通过向ＭＢＢＲ中通入ＮＯ２气体
  （刘靖，２００７），提高扩散效率，使总氮转化率提高
  ７．７３％．
  ３．２　外部传质
  早期对于生物膜外传质的研究采用双膜理论，
  氧与底物及代谢产物在液相主体中以对流扩散迅
  速达到宏观混合均匀，然后在Ｆｉｃｋ扩散的作用下，
  实现微细部的浓度扩散．随后，氧与底物以及代谢
  产物通过生物膜外的滞流液膜，到达生物膜与液体
  界面，并通过界面的传递扩散，进入生物膜内部．其
  上述传质过程的阻力主要来自双膜，增加流动主体
  的湍动度有利于降低膜厚，减少其扩散阻力．随着
  氧微电极的发展，发现双膜理论并不能很好地描述
  膜外边界层传质，理由是氧在边界层内的浓度并非
  是线性分布，并且边界层厚度大多数情况下并非是
  常数，而是随着液体流速变化．因此，有学者（Ｈｏｒｎ，
  １９９８）认为生物膜外传质应该考虑对流传质的影
  响，并试图利用舍伍德数（舍伍德数反映了对流传
  质与扩散传质的比率）来描述膜外传质．但是在生
  物膜系统中很难描述生物膜表面情况，Ｈｏｒｎ（２００２）
  等利用氧微电极对生物膜外浓度边界层内传质进
  行了研究，认为由于底物在生物膜表面存在生化反
  应，所以浓度边界层内的传质系数比由流体力学计
  算出的值高出一个数量级．
  目前，对生物膜外传质的研究主要集中在相界
  面和滞留液膜（滞流液膜一般是指靠近相界面的氧
  与底物浓度的迅速改变区，其厚度被定义为液膜厚
  度δ）．针对液相中的传质规律，增加液相湍动可使
  滞流液膜变薄，有利于减少扩散阻力．因此，可加入
  一定量的促进剂，如：水杨酸、胆酸盐、螯合剂、酰基
  肉碱等，使Ｍａ＞０（Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应无因次数），提高
  界面湍动（马友光，２００４）；Ｍｕｄｌｉａｒ（２００８）等提出填
  料性能与相界面湍动有关，悬浮填料主要是通过气
  泡大小和气液相界面来影响氧气传质速率，当曝气
  强度是０．３ｍ·３ｈ－１，填充率为３０％～５０％时，单位体
  积氧传质系数均能达到最大值，具有较好的氧传质
  效果和较高的氧气传质速率（Ｊｉｎｇ，２００９）．
  生物膜的外部传质对脱氮除磷的影响主要集
  中在氧的传质能力．曝气量是影响生物除磷效果的
  一个重要因素，为了满足生物膜内聚磷菌对氧的需
  求量，必须提高液相主体中溶解氧的含量，选择适
  宜的曝气量能够促进生物膜的脱落与更新（荣宏
  伟，２００８），起到调控污泥龄的作用，从而增强生物
  除磷的稳定性．在ＳＢＢＲ（ＳｅｑｕｅｎｃｉｎｇＢａｔｃｈＢｉｏｆｉｌｍ
  Ｒｅａｃｔｏｒ）中，由于生物膜中氧传质的限制，７９％的聚
  β 羟基丁酸盐积累在只有２０％的悬浮污泥中
  （Ｎｏｇｕｅｉｒａ，２００９），而生物膜中的积累量很少．在脱
  氮方面，氧的有效传递强化了硝化效果，但是，以有
  机物、硫化物为电子供体的反硝化作用来说，需要
  控制氧的传质实现反硝化，以水解氢（分子氢或者
  活性原子氢）为电子供体的反硝化作用也需要限制
  氧的传递．例如电极生物膜法，有研究表明（Ｂｕｔｌｅｒ，
  ２０１０），生物膜阳极积累的氧气含量虽然很少，但
  是，由普通阴极构成的微生物燃料电池，其阳极的
  氧扩散系数比由耐氧扩散层阴极构成的微生物燃
  料电池高出两倍多，氧的有效传递反而限制了反应
  的运行效能，同时降低了阳极产电微生物的丰富
  度，因此限制氧的传递对反硝化是非常重要的．
  ４　生物膜传质影响因素（Ｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｉｍｐａｃｔ
  ｆａｃｔｏｒｓｉｎｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍ）
  ４．１　生物膜结构
  生物膜结构对传质的影响主要表现在两方面，
  第一，生物膜的异质结构加剧传质梯度．由于营养
  物在向生物膜内部扩散的过程中，会形成一定的浓
  度梯度，同时营养物质在扩散过程中也会被微生物
  所摄食分解，更加剧了这一浓度梯度．Ｓｉｅｇｒｉｓｔ和
  Ｇｕｊｅｒ（１９８５）认为，生物膜是由以涡流扩散为主的松
  散的上层和以分子扩散为主的紧密的下层构成，由
  于松散的上层中涡流扩散的作用远远大于分子扩
  散的作用，因而随着膜厚的增加，扩散系数会随着
  涡流扩散作用的增大而增加．Ｂｅｙｅｎａｌ（２００５）研究了
  一种用生物膜的层状特点分析非均相生物膜的模
  型，分析表明，在非均相生物膜中的扩散率呈线性
  变化，且越靠近底部越低，非均相生物膜比均相生
  物膜有较高的有效扩散率梯度和较低的活性．第
  １５８３
  环　　境　　科　　学　　学　　报３１卷
  二，生物膜的孔、空隙及通道结构会加剧对流传质．
  多孔道的结构使得生物膜的比表面积增大且浓度
  分布不均匀，加剧了湍流，则流体内部传质将以涡
  流扩散方式进行，这时扩散速率是比较快的．Ｂｅｅｒ
  （１９９４）等试验发现，由于生物膜中存在有空隙，从
  空隙中传递到菌胶团的氧的数量和从液相中传递
  到菌胶团的氧的数量在数量级上是相等的．正是由
  于膜内有空隙、通道，流体在通道内形成了对流，从
  而增大了局部传质系数．
  ４．２　水力条件
  水力条件影响膜外浓度边界层的厚度，进而影
  响膜外传质．在不同流速下，生物膜的内部结构不
  同，主要原因是流速影响内部传质速率和营养物的
  分布．液体的流速通常用雷诺数来表征，高雷诺数
  下，流动边界层和浓度边界层厚度均减小，膜外传
  质阻力也相应减小；相反，低雷诺数下，浓度边界层
  厚度增大，膜外传质阻力也增大，并使得生物膜表
  面更加粗糙（李宇，２００７）．溶解氧微电极研究
  （Ｓｔｏｏｄｌｅｙ，２０００）表明，当主体流速大于０．０４ｍ·ｓ－１
  时，生物膜表面的流体流动为湍流，从而达到强化
  传质的目的．
  水力条件影响生物膜最大厚度，致密的生物膜
  将会减小液相与生物膜间的传质，因为流速的大小
  直接导致流体剪切力的大小，而流体剪切力（Ｋｉｍａ，
  ２０１０）是影响细菌附着和生物膜脱落的直接因素．
  Ｈｏｒｎ（１９９８）等发现，在管式反应器中，当雷诺数超
  过３０００～４０００，生物膜厚度限制在８００ μｍ左右不
  再生长．研究表明（Ｂｅｙｅｎａｌ，２００８），在低流速环境条
  件下生长的生物膜密度低，扩散性高，但不能抵抗
  高的水力剪切力；在高流速环境条件下生长的生物
  膜密度高，能抵抗高的水力剪切力，但扩散性低．
  ５　结语与展望（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｓｐｅｃｔｓ）
  生物膜法是一种有效的污水处理方法，生物膜
  结构的异质性和微生物分布的复杂性，为生物膜的
  内部传质和外部传质提供了良好的微环境，内部传
  质研究集中在对氧传质规律的研究，通过控制曝气
  强度以增大传质系数，外传质的研究集中在如何改
  善相界面和滞留液膜，通过控制水力条件以减小传
  质阻力和强化湍动，针对生物膜法脱氮除磷的功
  能，传质研究集中在微生物的分布和物质转化方面．
  生物膜处理技术虽然在水处理中应用十分广
  泛，但有关生物膜的许多机理和作用的研究还不甚
  成熟，传质过程与运行效果的结合有待探索．因此，
  应该在传质机理和流体力学两方面展开研究：
  １）生物膜内物质的循环规律，特别是除了氧气
  外其它基质在生物膜内的传递情况．一方面可以利
  用微电极和显微观察技术跟踪物质循环，推导得出
  生物膜数学模型的参数，另一方面研究生物膜的能
  量传递其根本目的在于指导理论实践，例如，如何
  将微生物保持在能量分离状态，避免生物膜脱落而
  造成的水质变化．
  ２）生物膜群落分布与物质代谢的关系，由于生
  物膜的种群分布不是一种简单的组合，而是根据生
  物膜整体代谢功能最优化原则有机配置而成的，那
  么如何控制环境条件形成最优的微生物群落分布
  对于提高污水处理效率是十分有意义的．
  ３）以物理和化学方法为基础，研究生物膜的多
  相体系的协同作用及对传质效果的影响；以多相流
  体力学传质机理为理论基础，建立流动及传输特性
  的多相混合模型，获得生物膜净化效率的理论计算
  方法；针对不同反应器的流体力学特点，提出不同
  类型的生物膜传质模

作者: bypp123 时间: 2013-7-10 02:38
我率天兵天将将你打回原形~~~

作者: hbyq 时间: 2013-9-23 22:02
朕要休息了..............

作者: ximeixie 时间: 2023-6-25 13:15
提醒大家：有问题就右上角搜一下，能开阔思路、还能涨涨见识~

作者: chaixc 时间: 2023-8-6 10:45
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