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[学术论文] 污水生物处理中生物膜传质特性的研究进展

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娜娜世界 发表于 2012-12-20 17:51:57 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题 · 来自 浙江杭州
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(Biofilm structure)
  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 Conceptual models of biofilm(a. Homogeneous biofilm,b.
  multinutrients and multispecies biofilm,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Deya et al. ,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,
  Representative elemental areas),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
  1581
  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
  (Nogueira et al. ,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
  Table 1 Microenvironment data at different depths in biofilms
  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 ~ 18 91 ~ 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(Mass transfer properties in the
  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. 2 mg·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,
  1582
  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(Van et al. ,1995;Schramm et al. ,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. 3 m·3 h - 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 (Sequencing Batch Biofilm
  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(Mass transfer impact
  factors in the biofilm)
  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(Conclusion and research prospects)
  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

精彩评论4

bypp123 发表于 2013-7-10 02:38:00 | 显示全部楼层 · 来自 印度尼西亚
我率天兵天将 将你打回原形~~~  
hbyq 发表于 2013-9-23 22:02:07 | 显示全部楼层 · 来自 柬埔寨
朕要休息了..............  
ximeixie 发表于 2023-6-25 13:15:52 | 显示全部楼层 · 来自 北京
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~
chaixc 发表于 2023-8-6 10:45:19 | 显示全部楼层 · 来自 福建泉州安溪
找了好久终于看到了
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