生物膜PPT资料.ppt
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在生物膜内、外,生物膜与水层在生物膜内、外,生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。
之间进行着多种物质的传递过程。
1、空气中的、空气中的氧氧溶解于流动水层溶解于流动水层中,从那里通过附着水层传递给中,从那里通过附着水层传递给生物膜,供微生物呼吸;
污水中生物膜,供微生物呼吸;
污水中有机污染物有机污染物BOD则由流动水层则由流动水层传递给附着水层,然后进入生物传递给附着水层,然后进入生物膜,并通过细菌的代谢活动而被膜,并通过细菌的代谢活动而被降解,污水逐步得到净化。
降解,污水逐步得到净化。
2、微生物的代谢产物如、微生物的代谢产物如H2O等等则通过附着水层进入流动水层,则通过附着水层进入流动水层,并随其排走,而并随其排走,而CO2和厌氧层分和厌氧层分解产物如解产物如H2S、NH3以及以及CH4等等气态代谢产物则从水层逸出进入气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。
空气中。
生物膜的形成及其净化生物膜的形成及其净化机理机理生物膜的形成及其净化生物膜的形成及其净化机理机理根据根据Characklis的研究,生物膜的积累形成是一系列物理、化的研究,生物膜的积累形成是一系列物理、化学和生物过程综合作用的结果。
即:
学和生物过程综合作用的结果。
1.废水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面输送;
废水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面输送;
2.废水中的浮游微生物细胞在载体表面的不可逆吸附;
废水中的浮游微生物细胞在载体表面的不可逆吸附;
3.生长在生物膜内部的微生物对废水中营养物的利用与氧化分生长在生物膜内部的微生物对废水中营养物的利用与氧化分解。
解。
生物膜成熟的标志:
生物膜沿水流方向分布,在其上由细菌及各种微生物组成的生生物膜沿水流方向分布,在其上由细菌及各种微生物组成的生态系统及其对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定的状态。
从态系统及其对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定的状态。
从开始形成到成熟,生物膜要经历潜伏和生长两个阶段,一般的城开始形成到成熟,生物膜要经历潜伏和生长两个阶段,一般的城市污水,在市污水,在20左右的条件下大致需要左右的条件下大致需要30d的时间。
的时间。
当生物膜达到当生物膜达到2mm时,内部因溶解氧不足而出现时,内部因溶解氧不足而出现厌氧层厌氧层,厌厌氧层逐渐加厚,代谢产物向外侧逸出透过好氧层,氧层逐渐加厚,代谢产物向外侧逸出透过好氧层,好氧层好氧层生态系生态系统的稳定状态遭到破坏,好厌氧两种膜层之间的平衡关系破坏,统的稳定状态遭到破坏,好厌氧两种膜层之间的平衡关系破坏,又因气态代谢产物的不断逸出,减弱了生物膜在惰性载体上的固又因气态代谢产物的不断逸出,减弱了生物膜在惰性载体上的固着力,处于这种状态的生物膜即为着力,处于这种状态的生物膜即为老化生物膜老化生物膜,老化生物膜净化,老化生物膜净化功能较差而且易于脱落。
功能较差而且易于脱落。
生物膜脱落后生成新的生物膜,新生生物膜必须在经过一段时生物膜脱落后生成新的生物膜,新生生物膜必须在经过一段时间后才能充分发挥其净化功能间后才能充分发挥其净化功能比较比较理想的情况理想的情况是:
减缓生物膜的老化进程,不使厌氧层过分是:
减缓生物膜的老化进程,不使厌氧层过分增长,加快好氧膜的更新,并且尽量使生物膜不集中脱落。
增长,加快好氧膜的更新,并且尽量使生物膜不集中脱落。
生物膜的形成及其净化生物膜的形成及其净化机理机理2.2.生物膜增长的一般描述生物膜增长的一般描述生物膜的增长过程生物膜的增长过程一般认为与悬浮微生物的增长过程相似。
一般认为与悬浮微生物的增长过程相似。
主要经历:
适应期、对数增长期、稳定期和衰减期适应期、对数增长期、稳定期和衰减期。
法国法国Capdeville教授等人于教授等人于1990年左右对生物膜的增长过程进行年左右对生物膜的增长过程进行了详细的划分,认为生物膜整个增长过程由如下了详细的划分,认为生物膜整个增长过程由如下六个阶段六个阶段组成:
组成:
1.潜伏期或适应期潜伏期或适应期2.对数增长期或动力学增长期对数增长期或动力学增长期3.线性增长阶段线性增长阶段4.减数增长期减数增长期5.生物膜稳定期生物膜稳定期6.脱落期脱落期2.1潜伏期或称适应期潜伏期或称适应期这一阶段是微生物在经历不可逆附着过程后,开这一阶段是微生物在经历不可逆附着过程后,开始逐渐适应生存环境,并在载体表面逐渐形成小的、始逐渐适应生存环境,并在载体表面逐渐形成小的、分散的微生物菌落。
这些初始菌落首先在载体表面分散的微生物菌落。
这些初始菌落首先在载体表面不规则处形成。
这一阶段的持续时间取决于不规则处形成。
这一阶段的持续时间取决于进水底进水底物浓度物浓度以及以及载体表面特性载体表面特性。
在实际生物膜反应器启动时,要控制这一阶段是很在实际生物膜反应器启动时,要控制这一阶段是很困难的。
困难的。
2.2对数期或称动力学增长期对数期或称动力学增长期在适应期形成的分散菌落开始迅速增长,逐渐搜盖载体表面。
在在适应期形成的分散菌落开始迅速增长,逐渐搜盖载体表面。
在此阶段由于有机物、溶解氧及其它营养物的此阶段由于有机物、溶解氧及其它营养物的供给超过了消耗的需要供给超过了消耗的需要,固着微生物以最大速度在载体表面增长。
一般在动力学增长期固着微生物以最大速度在载体表面增长。
一般在动力学增长期末,末,生物膜厚度可达几十个微米。
生物膜厚度可达几十个微米。
这一阶段的这一阶段的主要特点主要特点是:
是:
11、生物膜多聚糖及蛋白质产率增加;
生物膜多聚糖及蛋白质产率增加;
22、底物浓度迅速降低,即污染物降解速率很高;
底物浓度迅速降低,即污染物降解速率很高;
33、大量的溶解氧被消耗;
(在此阶段后期,大量的溶解氧被消耗;
(在此阶段后期,供氧水平供氧水平往往成为底往往成为底物进一步去除的物进一步去除的限制性因素限制性因素)44、生物膜量显著增加(在显微镜下观察到的生物膜量显著增加(在显微镜下观察到的生物膜主要由细菌等生物膜主要由细菌等活性微生物活性微生物组成);
组成);
大量实验事实表明在此阶段结束时,生物膜反应器的大量实验事实表明在此阶段结束时,生物膜反应器的出水底物浓度基本达到其稳定值,这意味着出水底物浓度基本达到其稳定值,这意味着生物膜去除底生物膜去除底物的能力亦趋于最大物的能力亦趋于最大。
可见,可见,在生物膜反应器实际运行中,动力学增长阶段在生物膜反应器实际运行中,动力学增长阶段起着非常重要的作用起着非常重要的作用,它决定了生物膜反应器内底物的去,它决定了生物膜反应器内底物的去除效率及生物膜自身增长代谢的功能。
除效率及生物膜自身增长代谢的功能。
2.2对数期或称动力学增长期对数期或称动力学增长期2.3线性增长阶段线性增长阶段在此阶段,生物膜增长曲线上出现一线性增长阶段,在此阶段,生物膜增长曲线上出现一线性增长阶段,即生物膜在载体表面以即生物膜在载体表面以恒速率增长。
恒速率增长。
这一阶段的重要特点有:
11、出水底物浓度不随生物量的积累而显著变化;
出水底物浓度不随生物量的积累而显著变化;
22、其好氧速率保持不变;
其好氧速率保持不变;
33、在载体表面形成完整的生物膜三维结构。
在载体表面形成完整的生物膜三维结构。
许多学者将生物膜的生物量按照生物活性划分为两类:
(11)活性生物量(活性生物量(MMaa):
):
主要负责降解进水底物,它处于新生菌主要负责降解进水底物,它处于新生菌落及已经存在菌落的表面和边缘部分;
落及已经存在菌落的表面和边缘部分;
(22)非活性生物量(非活性生物量(MMii):
代表在底物降解过程中不再起任何作代表在底物降解过程中不再起任何作用的生物膜量。
这些非活性生物量主要集中在菌落内部。
用的生物膜量。
生物膜的生物量生物膜的生物量MMbb可以表示为:
可以表示为:
Mb=Ma+Mi2.3线性增长阶段线性增长阶段MaMa及及MMii在生物膜内的分布在生物膜内的分布大量实验表明,在生物膜动力学增长期末,活性生物量已经达大量实验表明,在生物膜动力学增长期末,活性生物量已经达到最大值(到最大值(MaMa)maxmax,与此对应,生物膜反应器应在液相达到稳态。
,与此对应,生物膜反应器应在液相达到稳态。
而而生物膜线性阶段的生物膜总量的积累主要源于非活性物质生物膜线性阶段的生物膜总量的积累主要源于非活性物质。
此时。
此时生物膜内活性生物量所占比例很小,且随生物膜总量的增长呈下降生物膜内活性生物量所占比例很小,且随生物膜总量的增长呈下降趋势。
一般非活性物质在生物膜内的积累因生物膜菌种特性及环境趋势。
一般非活性物质在生物膜内的积累因生物膜菌种特性及环境条件不同而变化。
条件不同而变化。
导致非活性物质在生物膜积累的主要原因导致非活性物质在生物膜积累的主要原因:
可剩余有效载体表面可剩余有效载体表面饱和;
随着生物膜中细菌密度的增长,禁锢作用变得较为明显;
有饱和;
有毒或抑制性产物的积累,使部分活性生物量受到抑制或丧失了其生毒或抑制性产物的积累,使部分活性生物量受到抑制或丧失了其生理活性理活性。
2.3线性增长阶段线性增长阶段ChristensenChristensen等人(等人(19881988)同时提出,存在于生物膜微)同时提出,存在于生物膜微生存环境中的代谢产物以及在生物膜内的二级代谢产物可生存环境中的代谢产物以及在生物膜内的二级代谢产物可能对细菌活性起到抑制或毒性作用,致使微生物失去活性,能对细菌活性起到抑制或毒性作用,致使微生物失去活性,丧失分解底物的能力。
丧失分解底物的能力。
从实用角度讲,生物膜的线性积累阶段对底物去除并从实用角度讲,生物膜的线性积累阶段对底物去除并没有明显的贡献。
没有明显的贡献。
然而在流化床反应器中,生物膜的线性然而在流化床反应器中,生物膜的线性增长可以改变生物颗粒的体积特性。
增长可以改变生物颗粒的体积特性。
2.3线性增长阶段线性增长阶段2.4减数增长期减数增长期由于由于生存环境质量生存环境质量的改变以及的改变以及水力学作用水力学作用,这一段内生物膜增长,这一段内生物膜增长速率逐渐放慢。
减速增长期是生物膜在某一质量和膜厚上达到稳定速率逐渐放慢。
减速增长期是生物膜在某一质量和膜厚上达到稳定的的过渡期过渡期。
在减速增长期,生物膜对水力学剪切作用极为敏感,水。
在减速增长期,生物膜对水力学剪切作用极为敏感,水力剪切作用限制了新细胞在生物膜内的进一步积累,生物膜增长开力剪切作用限制了新细胞在生物膜内的进一步积累,生物膜增长开始与水力剪切作用形成动态平衡。
尤其在高溶解氧生物膜反应器中,始与水力剪切作用
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