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1、 1 第二章微生物在载体表面的固定机理 主讲 xxxPPT制作 xxx 2 微生物固定的一般过程 目录 微生物固定动力学 硝化细菌在在体表面的固定措施 影响微生物固定的重要因素 3 微生物固定的一般过程 2 1 液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送可逆附着不可逆附着固定微生物增长 形成生物膜 没有附着的微生物 图1 微生物在载体表面固定的一般过程 4 液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送可逆附着不可逆附着固定微生物增长 形成生物膜 5 细菌从液相向载体表面的运送 主要通过以下两种方式完成 1 主动运输 指细菌借助水力动力学及各种扩散力向载体表面迁移 2 被动运输 由布朗运动 细菌自身运动 重力
2、或沉降作用完成的 微生物向载体表面运送 6 液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送可逆附着不可逆附着固定微生物增长 形成生物膜 7 可逆附着 在细菌与载体表面接触的最初阶段 微生物与载体间首先形成的是可逆附着 微生物在载体表面的可逆附着实际上反映的是附着与脱析的双向动态过程 原因 环境中存在的水力学力或是简单的布朗运动或是细菌自身的运动都可能使已附着在载体表面的细菌重新返回悬浮液相中去 一般讲 造成这种可逆附着过程的力主要是物理及化学相互作用 8 表一 导致微生物可逆吸附的各种引力和斥力 总而言之 微生物可逆附着取决于微生物与载体表面间力的作用强度 9 液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送可逆附
3、着不可逆附着固定微生物增长 形成生物膜 10 不可逆附着 不可逆附着过程通常是由于微生物分泌一些粘性代谢物质所造成的 例如多聚糖等 这些体外多聚糖类物质起到了生物 胶水 作用 因此 这阶段附着的细菌不易被中等水力剪切力所冲刷掉 事实上 可逆与不可逆附着的区别在于是否有生物聚合物参与细菌与载体表面间的相互作用 不可逆附着是形成生物膜群落的基础 11 微生物固定动力学 2 2 一 可逆附着动力学 式中a1 a2 细菌附着及反附着常数 微生物在载体表面的可逆附着过程主要是一种物理化学力起作用的过程 即可归结成物理化学反应动力学问题 微生物在载体表面的可逆附着过程 12 图2 亚硝化细菌在PE PP及
4、PS表面积累曲线 Liu 1994 13 根据图2表明 亚硝化细菌的附着过程遵循一级可逆反应动力学 Liu明确提出微生物在载体表面的可逆附着行为遵守一级可逆反应动力学准则 微生物附着固定速度可表示为 14 二 微生物不可逆附着模型 已附着 固定的微生物开始其各种生理活动 可用如下过程模式描述 式中a3 生物膜或固定微生物净积累常数 T 1 其实验结果表明在生物膜形成初期 生物量积累过程遵循一级反应动力学 见图3 15 图3 生物膜积累随时间变化 Re 17200以及 0 28h 1 16 在一个连续运行的生物反应器中 早期生物膜形成速率主要依赖以下两个因素 意识微生物与载体表面接触频度 再则是
5、悬浮微生物的增长活性 大量实验表明 微生物与载体间接触频度直接取决于悬浮微生物浓度 微生物体的性质及水力学强度 这些通常由可测定的悬浮微生物浓度 X 和雷诺数 Re 表示 至于悬浮微生物活性可通过其增长比速度 来描述 17 影响微生物固定的重要因素 2 3 影响微生物在载体表面附着 生长的因素可归纳为三大类 即微生物自身的性质 载体表面的性质以及环境特性 表二 影响微生物在载体表面固定的因素 18 结合动力学模型重点讨论以下几种因素对微生物附着 固定的影响 一 悬浮微生物浓度 图4 悬浮消化细菌浓度对a的影响 19 图5 悬浮消化细菌浓度对Bmax的影响 20 二 液相PH 除了等电点以外 细
6、菌表面在不同环境下带有不同的电荷 液相环境中 pH的变化将直接影响微生物的表面电荷特性 当液相pH大于细菌等电点时 细菌表面由于氨基酸的电离作用而呈负电性 当液相pH小于细菌等电点时 细菌表面呈正电性 21 图6 液相pH对硝化细菌固定速率的影响 22 图7 液相pH对硝化细菌在不同载体表面的Bmax影响 23 三 液相离子强度 液相离子强度由下式计算I S 0 5CiZi2式中 I S 离子强度 Ci 离子i的浓度 ML 3 Zi 离子i的电荷数 24 图8 液相离子强度对a影响 25 图9 液相离子强度对Bmax的影响 26 随着离子强度的增加 硝化细菌与载体表面的分离作用趋于最小 有关离
7、子强度对微生物在悬浮相中稳定的影响 胶体化学中的DLVD理论提供了定性及定量的解释 见图10 图10 在不同离子强度下细菌与载体表面间相互作用能的变化 27 四 悬浮微生物的活性 我们通常采用微生物的比增长率 来描述微生物的活性 即单位质量微生物的增长繁殖速率 在研究微生物活性对生物膜形成最初阶段的影响时 关键是如何控制悬浮微生物的比增长率 28 图11 不同活性下硝化细菌在PS表面固定动力学 29 图12 不同活性下多聚糖在PS表面积累动力学 30 图13 悬浮硝化细菌比活性 与硝化生物膜初始形成速率的关系 五 载体表面结构与性质 在正常生长环境下 微生物表面带有负电荷 通过一定的表面改良技
8、术 使载体表面具有正电性 这将使微生物在在体表面附着 固定的过程更易进行 32 图14 载体表面电性对硝化细菌固定的影响 33 载体表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着 固定 主要由于以下两个方面的原因 1 与光滑表面相比 粗糙的载体表面增加了与细菌间的有效接触面积 2 在体表面的粗糙部分 如孔洞 裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护 使它们免受水力学剪切的冲刷作用 34 六 水力剪切作用 在实际水处理中 水力剪切力的强弱决定了生物膜反应器启动周期 最常用于描述水力剪切作用对细菌在载体表面固定 附着技术是辐射型流动室 RadialFlowChamber 简称RFC 七 接触时间 35 硝化细菌在载体表面固定措施 2 4 常用的硝化细菌在载体表面附着 固定的方法有两大类 一是通过载体表面的改性 二是通过细菌表面的改性
