多孔填料表面物理特性对生物膜附着的影响

方芳，龙腾锐，郭劲松，高旭
(重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045)

　　摘　要：就多孔填料表面粗糙度、微孔特性和比表面积对生物膜附着性能的影响进行了分析，指出表面粗糙度是影响填料表面形成初期生物膜的主要因素之一，填料微孔特性是影响填料获得最大附着微生物量的重要因素之一，而填料比表面积则不适合作为反映填料表面物理特性的主要参数，并在此基础上提出了应进一步深入研究的问题。
　　关键词：多孔填料；表面物理特性；生物膜
　　中图分类号：X703　　文献标识码：A　　文章编号：1009—2455(2004)06—0001—04

Effects of Surface Physical Characteristics of Protruded Packing on Biofilm Attachment
FANG Fang, LONG Teng-rui, GUO Jin-song, GAO Xu
(Faculty of Urban Construction And Environmental Engineering, Chongqing 400045, China)

　　Abstact: The effects of the surface roughness, micropore characteristics and specific surface area of protruded packing on the property of bilfilm attachement are analyzed. It is pointed out that the surface roughness is one of the main factors affecting the formation of initial biofilm on the surface of the packing, the micropore characteristics of the packing is one of the important factors affecting the packing obtaining the maximum amount of attached microorganism, and the specific surface area of the packing is not a suitable main parameter to be
taken to reflect the surface physical characteristics of the packing, based on which questions for further study are raised.
　　Key words: protruded packing; surface physical characteristic; biofilm

　　填料是生物膜工艺的核心部分，是微生物的载体，其性能直接影响和制约处理效率，长期以来一直受到国内外学者的普遍重视。目前在水处理领域中，应用最广泛的填料仍以多孔填料为主，如活性炭、陶粒、石英砂、炉渣、沸石、无烟煤等。在生物膜形成过程中，一些有机营养物质被吸附至填料表面，对随后微生物的附着、固定起了推动作用。水中的微生物借助于水力动力学及各种扩散力向填料表面迁移。到达填料表面的微生物一部分在表面被吸附一段时间后因水力剪切或其它物理、化学和生物作用又解吸出来，而另一部分被吸附一段时间后未被解吸的微生物则摄取并消耗水中的营养物质进行繁殖，同时产生大量胞外多聚物，将生物膜与填料紧紧“粘结”在一起，这样生物膜就逐渐形成了。大量研究表明该过程一方面取决于细菌表面特性，另一方面依赖于填料表面物理化学特性。本文主要就多孔填料表面物理特性对生物膜附着性能的影响进行评述，着重分析填料表面粗糙度、微孔特性和比表面积的影响。

1 表面粗糙度

　　填料表面粗糙度是微生物能否在其表面很快形成初期生物膜的主要影响因素之一。Fox等用粒径相同的GAC、无烟煤和砂3种填料讲行表面粗糙度与生物膜剪切流失的比较性试验，结果表明，表面最粗糙的GAC所附着的生物量为另外两种材料的3～10倍，而由于水流剪切流失的生物量却是砂和无烟煤的1／20～1／6^[1]。Van和Lentz的研究则表明固定床反应器中生物膜的增长与填料粗糙度成正比^[2]。显然，填料表面粗糙度对微生物附着至关重要，一般情况下，填料表面越粗糙就越易挂膜，这主要有三方面原因：
　　首先，填料表面的粗糙部分，如孔洞、裂缝等可以对微生物起到直接的屏蔽保护作用，减少水力剪切对微生物的冲刷。通常，微生物最先选择填料上最利于生存和繁殖的区域附着，而填料的粗糙表面可以为微生物提供相对静止的流体动力环境，因此微生物易于吸附在孔径大小合适的表面微孔中。Fox，Suidan等对微生物在粗糙填料表面附着和积累的微观过程进行过描述，具体如图1所示^[1]。

　　其次，与光滑表面比较，一方面粗糙的填料表面可增加微生物与填料的有效接触面积，因为填料表面粗糙度增加，意味着填料表面微孔孔径减小、相应孔比表面积增加；另一方面由于微生物本身具有非常大的比表面积，故粗糙填料表面与微生物之间的界面相互作用就越大。所以填料的表面粗糙度越大，对微生物的捕捉能力也就越强。
　　第三，粗糙的填料表面在一定程度上还可以提高传质效率，促进微生物与基质之间的混合和接触，有利于生物膜的累积。
　　尽管研究者们普遍认为填料表面粗糙度是影响微生物固定的重要因素之—，但迄今为止，对表面粗糙度的认识还仪停留在定性描述的阶段，主要通过直观的视觉观察获取有关的信息。Harendranath等通过扫描电镜照片对24种填料的表面特征，如表面粗糙程度、表面微孔尺寸及其分布进行了研究，粗略地将填料分为三大类：表面光滑、表面不平及表面多孔^[3]。虽然图像分析是一项快速、有效的技术，但由此得到的填料表面粗糙度定量信息很少，给出的评价比较笼统，主观因素影响较大，缺乏横向可比性。笔者所在课题组提出以表面分数维值定量表征填料表面粗糙度，并在对多孔填料分形特征进行深入分析的基础上，结合具体的孔结构分布测试方法原理，推导出了分数维值计算方法，进行了相应的计算和结果分析，对多孔填料表面粗糙特征定量分析进行了有益的探索^[4]。

2 表面微孔特性

　　多孔填料表面微孔的形状极不规则，孔隙的大小也各不相同，通常以孔容按孔径大小的分布作为描述微孔特征的重要参数，简称孔结构分布。
　　在生物膜反应器启动过程中，填料表面发育良好的孔隙可以为微生物附着提供充足的空间，因此，填料表面有孔与否以及可利用孔容多少对附着微生物量的影响很大。事实上，并不是所有的表面孔隙都能被微生物利用。填料上孔隙的大小除容纳微生物个体之外还须留有供微生物细胞与基质之间进行物质扩散和交换的空间，以利于生物膜的增长。
　　Kawase^[5]和Cordobac^[6]等的进一步研究表明，微生物可附着微孔的存在及其尺寸的大小对早期生物膜的形成起到非常重要的作用。具体就微孔孔径而言，研究者们的认识比较一致：Breitenbucher等认为1～10μm的微孔有助于填料表面最初微生物的生长^[7]；Messing等调查了填料表面孔径大小对微生物附着、固定的影响，认为填料表面微孔尺寸分布对获得最大附着微生物浓度非常关键，至少70％的孔径大小须分布在微生物尺寸1～5倍范围内^[8]；Dar Wang和Diniel Wang(1989)对填料表面孔隙大小对微生物附着的影响进行了数学分析，从理论上推导出孔径范围在2～5倍细胞尺寸时填料表面可获得最大生物积累，填料表面微孔孔径与微生物细胞直径的最优比值为2.5^[9]。
　　综上所述可知，多孔填料表面孔隙特征主要表现为填料表面微孔孔容分布与微孔孔径分布，是初期微生物附着的主要影响因素之一。关于微孔孔容分布，根据已有的研究成果，可认为表面微孔孔径为微生物尺寸的1～5倍，即0.5～25μm时有最佳的生物量积累。据此可将填料表面微孔径分为三个部分，相应的孔容也分为三个部分，参见表1。总孔容中有效孔容越大，而其中最优孔容占的比例越高，则填料表面物理性能就越优。而关于与表面微孔孔容分布直接相关的微孔孔径分布，目前还没有一个较为合适的参数，通常采用孔容随孔径变化的分布曲线来表示，虽然可以很直观地描述孔径分布，但却无法定量描述孔径分布对填料性能的影响。若以常用的中值孔径和平均孔径来评价孔径分布都有其明显的不足之处：中值孔径是指对应于总孔容50％时的孔径，平均孔径是通过一定的数学模型由总孔容和总孔比表面积推求得出的，二者均难以突出孔径分布特征。笔者所在课题组从统计学的角度提出了均值孔径的概念，它实质上表现了不同孔径微孔的权重影响，物理意义比较明确，且便于计算和应用^[10]。

表1 填料孔径分布与孔容计算

孔径分布 孔容计算 微孔孔径d/μm 对应d的孔容 d＜0.5 V₁——不可利用孔容 总孔容V₁=V₁+V₂+V₃ 0.5≤d≤25 V₂——最优孔容 有效孔容V_A=V₂+V₃ d＞25 V₃——可利用孔容 最优孔容V₀=V₂

3 比表面积

　　比表面积是指单位质量填料具有的表面积的总和，也可以表示为单位堆积体积填料所具有的表面积总和。表面积的测定多采用吸附法，目前应用最广的是根据BET吸附等温式提出的方法，简称BET吸附法。用BET吸附法测得的面积是填料内外表面积的总和。通常，填料颗粒越小，填料表面微孔孔径就越小，微孔数量越多，填料比表面积就越大。
　　填料表面是生物膜形成和固着的部位，一般而言，填料比表面积越大，对微生物的附着越有利，因此，较大的比表面积是反应器内保持较高浓度生物量的重要条件。从这一角度来看，似乎反应器的处理效果应随着填料比表面积的增长而成比例地提高，但实际情况并非完全如此。大量研究表明，填料比表面积并不是影响反应器对COD去除性能的主要因素^[11-12]。Song和Young^[13]分别采用错流式和管流式塑料波纹孔板作为滤池填料，并在各反应器进水流速、有机负荷、温度及pH值等主要参数一致的情况下进行了三个阶段的试验，结果显示：比表面积为138 m²/m³和223 m²/m³的填料，比表面积增加60％而COD去除率仅提高2％，其COD去除率的增长较之比表面积的增长幅度要小得多。在Chongrak和Park的试验中，反应器A内填料比表面积虽只有反应器B的1/2，但处理效果并无显著差异^[14]。另有研究报导，在有机负荷较高(以COD计为12～16kg/(m³·d))的厌氧生物滤池中，填料间隙悬浮微生物所去除的有机物占总去除率的一半左右^[15]。许多研究者都观察到固定床反应器中部分悬浮微生物以颗粒污泥的形态滞留在填料间隙的现象^[13、16]。此外，填料比表面积越大，反应器越易堵塞，流经填料内的水流阻力也就越大，能耗也随之土曾力口。
　　因此，可以认为，填料比表面积之所以对反应器性能无显著影响主要有两方面原因：一方面是因为废水中部分有机物的去除是由填料间隙滞留的悬浮微生物完成的，尤其是高浓度有机废水的处理，而悬浮生物量的多少与填料比表面积无直接相关性，与填料孔隙尺寸和空隙率密切相关；另一方面，结合前述对填料表面微孔孔径的分析可知，小于微生物尺寸的微小孔隙，微生物是无法利用的，而通常采用的BET比表面积无法区分可利用表面积和不可利用表面积，无法就比表面积对填料附着微生物量以及反应器性能的影响做出准确评价。所以，填料比表面积对固定床反应器的运行虽有一定影响，但由于缺乏相对精确的评述指标，故不宜作为其设计和运行的决定性参数。

4 结语

　　微生物在填料表面的附着与固定受填料特性、微生物特性和环境条件等的影响。对于多孔填料而言，其表面物理特性是非常重要的一个方面，其中又以表面粗糙度和表面微孔特性为主，前者是影响填料表面形成初期生物膜的主要因素之一，后者是影响填料获得最大附着微生物量的重要因素之一，而填料比表面积则不宜作为反映填料表面物理特性的主要参数。对于某种特定填料而言，应综合填料的表面粗糙度、表面微孔特性、比表面积等表面物理特性来共同表征多孔填料滞留微生物的能力。
　　因此，将来对多孔填料的研究应增加可描述填料表面粗糙程度、表面微孔分布，以及填料微生物学特性等方面的定量指标，并寻求填料物理特性与微生物学特性之间的址化关系，为填料的评价和选择提供一种便捷、有效的途径。显然，这方面的研究还有待加强。

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作者简介：方芳(1973—)，女，重庆人，重庆大学城市建设与环境工程学院讲师，博士，主要从事污水处理理论与技术的研究与教学，电话(023)65120768。