生物膜生成及生物反應器功能分析

摘 要：隨著社會的發展，人們越來越注重生活的健康和水資源的再利用，水的飲用安全和污水的達標排放就顯得尤為重要。飲用水在經管道輸送過程中，微生物附著到管網內壁生長形成生物膜。生物膜的存在會引起一系列水質問題，影響用戶用水安全。所以，生物膜的研究非常重要，但給水管網中生物膜的實際采樣比較困難，因此模擬生物膜生長的生物反應器應運而生。文章就生物膜的形成及生物反應器的功能進行了分析。

關鍵詞：給水管網；生物膜；生物反應器

飲用水在經管道輸送過程中，水中微生物附著到管網內壁生長形成生物膜。生物膜的存在會引起一系列水質問題，對人類飲用水安全構成威脅。為控制生物膜，需對生物膜進行研究，并對影響生物膜生成的諸多因素進行實驗分析。由于在給水管網中直接提取生物膜比較困難，而且提取后極易破壞生物膜本身結構，因此用反應器實驗模擬生物膜的生成就顯得尤為重要[1]。

1 生物膜的形成及影響

生物膜的形成和存在引起人們高度重視。研究發現，生物膜的形成與時間有著密切的關系，不同時間階段，形成的生物膜具有不同的特征。但一般來講，生物膜形成包括以下幾個階段[2]：（1）水中或多或少存在的有機物，在物理、化學以及生物過程綜合作用下吸附于管壁表面，形成一層富有營養的生物膜載體；（2）水中的一些浮游細菌通過靜電等作用被吸附到載體表面，由于水流沖擊等作用，這些細菌形成并不穩定的聚合物，但經過一定時間以后，終會有部分細菌通過分泌具有黏合作用的胞外多聚物穩定吸附于管壁；（3）隨著時間的推移，這些細胞攝取并消耗水中的營養物質繁殖增長，逐漸連接成片，并向外伸展，形成個體種類繁多、結構凸出的成熟生物膜。 盡管這個過程中會有一些生物膜脫落，但大部分生物膜還是與管道內壁緊密連接在一起[3]。

生物膜給飲用水及管網帶來的影響是：（1）管壁生物膜逐漸加厚，導致管壁直徑變小，管網過水能力降低，動力消耗增加，同時，管壁生物膜腐蝕管壁，在過大水壓下，可能導致爆管；（2）在水流作用下，部分生物膜脫落進入水體，導致管網出口處飲用水的懸浮菌數量驟然增加，色度和濁度上升，影響用水安全[4]。（3）為控制管網中細菌的生長，出廠水通常經過加氯消毒，但在管網輸送過程中，由于消毒效果下降，部分受傷細菌獲得營養后自我修復重新生長，導致飲用水水質變壞。

2 生物膜中微生物生長的影響因素

（1）水溫：水溫是影響生物膜生長的主要因素之一，實驗表明，過高和過低的溫度都會抑制細菌的活性，同時，由于管網中細菌種類繁多，適宜的溫度較難確定，但相對來說，溫水中的細菌比冷水中的細菌生長速度會快一些。（2）營養物質：營養物質會在管壁的表面富集，為微生物的生長提供生物膜載體，提供有機物和充足的磷、銨等[5]。（3）管材：管材對生物膜的生長影響很大。實驗表明，作為微生物的棲息地，在生物膜形成之初，表面粗糙的管壁更有利于生物的附著，在生物膜成熟之后，這種影響逐漸減小。另外，鐵管相對于PVC管，由于更容易被腐蝕以致變粗糙，鐵管中的微生物數量往往超過PVC管[6]。（4）水流速度：管網中的水流直接與生物膜接觸，是影響生物膜中微生物活性的重要因素。管網中水流速度增加，可以給生物膜系統帶來營養物質，有利于細菌的生長；水流不暢，消毒劑消耗快，微生物容易再生長。另外，過大的水流速度變化會沖刷管壁，使生物膜脫落，抑制生物膜的生長。（5）余氯：出水廠出水通常經過加氯消毒，以對生物膜進行有效控制。由于生物膜中的有機物對于消毒劑的抵抗能力比浮游的微生物強[5]，管網系統復雜，余氯的濃度就需要進行量化，一般為0.5mg/L。

3 生物反應器應滿足的條件

供水管網內壁存在生物膜，導致給水動力消耗增加，水體水質下降，影響用戶用水安全，嚴重時甚至導致流行性疾病的泛濫。基于此，對給水管網生物膜進行深入研究、保證其中生物的穩定性就有著非常重要的意義。由于給水管網中生物膜的實際采樣研究比較困難，模擬生物膜生長的生物反應器應運而生。生物反應器應能合理、有效地模擬實際管網生物膜生長狀況。理想情況下，生物反應器不僅能提供持續剪切力，還可以重復取樣，以觀察生物膜隨時間和空間的發展在結構和性質上的變化[1]。同時，研究生物膜的多樣性也是目前的集中點，因此，生物反應器應能模擬研究溫度、消毒劑余量、營養物質濃度、附著材料、水流速度等對生物膜生長的影響，以及發現新的微生物種類等。

4 生物反應器結構組成及功能分析

環狀生物膜掛片反應器（BAR）是一種新型模擬配水管網裝置。目前，各國科學家已利用BAR進行了生物量測定、微生物細胞剝離方法、生物膜形態結構、生物可同化等多種研究[8]。如圖1所示，反應器主體由內外兩個有機玻璃圓筒相套而成。內部套筒盛裝實驗用水，套筒上下有水體進出口，實驗中，即可采用水體循環式模擬給水管網中不斷流動更新的水體，也可采用非循環式用以模擬給水管網中具有停留時間的水體，取用不同的水體即可進行消毒種類和方式、消毒劑余量、營養物質濃度等對生物膜影響的實驗。內部套筒內安裝有轉子，在轉子表面均勻加工有軸向槽，槽內安裝聚碳酸酯膜片，表面供生物膜生長，為實驗附著材料對生物膜的影響，膜片可選用不同材料；內部套筒上面開有膜片插拔口，便于隨時以及重復取樣；工作時，轉子由電機通過聯軸器帶動旋轉，轉子的轉速可由變頻器調節，轉子軸向槽中安裝的膜片在運動中受到實驗水體的剪切力作用，不同的轉速能夠模擬不同的剪切力。外部套筒盛裝恒溫水，保證實驗水體處于一定的溫度，以進行不同溫度對生物膜的影響實驗；套筒上下有恒溫水入出口。內外套筒不相通[1]。實驗證明，BAR 反應器可以模擬管網中水流持續的不同的剪切力、不同的溫度、不同的管材以及不同的水體，而且取樣方便結構簡單，是研究給水管網生物膜的標準裝置[1]。

5 結束語

生物膜在給水管網中普遍存在，并給飲用水安全帶來威脅。作為研究生物膜的標準裝置，生物反應器是微生物生長和生化反應的關鍵場所。生物反應器的結構型式、參數設計都應該考慮到是否較大程度地模擬了管網中生物膜的實際情況[9]。在滿足性能指標情況下，反應器的設計還需要結構簡單，成本低廉；另外，生物器運行的可靠性以及后期的操作方便性和經濟性也應得到保證。

參考文獻

[1]林文芳，余志晟，陳曦，等.給水管網生物膜反應器及分子生物學研究方法進展[J].環境科學與技術，2012，35（6）：71-78.

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[3]李宇.內環流生物膜反應器傳質過程模擬及實驗研究[D].大連理工大學，2007.

[4]林璐.供水管網水力與水質特性研究[D].重慶大學，2014.

[5]劉慧娜，孫吉慧，沈加艷.給水管網中管壁生物膜對水質二次污染的影響[J].環保科技，2009，15（4）：9-11.

[6]劉文君，吳紅偉，張淑琪.某市飲用水水質生物穩定性研究[J].環境科學，1999，20（2）：34-36.

[7]董麗華.配水管網中的細菌再生長的研究與預測[D].天津大學，2004.

[8]魯巍，唐峰，張曉健.研究供水管壁生物膜的模擬系統[J].中國給水排水，2005，21（1）：22-24.

[9]張趙劍，趙永祿，周俊波，等.多功能懸浮式生物膜反應器設計及參數計算[J].艦船科學技術，2014（4）：139-142.