方芳，龍騰銳，郭勁松，高旭
(重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

　　摘　要：就多孔填料表面粗糙度、微孔特性和比表面積對生物膜附著性能的影響進(jìn)行了分析，指出表面粗糙度是影響填料表面形成初期生物膜的主要因素之一，填料微孔特性是影響填料獲得最大附著微生物量的重要因素之一，而填料比表面積則不適合作為反映填料表面物理特性的主要參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了應(yīng)進(jìn)一步深入研究的問題。
　　關(guān)鍵詞：多孔填料；表面物理特性；生物膜
　　中圖分類號：X703　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　文章編號：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

　　填料是生物膜工藝的核心部分，是微生物的載體，其性能直接影響和制約處理效率，長期以來一直受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。目前在水處理領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣泛的填料仍以多孔填料為主，如活性炭、陶粒、石英砂、爐渣、沸石、無煙煤等。在生物膜形成過程中，一些有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)被吸附至填料表面，對隨后微生物的附著、固定起了推動作用。水中的微生物借助于水力動力學(xué)及各種擴(kuò)散力向填料表面遷移。到達(dá)填料表面的微生物一部分在表面被吸附一段時間后因水力剪切或其它物理、化學(xué)和生物作用又解吸出來，而另一部分被吸附一段時間后未被解吸的微生物則攝取并消耗水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行繁殖，同時產(chǎn)生大量胞外多聚物，將生物膜與填料緊緊“粘結(jié)”在一起，這樣生物膜就逐漸形成了。大量研究表明該過程一方面取決于細(xì)菌表面特性，另一方面依賴于填料表面物理化學(xué)特性。本文主要就多孔填料表面物理特性對生物膜附著性能的影響進(jìn)行評述，著重分析填料表面粗糙度、微孔特性和比表面積的影響。

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響因素之一。Fox等用粒徑相同的GAC、無煙煤和砂3種填料講行表面粗糙度與生物膜剪切流失的比較性試驗，結(jié)果表明，表面最粗糙的GAC所附著的生物量為另外兩種材料的3～10倍，而由于水流剪切流失的生物量卻是砂和無煙煤的1／20～1／6^[1]。Van和Lentz的研究則表明固定床反應(yīng)器中生物膜的增長與填料粗糙度成正比^[2]。顯然，填料表面粗糙度對微生物附著至關(guān)重要，一般情況下，填料表面越粗糙就越易掛膜，這主要有三方面原因：
　　首先，填料表面的粗糙部分，如孔洞、裂縫等可以對微生物起到直接的屏蔽保護(hù)作用，減少水力剪切對微生物的沖刷。通常，微生物最先選擇填料上最利于生存和繁殖的區(qū)域附著，而填料的粗糙表面可以為微生物提供相對靜止的流體動力環(huán)境，因此微生物易于吸附在孔徑大小合適的表面微孔中。Fox，Suidan等對微生物在粗糙填料表面附著和積累的微觀過程進(jìn)行過描述，具體如圖1所示^[1]。

　　其次，與光滑表面比較，一方面粗糙的填料表面可增加微生物與填料的有效接觸面積，因為填料表面粗糙度增加，意味著填料表面微孔孔徑減小、相應(yīng)孔比表面積增加；另一方面由于微生物本身具有非常大的比表面積，故粗糙填料表面與微生物之間的界面相互作用就越大。所以填料的表面粗糙度越大，對微生物的捕捉能力也就越強(qiáng)。
　　第三，粗糙的填料表面在一定程度上還可以提高傳質(zhì)效率，促進(jìn)微生物與基質(zhì)之間的混合和接觸，有利于生物膜的累積。
　　盡管研究者們普遍認(rèn)為填料表面粗糙度是影響微生物固定的重要因素之—，但迄今為止，對表面粗糙度的認(rèn)識還儀停留在定性描述的階段，主要通過直觀的視覺觀察獲取有關(guān)的信息。Harendranath等通過掃描電鏡照片對24種填料的表面特征，如表面粗糙程度、表面微孔尺寸及其分布進(jìn)行了研究，粗略地將填料分為三大類：表面光滑、表面不平及表面多孔^[3]。雖然圖像分析是一項快速、有效的技術(shù)，但由此得到的填料表面粗糙度定量信息很少，給出的評價比較籠統(tǒng)，主觀因素影響較大，缺乏橫向可比性。筆者所在課題組提出以表面分?jǐn)?shù)維值定量表征填料表面粗糙度，并在對多孔填料分形特征進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的孔結(jié)構(gòu)分布測試方法原理，推導(dǎo)出了分?jǐn)?shù)維值計算方法，進(jìn)行了相應(yīng)的計算和結(jié)果分析，對多孔填料表面粗糙特征定量分析進(jìn)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狀極不規(guī)則，孔隙的大小也各不相同，通常以孔容按孔徑大小的分布作為描述微孔特征的重要參數(shù)，簡稱孔結(jié)構(gòu)分布。
　　在生物膜反應(yīng)器啟動過程中，填料表面發(fā)育良好的孔隙可以為微生物附著提供充足的空間，因此，填料表面有孔與否以及可利用孔容多少對附著微生物量的影響很大。事實上，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納微生物個體之外還須留有供微生物細(xì)胞與基質(zhì)之間進(jìn)行物質(zhì)擴(kuò)散和交換的空間，以利于生物膜的增長。
　　Kawase^[5]和Cordobac^[6]等的進(jìn)一步研究表明，微生物可附著微孔的存在及其尺寸的大小對早期生物膜的形成起到非常重要的作用。具體就微孔孔徑而言，研究者們的認(rèn)識比較一致：Breitenbucher等認(rèn)為1～10μm的微孔有助于填料表面最初微生物的生長^[7]；Messing等調(diào)查了填料表面孔徑大小對微生物附著、固定的影響，認(rèn)為填料表面微孔尺寸分布對獲得最大附著微生物濃度非常關(guān)鍵，至少70％的孔徑大小須分布在微生物尺寸1～5倍范圍內(nèi)^[8]；Dar Wang和Diniel Wang(1989)對填料表面孔隙大小對微生物附著的影響進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，從理論上推導(dǎo)出孔徑范圍在2～5倍細(xì)胞尺寸時填料表面可獲得最大生物積累，填料表面微孔孔徑與微生物細(xì)胞直徑的最優(yōu)比值為2.5^[9]。
　　綜上所述可知，多孔填料表面孔隙特征主要表現(xiàn)為填料表面微孔孔容分布與微孔孔徑分布，是初期微生物附著的主要影響因素之一。關(guān)于微孔孔容分布，根據(jù)已有的研究成果，可認(rèn)為表面微孔孔徑為微生物尺寸的1～5倍，即0.5～25μm時有最佳的生物量積累。據(jù)此可將填料表面微孔徑分為三個部分，相應(yīng)的孔容也分為三個部分，參見表1?？偪兹葜杏行Э兹菰酱?，而其中最優(yōu)孔容占的比例越高，則填料表面物理性能就越優(yōu)。而關(guān)于與表面微孔孔容分布直接相關(guān)的微孔孔徑分布，目前還沒有一個較為合適的參數(shù)，通常采用孔容隨孔徑變化的分布曲線來表示，雖然可以很直觀地描述孔徑分布，但卻無法定量描述孔徑分布對填料性能的影響。若以常用的中值孔徑和平均孔徑來評價孔徑分布都有其明顯的不足之處：中值孔徑是指對應(yīng)于總孔容50％時的孔徑，平均孔徑是通過一定的數(shù)學(xué)模型由總孔容和總孔比表面積推求得出的，二者均難以突出孔徑分布特征。筆者所在課題組從統(tǒng)計學(xué)的角度提出了均值孔徑的概念，它實質(zhì)上表現(xiàn)了不同孔徑微孔的權(quán)重影響，物理意義比較明確，且便于計算和應(yīng)用^[10]。

表1 填料孔徑分布與孔容計算

孔徑分布 孔容計算 微孔孔徑d/μm 對應(yīng)d的孔容 d＜0.5 V₁——不可利用孔容 總孔容V₁=V₁+V₂+V₃ 0.5≤d≤25 V₂——最優(yōu)孔容 有效孔容V_A=V₂+V₃ d＞25 V₃——可利用孔容 最優(yōu)孔容V₀=V₂

3 比表面積

　　比表面積是指單位質(zhì)量填料具有的表面積的總和，也可以表示為單位堆積體積填料所具有的表面積總和。表面積的測定多采用吸附法，目前應(yīng)用最廣的是根據(jù)BET吸附等溫式提出的方法，簡稱BET吸附法。用BET吸附法測得的面積是填料內(nèi)外表面積的總和。通常，填料顆粒越小，填料表面微孔孔徑就越小，微孔數(shù)量越多，填料比表面積就越大。
　　填料表面是生物膜形成和固著的部位，一般而言，填料比表面積越大，對微生物的附著越有利，因此，較大的比表面積是反應(yīng)器內(nèi)保持較高濃度生物量的重要條件。從這一角度來看，似乎反應(yīng)器的處理效果應(yīng)隨著填料比表面積的增長而成比例地提高，但實際情況并非完全如此。大量研究表明，填料比表面積并不是影響反應(yīng)器對COD去除性能的主要因素^[11-12]。Song和Young^[13]分別采用錯流式和管流式塑料波紋孔板作為濾池填料，并在各反應(yīng)器進(jìn)水流速、有機(jī)負(fù)荷、溫度及pH值等主要參數(shù)一致的情況下進(jìn)行了三個階段的試驗，結(jié)果顯示：比表面積為138 m²/m³和223 m²/m³的填料，比表面積增加60％而COD去除率僅提高2％，其COD去除率的增長較之比表面積的增長幅度要小得多。在Chongrak和Park的試驗中，反應(yīng)器A內(nèi)填料比表面積雖只有反應(yīng)器B的1/2，但處理效果并無顯著差異^[14]。另有研究報導(dǎo)，在有機(jī)負(fù)荷較高(以COD計為12～16kg/(m³·d))的厭氧生物濾池中，填料間隙懸浮微生物所去除的有機(jī)物占總?cè)コ实囊话胱笥?sup>[15]。許多研究者都觀察到固定床反應(yīng)器中部分懸浮微生物以顆粒污泥的形態(tài)滯留在填料間隙的現(xiàn)象^[13、16]。此外，填料比表面積越大，反應(yīng)器越易堵塞，流經(jīng)填料內(nèi)的水流阻力也就越大，能耗也隨之土曾力口。
　　因此，可以認(rèn)為，填料比表面積之所以對反應(yīng)器性能無顯著影響主要有兩方面原因：一方面是因為廢水中部分有機(jī)物的去除是由填料間隙滯留的懸浮微生物完成的，尤其是高濃度有機(jī)廢水的處理，而懸浮生物量的多少與填料比表面積無直接相關(guān)性，與填料孔隙尺寸和空隙率密切相關(guān)；另一方面，結(jié)合前述對填料表面微孔孔徑的分析可知，小于微生物尺寸的微小孔隙，微生物是無法利用的，而通常采用的BET比表面積無法區(qū)分可利用表面積和不可利用表面積，無法就比表面積對填料附著微生物量以及反應(yīng)器性能的影響做出準(zhǔn)確評價。所以，填料比表面積對固定床反應(yīng)器的運行雖有一定影響，但由于缺乏相對精確的評述指標(biāo)，故不宜作為其設(shè)計和運行的決定性參數(shù)。

4 結(jié)語

　　微生物在填料表面的附著與固定受填料特性、微生物特性和環(huán)境條件等的影響。對于多孔填料而言，其表面物理特性是非常重要的一個方面，其中又以表面粗糙度和表面微孔特性為主，前者是影響填料表面形成初期生物膜的主要因素之一，后者是影響填料獲得最大附著微生物量的重要因素之一，而填料比表面積則不宜作為反映填料表面物理特性的主要參數(shù)。對于某種特定填料而言，應(yīng)綜合填料的表面粗糙度、表面微孔特性、比表面積等表面物理特性來共同表征多孔填料滯留微生物的能力。
　　因此，將來對多孔填料的研究應(yīng)增加可描述填料表面粗糙程度、表面微孔分布，以及填料微生物學(xué)特性等方面的定量指標(biāo)，并尋求填料物理特性與微生物學(xué)特性之間的址化關(guān)系，為填料的評價和選擇提供一種便捷、有效的途徑。顯然，這方面的研究還有待加強(qiáng)。

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作者簡介：方芳(1973—)，女，重慶人，重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院講師，博士，主要從事污水處理理論與技術(shù)的研究與教學(xué)，電話(023)65120768。