生物膜生成及生物反應(yīng)器功能分析

摘 要：隨著社會的發(fā)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(biāo)排放就顯得尤為重要。飲用水在經(jīng)管道輸送過程中，微生物附著到管網(wǎng)內(nèi)壁生長形成生物膜。生物膜的存在會引起一系列水質(zhì)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(wǎng)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(yīng)器應(yīng)運而生。文章就生物膜的形成及生物反應(yīng)器的功能進行了分析。

關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)；生物膜；生物反應(yīng)器

飲用水在經(jīng)管道輸送過程中，水中微生物附著到管網(wǎng)內(nèi)壁生長形成生物膜。生物膜的存在會引起一系列水質(zhì)問題，對人類飲用水安全構(gòu)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(wǎng)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(jié)構(gòu)，因此用反應(yīng)器實驗?zāi)M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(fā)現(xiàn)，生物膜的形成與時間有著密切的關(guān)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(xué)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(yǎng)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(wěn)定的聚合物，但經(jīng)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(wěn)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(yǎng)物質(zhì)繁殖增長，逐漸連接成片，并向外伸展，形成個體種類繁多、結(jié)構(gòu)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(nèi)壁緊密連接在一起[3]。

生物膜給飲用水及管網(wǎng)帶來的影響是：（1）管壁生物膜逐漸加厚，導(dǎo)致管壁直徑變小，管網(wǎng)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(dǎo)致爆管；（2）在水流作用下，部分生物膜脫落進入水體，導(dǎo)致管網(wǎng)出口處飲用水的懸浮菌數(shù)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(wǎng)中細菌的生長，出廠水通常經(jīng)過加氯消毒，但在管網(wǎng)輸送過程中，由于消毒效果下降，部分受傷細菌獲得營養(yǎng)后自我修復(fù)重新生長，導(dǎo)致飲用水水質(zhì)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(wǎng)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(yǎng)物質(zhì)：營養(yǎng)物質(zhì)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(shù)量往往超過PVC管[6]。（4）水流速度：管網(wǎng)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(wǎng)中水流速度增加，可以給生物膜系統(tǒng)帶來營養(yǎng)物質(zhì)，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(jīng)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(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜，余氯的濃度就需要進行量化，一般為0.5mg/L。

3 生物反應(yīng)器應(yīng)滿足的條件

供水管網(wǎng)內(nèi)壁存在生物膜，導(dǎo)致給水動力消耗增加，水體水質(zhì)下降，影響用戶用水安全，嚴重時甚至導(dǎo)致流行性疾病的泛濫?；诖?，對給水管網(wǎng)生物膜進行深入研究、保證其中生物的穩(wěn)定性就有著非常重要的意義。由于給水管網(wǎng)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(yīng)器應(yīng)運而生。生物反應(yīng)器應(yīng)能合理、有效地模擬實際管網(wǎng)生物膜生長狀況。理想情況下，生物反應(yīng)器不僅能提供持續(xù)剪切力，還可以重復(fù)取樣，以觀察生物膜隨時間和空間的發(fā)展在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)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(yīng)器應(yīng)能模擬研究溫度、消毒劑余量、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、附著材料、水流速度等對生物膜生長的影響，以及發(fā)現(xiàn)新的微生物種類等。

4 生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成及功能分析

環(huán)狀生物膜掛片反應(yīng)器（BAR）是一種新型模擬配水管網(wǎng)裝置。目前，各國科學(xué)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(tài)結(jié)構(gòu)、生物可同化等多種研究[8]。如圖1所示，反應(yīng)器主體由內(nèi)外兩個有機玻璃圓筒相套而成。內(nèi)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(huán)式模擬給水管網(wǎng)中不斷流動更新的水體，也可采用非循環(huán)式用以模擬給水管網(wǎng)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(yǎng)物質(zhì)濃度等對生物膜影響的實驗。內(nèi)部套筒內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子表面均勻加工有軸向槽，槽內(nèi)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(nèi)部套筒上面開有膜片插拔口，便于隨時以及重復(fù)取樣；工作時，轉(zhuǎn)子由電機通過聯(lián)軸器帶動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可由變頻器調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)外套筒不相通[1]。實驗證明，BAR 反應(yīng)器可以模擬管網(wǎng)中水流持續(xù)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(jié)構(gòu)簡單，是研究給水管網(wǎng)生物膜的標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]。

5 結(jié)束語

生物膜在給水管網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)裝置，生物反應(yīng)器是微生物生長和生化反應(yīng)的關(guān)鍵場所。生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、參數(shù)設(shè)計都應(yīng)該考慮到是否較大程度地模擬了管網(wǎng)中生物膜的實際情況[9]。在滿足性能指標(biāo)情況下，反應(yīng)器的設(shè)計還需要結(jié)構(gòu)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(jīng)濟性也應(yīng)得到保證。

參考文獻

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