生物(wù)膜法是一种高效的废水处理(lǐ)方法，具有(yǒu)污泥量少，运行管理(lǐ)简单等特点。活性污泥法和生物(wù)膜法的區(qū)别不仅仅是微生物(wù)的悬浮与附着之分(fēn)，更重要的是扩散过程在生物(wù)膜处理(lǐ)系统中是一个必须考虑的因素。本文(wén)主要从生物(wù)膜形成原理(lǐ)、形成的影响因素等多(duō)方面介绍為(wèi)什么填料有(yǒu)时候会挂不上膜。

生物(wù)膜法是一种高效的废水处理(lǐ)方法，具有(yǒu)污泥量少，不会引起污泥膨胀，对废水的水质和水量的变动具有(yǒu)较好的适应能(néng)力，运行管理(lǐ)简单等特点。

生物(wù)膜法是使微生物(wù)附着在载體(tǐ)表面上并形成生物(wù)膜，当污水流经载體(tǐ)表面时，污水中的有(yǒu)机物(wù)及溶解氧向生物(wù)膜内部扩散。膜内微生物(wù)在有(yǒu)氧存在的情况下对有(yǒu)机物(wù)进行分(fēn)解代謝(xiè)和机體(tǐ)合成代謝(xiè)，同时分(fēn)解的代謝(xiè)产物(wù)从生物(wù)膜扩散到水相和空气中，从而使废水中的有(yǒu)机物(wù)得以降解。

活性污泥法和生物(wù)膜法的區(qū)别不仅仅是微生物(wù)的悬浮与附着之分(fēn)，更重要的是扩散过程在生物(wù)膜处理(lǐ)系统中是一个必须考虑的因素。在生物(wù)膜反应器中，有(yǒu)机污染物(wù)、溶解氧及各种必须的营养物(wù)质首先要从液相扩散到生物(wù)膜表面，进而进到生物(wù)膜内部，只有(yǒu)扩散到生物(wù)膜表面或内部的污染物(wù)才有(yǒu)可(kě)能(néng)被生物(wù)膜内微生物(wù)分(fēn)解与转化，最终形成各种代謝(xiè)产物(wù)。另外，在生物(wù)膜反应器中，由于微生物(wù)被固定在载體(tǐ)上，从而实现了SRT与HRT(水力停留时间)的分(fēn)离，使得增殖速率慢的微生物(wù)也能(néng)生長(cháng)繁殖。因此，生物(wù)膜是一稳定的、多(duō)样的微生物(wù)生态系统。

生物(wù)膜的形成过程是微生物(wù)吸附、生長(cháng)、脱落等综合作用(yòng)的动态过程。

首先，悬浮于液相中的有(yǒu)机污染物(wù)及微生物(wù)移动并附着在载體(tǐ)表面上；然后，附着在载體(tǐ)上的微生物(wù)对有(yǒu)机污染物(wù)进行降解，并发生代謝(xiè)、生長(cháng)、繁殖等过程，并逐渐在载體(tǐ)的局部區(qū)域形成薄的生物(wù)膜，这层生物(wù)膜具有(yǒu)生化活性，又(yòu)可(kě)进一步吸附、分(fēn)解废水中有(yǒu)机污染物(wù)，直至最后形成一层将载體(tǐ)完全包裹的成熟的生物(wù)膜。

根据Characklis、Liu等人的研究，微生物(wù)膜的形成通常经历载體(tǐ)表面改良、可(kě)逆附着、不可(kě)逆附着、生物(wù)膜形成四个阶段，具體(tǐ)描述如下：

微生物(wù)在载體(tǐ)上的挂膜可(kě)分(fēn)為(wèi)微生物(wù)吸附和固着生長(cháng)两个阶段。载體(tǐ)加入水體(tǐ)以后，首先进入吸附期。有(yǒu)部分(fēn)微生物(wù)和丝状物(wù)质已经附着在载體(tǐ)表面，附着了较多(duō)物(wù)质的位置往往是载體(tǐ)的凹处，不容易被水流剪切的地方。此时悬浮液中的微生物(wù)大量增長(cháng)，出现较明显的一个污泥层。

经过不可(kě)逆附着以后，微生物(wù)在载體(tǐ)表面获得一个比较稳定的生長(cháng)环境，在供氧和底物(wù)充足的情况下，吸附在载體(tǐ)上的污泥中的微生物(wù)很(hěn)快就开始生長(cháng)。

随着培养驯化时间的增長(cháng)，在载體(tǐ)表面生長(cháng)的生物(wù)膜也迅速增長(cháng)，逐渐覆盖整个载體(tǐ)表面，并开始增厚。但生物(wù)膜的生長(cháng)并不均匀，在载體(tǐ)比较突出的地方，生物(wù)膜比较薄，而凹处则会長(cháng)出相当繁盛的菌落，可(kě)见水力剪切对生物(wù)膜的生長(cháng)具有(yǒu)重要的影响。在载體(tǐ)表面附着生長(cháng)的微生物(wù)种类也很(hěn)繁多(duō)，除了累枝虫、钟虫外，还可(kě)观察到丝状菌、球菌、杆菌等，还有(yǒu)一些游泳性的细菌在活动。随着载體(tǐ)上附着了越来越多(duō)的生物(wù)膜，载體(tǐ)的表观密度逐渐会下降，变得更轻，更容易流态化，同时在下降區(qū)的载體(tǐ)下降速度有(yǒu)所变慢。

生物(wù)膜的形成与载體(tǐ)表面性质(载體(tǐ)表面亲水性、表面電(diàn)荷、表面化學(xué)组成和表面粗糙度)、微生物(wù)的性质(微生物(wù)的种类、培养条件、活性和浓度)及环境因素(pH值、离子强度、水力剪切力、温度、营养条件及微生物(wù)与载體(tǐ)的接触时间)等因素有(yǒu)关。

载體(tǐ)表面電(diàn)荷性、粗糙度、粒径和载體(tǐ)浓度等直接影响着生物(wù)膜在其表面的附着、形成。在正常生長(cháng)环境下，微生物(wù)表面带有(yǒu)负電(diàn)荷。如果能(néng)通过一定的改良技术，如化學(xué)氧化、低温等离子體(tǐ)处理(lǐ)等可(kě)使载體(tǐ)表面带有(yǒu)正電(diàn)荷，从而可(kě)使微生物(wù)在载體(tǐ)表面的附着、形成过程更易进行。载體(tǐ)表面的粗糙度有(yǒu)利于细菌在其表面附着、固定。

一方面，与光滑表面相比，粗糙的载體(tǐ)表面增加了细菌与载體(tǐ)间的有(yǒu)效接触面积；另一方面载體(tǐ)表面的粗糙部分(fēn)，如孔洞、裂缝等对已附着的细菌起着屏蔽保护作用(yòng)，使它们免受水力剪切力的冲刷。

研究认為(wèi)，相对于大粒径载體(tǐ)而言，小(xiǎo)粒径载體(tǐ)之间的相互摩擦小(xiǎo)，比表面积大，因而更容易生成生物(wù)膜。另外，载體(tǐ)浓度对反应器内生物(wù)膜的挂膜也很(hěn)重要。Wagner在用(yòng)气提式反应器处理(lǐ)难降解物(wù)废水时发现，在载體(tǐ)质量浓度很(hěn)低情况下，即使生物(wù)膜厚达295μm，还是不能(néng)达到稳定的去除率。但是，在载體(tǐ)浓度為(wèi)20-30g/L时，即使只有(yǒu)20%的载體(tǐ)上有(yǒu)75μn厚的生物(wù)膜，反应器依然能(néng)达到稳定的(98%)去除率，COD负荷最高可(kě)达58kg/(m3·d)。

在给定的系统中，悬浮微生物(wù)浓度反映了微生物(wù)与载體(tǐ)间的接触频度。一般来讲，随着悬浮微生物(wù)浓度的增加，微生物(wù)与载體(tǐ)间可(kě)能(néng)接触的几率也增加。许多(duō)研究结果表明，在微生物(wù)附着过程中存在着一个临界的悬浮微生物(wù)浓度；随着微生物(wù)浓度的增加，微生物(wù)借助浓度梯度的运送得到加强。

在临界值以前，微生物(wù)从液相传送、扩散到载體(tǐ)表面是控制步骤，一旦超过此临界值，微生物(wù)在载體(tǐ)表面的附着、固定受到载體(tǐ)有(yǒu)效表面积的限制，不再依赖于悬浮微生物(wù)的浓度。但附着固定平衡后，载體(tǐ)表面微生物(wù)的量是由微生物(wù)及载體(tǐ)表面特性所决定的。

微生物(wù)的活性通常可(kě)用(yòng)微生物(wù)的比增長(cháng)率(μ)来描述，即单位质量微生物(wù)的增長(cháng)繁殖速率。因此，在研究微生物(wù)活性对生物(wù)膜形成的最初阶段的影响时，关键是如何控制悬浮微生物(wù)的比增長(cháng)率。研究结果表明，硝化细菌在载體(tǐ)表面的附着固定量及初始速率均正比于悬浮硝化细菌的活性。Bryers等人在研究异养生物(wù)膜的形成时也得出同样结果。

影响悬浮微生物(wù)活性的因素主要有(yǒu)如下几种：

(1)当悬浮微生物(wù)的生物(wù)活性较高时，其分(fēn)泌胞外多(duō)聚物(wù)的能(néng)力较强。这种粘性的胞外多(duō)聚物(wù)在细菌与载體(tǐ)之间起到了生物(wù)粘合剂的作用(yòng)，使得细菌易于在载體(tǐ)表面附着、固定；

(2)微生物(wù)所处的能(néng)量水平直接与它们的增長(cháng)率相关。当μ增加时，悬浮微生物(wù)的动能(néng)随之增加。这些能(néng)量有(yǒu)助于克服在固定化过程中微生物(wù)载體(tǐ)表面间的能(néng)垒，使得细菌初始积累速率与悬浮细菌活性成正比；

(3)微生物(wù)的表面结构随着其活性的不同而相应变化。Herben等研究发现，悬浮细菌活性对细菌在载體(tǐ)表面的附着固定过程有(yǒu)影响，而且，细菌表面的化學(xué)组成、官能(néng)团的量也随细菌活性的变化有(yǒu)显著变化。同时，Wastson等的研究表明，细胞膜等随悬浮细菌活性的变化而有(yǒu)显著变化。细菌表面的这些变化将直接影响微生物(wù)在载體(tǐ)表面的附着、固定。因此，通常认為(wèi)，由悬浮微生物(wù)活性变化而引起的细菌表面生理(lǐ)状态或分(fēn)子组成的变化是有(yǒu)利于细菌在载體(tǐ)表面附着、固定的；

(4)微生物(wù)与载體(tǐ)接触时间。微生物(wù)在载體(tǐ)表面附着、固定是—动态过程。微生物(wù)与载體(tǐ)表面接触后，需要一个相对稳定的环境条件，因此必须保证微生物(wù)在载體(tǐ)表面停留一定时间，完成微生物(wù)在载體(tǐ)表面的增長(cháng)过程；

(5)水力停留时间(HRT)。HeUnen等认為(wèi)，HRT对能(néng)否形成完整的生物(wù)膜起着重要的作用(yòng)。在其他(tā)条件确定的情况下，HRT短则有(yǒu)机容积负荷大，当稀释率大于最大生長(cháng)率时，反应器内载體(tǐ)上能(néng)生成完整的生物(wù)膜。在COD负荷為(wèi)2.5kg/(m3·d)，HRT為(wèi)4h时，载體(tǐ)上几乎没有(yǒu)完整的生物(wù)膜，而水力停留时间為(wèi)1h时，在相同的操作时间内几乎所有(yǒu)的载體(tǐ)上都長(cháng)有(yǒu)完整的生物(wù)膜，且较高的表面COD负荷更易生成较厚的生物(wù)膜，即COD负荷越高，生物(wù)膜越厚。周平等也通过试验证明了较短的HRT有(yǒu)利于载體(tǐ)挂膜；

(6)液相pH值。除了等電(diàn)点外，细菌表面在不同环境下带有(yǒu)不同的電(diàn)荷；液相环境中，pH值的变化将直接影响微生物(wù)的表面電(diàn)荷特性。当液相pH值大于细菌等電(diàn)点时，细菌表面由于氨基酸的電(diàn)离作用(yòng)而显负電(diàn)性；当液相pH值小(xiǎo)于细菌等電(diàn)点时，细菌表面显正電(diàn)性。细菌表面電(diàn)性将直接影响细菌在载體(tǐ)表面附着、固定；

(7)水力剪切力。在生物(wù)膜形成初期，水力条件是一个非常重要的因素，它直接影响生物(wù)膜是否能(néng)培养成功。在实际水处理(lǐ)中，水力剪切力的强弱决定了生物(wù)膜反应器启动周期。单从生物(wù)膜形成角度分(fēn)析，弱的水力剪切力有(yǒu)利于细菌在载體(tǐ)表面的附着和固定，但在实际运行中，反应器的运行需要一定强度的水力剪切力以维持反应器中的完全混合状态。所以在实际设计运行中如何确定生物(wù)膜反应器的水力學(xué)条件是非常重要的。

生物(wù)载體(tǐ)挂膜过程中的作用(yòng)力直接促成了微生物(wù)与载體(tǐ)表面的直接作用(yòng)，在整个生物(wù)膜形成过程中起着至关重要的作用(yòng)。生物(wù)载體(tǐ)在挂膜过程的作用(yòng)力较為(wèi)复杂，与生物(wù)载體(tǐ)表面理(lǐ)化特性有(yǒu)关的物(wù)理(lǐ)力有(yǒu)范德华力、静電(diàn)作用(yòng)力、表面张力、水动力外，还有(yǒu)湍流扩散力、表面剪切力、载體(tǐ)运动引起的力等。

华南理(lǐ)工大學(xué)江帆通过对不同载體(tǐ)挂膜实验得出：GPUC载體(tǐ)表面含有(yǒu)—OH、酰胺基等亲水性基团，而大部分(fēn)微生物(wù)本身具有(yǒu)良好的亲水性，载體(tǐ)表面与微生物(wù)表面能(néng)够形成氢键结构；同时亲水性载體(tǐ)表面自由能(néng)低于疏水性载體(tǐ)的表面自由能(néng)，水中的微生物(wù)更容易接近亲水性载體(tǐ)表面吸附生長(cháng)。实验中对GPUC载體(tǐ)与普通多(duō)孔载體(tǐ)进行了比较，结果显示GPUC载體(tǐ)的挂膜量及挂膜生物(wù)活性均大于普通多(duō)孔载體(tǐ)。

水温是微生物(wù)的重要生存因子，在适宜的水温范围内微生物(wù)可(kě)大量生長(cháng)繁殖。每一种微生物(wù)都有(yǒu)一个最适生長(cháng)温度，在一定温度范围内大多(duō)数微生物(wù)的新(xīn)陈代謝(xiè)活动都会随着温度的升高而增强，随着温度的下降而减弱。好氧微生物(wù)的适宜温度范围是10~35℃。水温对硝化菌的生長(cháng)和硝化速率有(yǒu)较大的影响。大多(duō)数硝化菌合适的生長(cháng)温度是25~30℃，当温度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長(cháng)减慢，10℃以下硝化菌的生長(cháng)及硝化作用(yòng)显著减慢。

江帆分(fēn)别在10℃、20℃、35℃左右时进行挂膜试验，同时在整个挂膜过程中测定填料上附着的微生物(wù)量，结果表明：在10℃时，挂膜启动较慢，经过7d才有(yǒu)明显的生物(wù)膜附着，挂膜成熟经过了21d，附着生物(wù)量最大值為(wèi)2.1 g/L；在35℃时，经过4d生物(wù)膜开始形成，生物(wù)膜成熟经历了约19d，附着生物(wù)膜量最大值為(wèi)3.5g/L；在20℃左右时，经过2d生物(wù)膜开始形成，生物(wù)膜成熟经过了10d左右，附着生物(wù)膜量最大值為(wèi)5.7g/L。可(kě)见，温度对挂膜的影响不大明显，在15～30℃内，填料表面生物(wù)膜都能(néng)够形成，挂膜启动较快。

温度是影响生物(wù)活性和代謝(xiè)能(néng)力的关键因素，其对硝化反应过程的影响主要在于硝化细菌的生長(cháng)规律及生物(wù)活性上。

温度对生物(wù)活性的影响表现為(wèi)：1）对生化反应速率的影响；2）对氧的传质速率的影响。

微生物(wù)的表面积、表面粗糙度是影响形成初期生物(wù)膜的主要因素。大的比表面积、粗糙度提高了载體(tǐ)对微生物(wù)的捕捉能(néng)力。表面粗糙度大的载體(tǐ)对水流具有(yǒu)更强的重新(xīn)分(fēn)布能(néng)力使反应器内水流对载體(tǐ)上生物(wù)膜的剪切力变小(xiǎo)，同时為(wèi)微生物(wù)与基质之间的混合和接触提供了有(yǒu)利的内环境，促进了生物(wù)膜在填料表面的积累。粗糙表面比光滑表面具有(yǒu)更厚的层流边界层，能(néng)提供良好的静态水力學(xué)环境从而避免水流剪切力对附着微生物(wù)增長(cháng)的不利影响，所以在生物(wù)膜形成的最初阶段，较大的比表面积、表面粗糙度可(kě)使生物(wù)膜的形成速度加快。