生物膜法是一種高效的廢水處理方法，具有污泥量少，不會引起污泥膨脹，對廢水的水質(zhì)和水量的變動具有較好的適應能力，運行管理簡單等特點。生物膜法是使微生物附著在載體表面上并形成生物膜，當污水流經(jīng)載體表面時，污水中的有機物及溶解氧向生物膜內(nèi)部擴散。膜內(nèi)微生物在有氧存在的情況下對有機物進行分解代謝和機體合成代謝，同時分解的代謝產(chǎn)物從生物膜擴散到水相和空氣中，從而使廢水中的有機物得以降解。活性污泥法和生物膜法的區(qū)別不僅僅是微生物的懸浮與附著之分，更重要的是擴散過程在生物膜處理系統(tǒng)中是一個必須考慮的因素。在生物膜反應器中，有機污染物、溶解氧及各種必須的營養(yǎng)物質(zhì)首先要從液相擴散到生物膜表面，進而進到生物膜內(nèi)部，只有擴散到生物膜表面或內(nèi)部的污染物才有可能被生物膜內(nèi)微生物分解與轉(zhuǎn)化，最終形成各種代謝產(chǎn)物。另外，在生物膜反應器中，由于微生物被固定在載體上，從而實現(xiàn)了SRT與HRT(水力停留時間)的分離，使得增殖速率慢的微生物也能生長繁殖。因此，生物膜是一穩(wěn)定的、多樣的微生物生態(tài)系統(tǒng)。微生物在載體上的掛膜可分為微生物吸附和固著生長兩個階段。生物膜的形成與載體表面性質(zhì)(載體表面親水性、表面電荷、表面化學組成和表面粗糙度)、微生物的性質(zhì)(微生物的種類、培養(yǎng)條件、活性和濃度)及環(huán)境因素(PH值、離子強度、水力剪切力、溫度、營養(yǎng)條件及微生物與載體的接觸時間)等因素有關。載體表面電荷性、粗糙度、粒徑和載體濃度等直接影響著生物膜在其表面的附著、形成。在正常生長環(huán)境下，微生物表面帶有負電荷。如果能通過一定的改良技術，如化學氧化、低溫等離子體處理等可使載體表面帶有正電荷，從而可使微生物在載體表面的附著、形成過程更易進行。載體表面的粗糙度有利于細菌在其表面附著、固定。一方面，與光滑表面相比，粗糙的載體表面增加了細菌與載體間的有效接觸面積；另一方面載體表面的粗糙部分，如孔洞、裂縫等對已附著的細菌起著屏蔽保護作用，使它們免受水力剪切力的沖刷。研究認為，相對于大粒徑載體而言，小粒徑載體之間的相互摩擦小，比表面積大，因而更容易生成生物膜。另外，載體濃度對反應器內(nèi)生物膜的掛膜也很重要。Wagner在用氣提式反應器處理難降解物廢水時發(fā)現(xiàn)，在載體質(zhì)量濃度很低情況下，即使生物膜厚達295μm，還是不能達到穩(wěn)定的去除率。但是，在載體濃度為20-30g/L時，即使只有20％的載體上有75μn厚的生物膜，反應器依然能達到穩(wěn)定的(98％)去除率，COD負荷最高可達58kg/(m3·d)。在給定的系統(tǒng)中，懸浮微生物濃度反映了微生物與載體間的接觸頻度。一般來講，隨著懸浮微生物濃度的增加，微生物與載體間可能接觸的幾率也增加。許多研究結(jié)果表明，在微生物附著過程中存在著一個臨界的懸浮微生物濃度；隨著微生物濃度的增加，微生物借助濃度梯度的運送得到加強。在臨界值以前，微生物從液相傳送、擴散到載體表面是控制步驟，一旦超過此臨界值，微生物在載體表面的附著、固定受到載體有效表面積的限制，不再依賴于懸浮微生物的濃度。但附著固定平衡后，載體表面微生物的量是由微生物及載體表面特性所決定的。微生物的活性通常可用微生物的比增長率(μ)來描述，即單位質(zhì)量微生物的增長繁殖速率。因此，在研究微生物活性對生物膜形成的最初階段的影響時，關鍵是如何控制懸浮微生物的比增長率。研究結(jié)果表明，硝化細菌在載體表面的附著固定量及初始速率均正比于懸浮硝化細菌的活性。Bryers等人在研究異養(yǎng)生物膜的形成時也得出同樣結(jié)果。影響懸浮微生物活性的因素主要有如下幾種。(1)當懸浮微生物的生物活性較高時，其分泌胞外多聚物的能力較強。這種粘性的胞外多聚物在細菌與載體之間起到了生物粘合劑的作用，使得細菌易于在載體表面附著、固定；(2)微生物所處的能量水平直接與它們的增長率相關。當盧增加時，懸浮微生物的動能隨之增加。這些能量有助于克服在固定化過程中微生物載體表面間的能壘，使得細菌初始積累速率與懸浮細菌活性成正比。(3)微生物的表面結(jié)構(gòu)隨著其活性的不同而相應變化。Herben等人研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細菌活性對細菌在載體表面的附著固定過程有影響，而且，細菌表面的化學組成、官能團的量也隨細菌活性的變化有顯著變化。同時，Wastson等人的研究表明，細胞膜等隨懸浮細菌活性的變化而有顯著變化。細菌表面的這些變化將直接影響微生物在載體表面的附著、固定。因此，通常認為，由懸浮微生物活性變化而引起的細菌表面生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細菌在載體表面附著、固定的。水溫是微生物的重要生存因子,在適宜的水溫范圍內(nèi)微生物可大量生長繁殖。每一種微生物都有一個最適生長溫度，在一定溫度范圍內(nèi)大多數(shù)微生物的新陳代謝活動都會隨著溫度的升高而增強，隨著溫度的下降而減弱。好氧微生物的適宜溫度范圍是10—35℃。水溫對硝化菌的生長和硝化速率有較大的影響。大多數(shù)硝化菌合適的生長溫度是25—30℃之間，當溫度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長減慢，10℃以下硝化菌的生長及硝化作用顯著減慢。溫度是影響生物活性和代謝能力的關鍵因素，其對硝化反應過程的影響主要在于硝化細菌的生長規(guī)律及生物活性上。溫度對生物活性的影響表現(xiàn)為：一是對生化反應速率的影響；二是對氧的傳質(zhì)速率的影響。參與活性污泥處理的微生物，在其生命活動過程中，需要不斷從周圍環(huán)境的污水中吸取其所必須的營養(yǎng)物質(zhì)，包括：碳源、氮源、無機鹽類以及某些生長素等。待處理的污水中必須充分含有這些物質(zhì)。碳是構(gòu)成微生物細胞的重要物質(zhì)，參與活性污泥處理的微生物對碳源需求量較大，一般以BOD5計，不應低于100mg/L。生活污水碳源比較充足，對于一些碳源不足的工業(yè)廢水則應補充碳源，如生活污水或是淀粉等。氮是組成微生物細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸的重要元素，氮源可來自N2、NH3、NO3等無機氮化合物，也可以來自蛋白質(zhì)、胨（音dong）以及氨基酸等有機含氮化合物。生活污水中氮源充足，不需要另行投加；工業(yè)廢水則應考慮含氮是否充足，必要時可投加尿素、硫酸銨等。磷是合成核蛋白、卵磷脂以及其他磷化合物的重要元素，在微生物的代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化中起重要作用。輔酶I、輔酶II、磷酸腺苷等都含有磷。微生物主要從無機磷化合物中獲取磷。磷源不足將影響酶的活性，從而使微生物的生理功能受到影響。“有毒物質(zhì)”是指對微生物生理活動具有抑制作用的某些無機質(zhì)及有機質(zhì)，主要有重金屬離子（如鋅，銅，鎳，鉛，鉻等）和一些非金屬化合物（如酚，醛，氰化物，硫化物等）。有毒物質(zhì)對微生物毒害作用，有一個量的概念，只有在有毒物質(zhì)在環(huán)境中達到某一濃度時，毒害和抑制作用才顯現(xiàn)出來。污水中的各種有毒物質(zhì)只要低于這一濃度，微生物的生理功能不受影響。有毒物質(zhì)的作用還與pH值、水溫、溶解氧、有無其他有毒物質(zhì)及微生物的數(shù)量以及是否經(jīng)過馴化等因素有關。微生物在載體表面附著、固定是—動態(tài)過程。微生物與載體表面接觸后，需要一個相對穩(wěn)定的環(huán)境條件，因此必須保證微生物在載體表面停留一定時間，完成微生物在載體表面的增長過程。HeUnen等人認為，HRT對能否形成完整的生物膜起著重要的作用。在其他條件確定的情況下，HRT短則有機容積負荷大，當稀釋率大于最大生長率時，反應器內(nèi)載體上能生成完整的生物膜。刊huis等人的試驗證明了這種觀點。在COD負荷為2．5kg／(m3·d)，HRT為4h時，載體上幾乎沒有完整的生物膜，而水力停留時間為1h時，在相同的操作時間內(nèi)幾乎所有的載體上都長有完整的生物膜，且較高的表面COD負荷更易生成較厚的生物膜，即COD負荷越高，生物膜越厚。周平等人也通過試驗證明了較短的水力停留時間有利于載體掛膜。除了等電點外，細菌表面在不同環(huán)境下帶有不同的電荷；液相環(huán)境中，pH值的變化將直接影響微生物的表面電荷特性。當液相pH值大于細菌等電點時，細菌表面由于氨基酸的電離作用而顯負電性；當液相pH值小于細菌等電點時，細菌表面顯正電性。細菌表面電性將直接影響細菌在載體表面附著、固定。在活性污泥法中，曝氣池中溶解氧濃度以不低于2mg/L為宜（以出口處為準）。局部區(qū)域有機污染物濃度高、耗氧速率高，溶解氧濃度不易保持2mg/L，可以有所降低，但不宜低于1mg/L。而對于生物膜法，掛膜初期為了防止過量代謝及攪拌力度，可適當控制低的溶解氧1~2ppm。保證細菌的正常代謝的同時，還保證剪切力不會強！在生物膜形成初期，水力條件是一個非常重要的因素，它直接影響生物膜是否能培養(yǎng)成功。在實際水處理中，水力剪切力的強弱決定了生物膜反應器啟動周期。單從生物膜形成角度分析，弱的水力剪切力有利于細菌在載體表面的附著和固定，但在實際運行中，反應器的運行需要一定強度的水力剪切力以維持反應器中的完全混合狀態(tài)。所以在實際設計運行中如何確定生物膜反應器的水力學條件是非常重要的。
