什么是生物膜?
生物膜法是一种高效的废水处理方法,具有污泥量少,不会引起污泥膨胀,对废水的水质和水量的变动具有较好的适应能力,运行管理简单等特点。生物膜法是使微生物附着在载体表面上并形成生物膜,当污水流经载体表面时,污水中的有机物及溶解氧向生物膜内部扩散。膜内微生物在有氧存在的情况下对有机物进行分解代谢和机体合成代谢,同时分解的代谢产物从生物膜扩散到水相和空气中,从而使废水中的有机物得以降解。
活性污泥法和生物膜法的区别不仅仅是微生物的悬浮与附着之分,更重要的是扩散过程在生物膜处理系统中是一个必须考虑的因素。在生物膜反应器中,有机污染物、溶解氧及各种必须的营养物质首先要从液相扩散到生物膜表面,进而进到生物膜内部,只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才有可能被生物膜内微生物分解与转化,最终形成各种代谢产物。另外,在生物膜反应器中,由于微生物被固定在载体上,从而实现了SRT与HRT(水力停留时间)的分离,使得增殖速率慢的微生物也能生长繁殖。因此,生物膜是一稳定的、多样的微生物生态系统。
1. 生物膜的形成原理
生物膜的形成过程是微生物吸附、生长、脱落等综合作用的动态过程。
首先,悬浮于液相中的有机污染物及微生物移动并附着在载体表面上;然后附着在载体上的微生物对有机污染物进行降解,并发生代谢、生长、繁殖等过程,并逐渐在载体的局部区域形成薄的生物膜,这层生物膜具有生化活性,又可进一步吸附、分解废水中有机污染物,直至最后形成一层将载体完全包裹的成熟的生物膜。
根据Characklis、Liu等人的研究,微生物膜的形成通常经历载体表面改良、可逆附着、不可逆附着、生物膜形成四个阶段,具体描述如下:
微生物在载体上的挂膜可分为微生物吸附和固着生长两个阶段。载体加入水体以后,首先进入吸附期。由图可见,有部分微生物和丝状物质已经附着在载体表面,附着了较多物质的位置往往是载体的凹处,不容易被水流剪切的地方。此时悬浮液中的微生物大量增长,出现较明显的一个污泥层。
经过不可逆附着以后,微生物在载体表面获得一个比较稳定的生长环境,在供氧和底物充足的情况下,吸附在载体上的污泥中的微生物很快就开始生长。下图为微生物在载体表面开始生长时的情景,由图可见到活性很好的钟虫和累枝虫。
随着培养驯化时间的增长,在载体表面生长的生物膜也迅速增长,逐渐覆盖整个载体表面,并开始增厚。但生物膜的生长并不均匀,在载体比较突出的地方,生物膜比较薄,而凹处则会长出相当繁盛的菌落,可见水力剪切对生物膜的生长具有重要的影响。在载体表面附着生长的微生物种类也很繁多,除了累枝虫、钟虫外,还可观察到丝状菌、球菌、杆菌等,还有一些游泳性的细菌在活动。如下图所示。随着载体上附着了越来越多的生物膜,载体的表观密度逐渐会下降,变得更轻,更容易流态化,同时在下降区的载体下降速度有所变慢。
2. 生物膜形成的影响因素
生物膜的形成与载体表面性质(载体表面亲水性、表面电荷、表面化学组成和表面粗糙度)、微生物的性质(微生物的种类、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、营养条件及微生物与载体的接触时间)等因素有关。
2.1 载体表面性质
载体表面电荷性、粗糙度、粒径和载体浓度等直接影响着生物膜在其表面的附着、形成。在正常生长环境下,微生物表面带有负电荷。如果能通过一定的改良技术,如化学氧化、低温等离子体处理等可使载体表面带有正电荷,从而可使微生物在载体表面的附着、形成过程更易进行。载体表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定。
一方面,与光滑表面相比,粗糙的载体表面增加了细菌与载体间的有效接触面积;另一方面载体表面的粗糙部分,如孔洞、裂缝等对已附着的细菌起着屏蔽保护作用,使它们免受水力剪切力的冲刷。
研究认为,相对于大粒径载体而言,小粒径载体之间的相互摩擦小,比表面积大,因而更容易生成生物膜。另外,载体浓度对反应器内生物膜的挂膜也很重要。Wagner在用气提式反应器处理难降解物废水时发现,在载体质量浓度很低情况下,即使生物膜厚达295μm,还是不能达到稳定的去除率。但是,在载体浓度为20-30g/L时,即使只有20%的载体上有75μn厚的生物膜,反应器依然能达到稳定的(98%)去除率,COD负荷最高可达58kg/(m3·d)。
2.2 悬浮微生物浓度
在给定的系统中,悬浮微生物浓度反映了微生物与载体间的接触频度。一般来讲,随着悬浮微生物浓度的增加,微生物与载体间可能接触的几率也增加。许多研究结果表明,在微生物附着过程中存在着一个临界的悬浮微生物浓度;随着微生物浓度的增加,微生物借助浓度梯度的运送得到加强。
在临界值以前,微生物从液相传送、扩散到载体表面是控制步骤,一旦超过此临界值,微生物在载体表面的附着、固定受到载体有效表面积的限制,不再依赖于悬浮微生物的浓度。但附着固定平衡后,载体表面微生物的量是由微生物及载体表面特性所决定的。
2.3 悬浮微生物的活性
微生物的活性通常可用微生物的比增长率(μ)来描述,即单位质量微生物的增长繁殖速率。因此,在研究微生物活性对生物膜形成的最初阶段的影响时,关键是如何控制悬浮微生物的比增长率。研究结果表明,硝化细菌在载体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膜的形成时也得出同样结果。影响悬浮微生物活性的因素主要有如下几种。
(1)当悬浮微生物的生物活性较高时,其分泌胞外多聚物的能力较强。这种粘性的胞外多聚物在细菌与载体之间起到了生物粘合剂的作用,使得细菌易于在载体表面附着、固定;
(2)微生物所处的能量水平直接与它们的增长率相关。当卢增加时,悬浮微生物的动能随之增加。这些能量有助于克服在固定化过程中微生物载体表面间的能垒,使得细菌初始积累速率与悬浮细菌活性成正比。
(3)微生物的表面结构随着其活性的不同而相应变化。Herben等人研究发现,悬浮细菌活性对细菌在载体表面的附着固定过程有影响,而且,细菌表面的化学组成、官能团的量也随细菌活性的变化有显著变化。同时,Wastson等人的研究表明,细胞膜等随悬浮细菌活性的变化而有显著变化。细菌表面的这些变化将直接影响微生物在载体表面的附着、固定。因此,通常认为,由悬浮微生物活性变化而引起的细菌表面生理状态或分子组成的变化是有利于细菌在载体表面附着、固定的。
(4)微生物与载体接触时间。微生物在载体表面附着、固定是—动态过程。微生物与载体表面接触后,需要一个相对稳定的环境条件,因此必须保证微生物在载体表面停留一定时间,完成微生物在载体表面的增长过程。
(5)水力停留时间(HRT)。HeUnen等人认为,HRT对能否形成完整的生物膜起着重要的作用。在其他条件确定的情况下,HRT短则有机容积负荷大,当稀释率大于最大生长率时,反应器内载体上能生成完整的生物膜。刊huis等人的试验证明了这种观点。在COD负荷为2.5kg/(m3·d),HRT为4h时,载体上几乎没有完整的生物膜,而水力停留时间为1h时,在相同的操作时间内几乎所有的载体上都长有完整的生物膜,且较高的表面COD负荷更易生成较厚的生物膜,即COD负荷越高,生物膜越厚。周平等人也通过试验证明了较短的水力停留时间有利于载体挂膜。
(6)液相pH值。除了等电点外,细菌表面在不同环境下带有不同的电荷;液相环境中,pH值的变化将直接影响微生物的表面电荷特性。当液相pH值大于细菌等电点时,细菌表面由于氨基酸的电离作用而显负电性;当液相pH值小于细菌等电点时,细菌表面显正电性。细菌表面电性将直接影响细菌在载体表面附着、固定。
(7)水力剪切力。在生物膜形成初期,水力条件是一个非常重要的因素,它直接影响生物膜是否能培养成功。在实际水处理中,水力剪切力的强弱决定了生物膜反应器启动周期。单从生物膜形成角度分析,弱的水力剪切力有利于细菌在载体表面的附着和固定,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膜反应器的水力学条件是非常重要的。

一年仅一次的考试,又耗得起多少个一年呢?身边很多同学都已改行或考中级,而我没进事务所却选择了坚持考它的意义就在于那份学期专业的执念吧。曾经也想象和单单老师一样考研考职称回母校授课,可她是比我优秀努力更多,她成功按照自己的每一步计划顺利进行着,而我,我的人生出现了很多我不可控的转弯,我也有那样一个可能没办法完成的梦想,有一天回母校站上讲台告诉我的学生,我是你们的学姐,这里是我的起点,它是我成长的地方,我希望它也能够见证你们的成长。

【#济莱高铁通车运营进入倒计时#】9月15日8点30分,55101次检测列车从济南东站开出,标志着济莱高铁联调联试正式启动,通车运营进入倒计时。2019年9月18日,济莱高铁迎来开工,济南从此展开市域高铁的追梦之旅。三年来,济莱高铁建设者一路披荆斩棘,逢山开路、遇水架桥。一座座桥梁横跨东西、一条条隧道贯通衔接、一段段路基串珠成链,一张张蓝图化为实景。着眼长远,济莱高铁的开通也将为济莱一体化,省会龙头强势崛起注入源源不断的“轨道交通力量”。

联调联试正式启动
5座新建站房开始装修

9月15日8点30分,55101次联调联试检测列车从济南东站开出,这标志着济莱高铁联调联试正式启动,通车运营进入倒计时。

据国铁济南局科信部负责人介绍,济莱高铁联调联试大约需要2个月时间,共分逐级提速和信号系统试验两个阶段进行。主要采用检测列车、综合检测列车和测试动车组通过“折返跑”采集分析线路、接触网、通信、信号、客服信息、自然灾害及异物侵限监测等设备系统数据,逐步进行测试、调试和优化,最终实现各子系统和整体系统满足动态验收要求和开通运营条件。

截至目前,济莱高铁累计完成路基工程100%、隧道工程100%、架梁工程100%;5座新建站房主体结构全部封顶,已进入装饰装修阶段,站前广场工程等正有序加快推进。

在开工建设中,济莱高铁建设坚持样板引路,严把质量关。9月13日,济莱高铁雪野站候车厅装饰装修通过首件评估,雪野站候车大厅装饰装修作为全线新建站房的样板工程通过评估,后续其它四座站房的候车大厅装饰装修将按照这一标准执行。

济莱高铁建设中坚持样板引路,站前及站后工程共设置82大项首件评估项目,大到钢筋型号、混凝土浇筑质量,小到水龙头、控制开关安装,都在评估范围内,旨在为后续同类型施工提供样板和标准,参照执行。同时,在施工中,每道工序施工完成转入下一道工序前都要进行监理旁站持牌验收,明确验收工序内容、部位、人员等关键信息并留存相关影像资料。

100多公里架起53座桥,
国内高铁建设的“百科全书”

济莱高铁线路全长117.49公里,全线设济南东、历城、章丘南、雪野、莱芜北、钢城六座车站,在全国高铁线路中其长度不长,但却是我国高铁建设的“百科全书”。而面对这样一条百科全书式的高铁,济南轨道交通人知难不畏难,干什么学什么,缺什么补什么,让市域“高铁梦”一步步照进现实。

济南轨道交通集团济莱高铁建设项目部副经理刘伟介绍,济莱高铁桥梁共计53座,长度约48公里、隧道24座长度约43公里,桥隧比例近78%,施工方式涉及隧道、路基、转体桥、系杆拱桥、悬浇连续梁、现浇连续梁等,几乎涵盖了高铁工程建设的所有施工方式。

施工所到之处,更是遇到了平原、丘陵、山区、沉积岩、花岗岩、石灰岩等高铁建设的各类地质和地形。迁改燃气、输油管线,各类电力线路,把涉及高铁建设遇到的难题几乎全体验了一遍。

寨山隧道,是济莱高铁高铁施工过程中有名“拦路虎”,地质条件复杂,围岩等级变化大。高铁建设者们在隧道开挖过程中,进展快的时候一天能开挖6米,慢的时候一天只能进尺0.6米。为确保隧道安全掘进,加强超前地质预报,时时关注掌子面围岩变化,及时调整开挖施工工法,同时严格控制开挖进尺,最终实现隧道如期贯通。

加快济莱一体化进程
带动省会经济圈发展

济莱高铁建成后,必将加快“济莱一体化”的发展进度。

济莱高铁是山东省会济南“米字型”高铁网的重要组成部分,该段铁路通过济南东站与石济高铁、济青高铁联通,接入全国高铁网,济南市莱芜区、钢城区将结束不通高铁的历史。

在济南印发的《济南市新型城镇化规划(2021-2035年)》、《济南市“十四五”综合交通运输发展规划》中,均强调要加快推动省会经济圈(济南都市圈)一体化发展,以济南为中心,辐射带动淄博、泰安、聊城、德州、滨州、东营六市融合发展。

山东财经大学区域经济研究院院长董彦岭认为,济莱高铁建成通车后,将进一步完善山东省会济南“米字型”高铁网结构,便利沿线群众出行,对实现省会经济圈市市通高铁,打造轨道上的省会经济圈,均具有十分重要的意义。

“济莱高铁是一条市域高铁,首先就是解决了城区快速通联的问题,大大缩短了济南到达莱芜和钢城的通行时间。”董彦岭称,济莱高铁通车后,济南“米字型”高铁网结构也将逐步完善,势必会带动省会经济圈的发展。“从成熟的经济圈来看,不管是长三角经济圈,还是粤港澳大湾区,包括轨道交通在内的快速交通体系,都对区域的发展起到了很大的带动和支撑作用。”

“济莱高铁未来还将在临沂和鲁南高铁对接,这样就融入了全国的铁路交通网络,省会济南也和全国的各个交通网络干线实现了更加紧密的联系,也把莱芜一起接入了大的交通网络。”山东大学齐鲁交通学院交通工程系副教授张汝华认为,济莱高铁虽然目前只市域高铁,但南北可接京沪,东西联海陆,是济南都市圈的核心交通工程之一,对强省会建设意义重大。

另外,济莱高铁建成通车后,将有利于加强省会城市群经济圈与京津冀、长三角等地区的互联互通,同时,对完善区域铁路快速客运网络、优化城际运输结构、增强中心城市辐射功能等方面具有重要意义。

济莱高铁建设大事记:
(一)2019年9月18日,济莱高铁建设项目开工活动举行,济莱高铁迎来开工。
(二)2020年10月21日,济莱高铁全线箱梁首架成功,标志着济莱高铁建设进入线上线下平行施工阶段,全线建设取得阶段性成果。
(三)2020年11月20日,济莱高铁全线首联悬灌连续梁在南曹范村特大桥合龙。对打通标段内架梁通道和实现济莱高铁全线早日开通有着重要意义。
(四)2022年1月16日,济莱高铁南山寨隧道贯通,至此全线24座隧道全部贯通。
(五)2022年2月27日,济莱高铁最后一座连续梁浇筑完成,至此全线27座连续梁全部合龙。
(六)2022年3月30日,章丘南站主体结构封顶,这是全线首座主体结构封顶的新建车站。
(七)2022年4月15日,济莱高铁最后一孔箱梁浇筑完成,至此全线1351孔箱梁全部浇筑完成。
(八)2022年5月8日,济莱高铁迎来全线贯通。
(九)2022年6月30日,最后一根长钢轨在济南东站东侧铺设完成,济莱高铁轨道全线贯通。
(十)2022年7月6日,济莱高铁具备静态验收条件,7月8日正式开始静态验收。
(十一)2022年9月15日,济南至莱芜高速铁路联调联试正式启动,通车运营进入倒计时。


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