容积负荷与污泥流失速度对生物膜形成的影响

生物膜的形成依赖于液相流中悬浮污泥向载体表面的扩散。液相流有两种形式，在非连续进水的反应器中，水的总体积可以理解为不发生变化，微生物在反应器内被水流带动周而复始运动。

当有新的营养物进入，水的紊流状态可以使这些物质沿着多个路径快速扩散，然后被身处于这些流场中的微生物“捕获”进行代谢和生长。

只要营养物质不断地涌入，微生物的数量就会增加。这样就得到了生长速率的概念。它的定义是反应器内单位质量微生物，在1h或1d内可以合成的微生物细胞质量。

另一种液相流就是连续进水，连续出水的方式，营养物质和微生物“顺流而下”，一路布施，待“家财散尽”就流出反应器。

用水渠的概念类比了反应器中液相流向载体表面输送微生物和营养物质。如果水渠里的水很干净，达到了“问渠那得清如许，为有源头活水来”的程度，那也就没有多少悬浮物可以沉积。

就得是浑浊的水，有很多悬浮微生物而产生了浊度的水，才能为载体带来丰厚的沉积物。如同埃及的尼罗河在雨季定期泛滥，从上游携带了大量泥沙，才形成了肥沃的新月谷地。

因此在生物膜形成初期，需要让微生物达到一定的生长速率，目的之一就是增加反应器内液相流中悬浮污泥的浓度。每一个污泥絮体好比就是一个接触面，液相中污泥量越多，与载体接触的总面积就越大。

从概率角度，当絮体数量越多，由于流体运动带来的碰撞过程中，同一时间与载体处于“接触”状态的微生物总量就越多。高容积负荷提供了高生长速率，有利于以最快的速度完成液相中悬浮污泥的积累。

除了高容积负荷提供的高生长率，影响载体生物膜生长还有一个因素----悬浮污泥的流失率。这一点和厌氧反应器中颗粒污泥的培养原理相同，需要以一定速率“洗出”反应器内的絮状物，尽量避免絮状污泥与颗粒污泥之间争夺营养，而使颗粒污泥的生长受到限制。

在生物膜的培养中，也有这样一个机制。当悬浮微生物洗出的速度，即每小时从反应器流出的污泥量，大于微生物的最大生长速度时，悬浮状态污泥的总量将从反应器中流失。

生物膜处于成长期时，悬浮污泥的总量增加对载体“接种”是有利的，这个参数可以由容积负荷来控制；当生物膜逐渐形成时，悬浮污泥就得慢慢地被洗出反应器，在容积负荷一定时，这个污泥流失的速率就由水力停留时间（HRT）来决定。作为生物膜存在的三种形态：絮状污泥、生物膜、颗粒污泥。后两者在形成时，都可以在絮状污泥的基础上施加新的选择压，对特定微生物进行更进一步的富集。