Hidrológiai Közlöny 1997 (77. évfolyam)

1-2. szám - 3-4. szám - 3. szám - Dombay Gábor: Biofilmek a vízellátás és csatornázás területén

] 132 HIDROLÓGIAI KÖZLÖN

Y 1997. 77. ÉVF. 3. SZ. útján transzportálódnak. A biofilm adott részeire jellemző, az egyes szubsztrátumokra, elektron-akceptorokra vonatkozó relatív diífúzivitás, reakció-kinetika és sztöchiometria más biofilm-részek működését gátolhatja (Christensen et al, 1990). A diffuzivitás mértéke a biofilm vastagságának, sűrűségének és/vagy korának növekedésével csökkenhet (Siegrist et al., 1985). Az EPSmátrix diffúzió szempontjából gátló tényező lehet, összetétele, kiteijedése, esetleges kis pórusszerkezete vagy adszorpciós tulajdonsága folytán (Tanaka et al., 1984; Siegrist et al., 1985; Itamunoala, 1987). A biofilmek víztartalma általában 96-99% közötti, értelemszerűen a diffúzió sebessége a nagyobb sűrűségű, többnyire szervetlen lerakódásokat is tartalmazó biofilmekben kisebb. Az oldott oxigén diffúzió szempontjából az aktív rétegben aerob, míg a passzív rétegben anaerob viszonyok uralkodnak. Ezzel magyarázható, hogy pl. ivóvíz-elosztó hálózatban, ivóvízbeli nagyobb oldott oxigén koncentrációk esetében is találhatók anaerob mikroorganizmusok a biofilmben. A biofilm-vastagság eloszlása az adott reaktorban többnyire nem homogén. Nagyságát számos tényező befolyásolja, melyek közül a legfontosabbak a reaktor fajtája, a hidraulikai körülmények, a tápanyagviszonyok, a biofilm bakteriális összetétele. A vastagság tág intervallumban változhat, jellemző a 10-1000 |j.m nagyságrend (Christensen et al., 1990). A biofilm-sürűség meghatározása rendszerint a vastagság meghatározással egyetemben történik. Nagysága 10 kg/m

3-től (Characklis, 1980) akár 105 kg/m

3-ig (Hoehn et al., 1973) változhat. Watanabe kutatásai alapján feltételezhető, hogy a biofilm sűrűsége a víztérből a hordozófelület felé haladva növekszik (Christensen et al., 1990). Characklis (1980) kimutatta, hogy alacsony tápanyagterhelés esetén a biofilmre ható nyíróerő növelése a kialakuló biofilm sűrűségét növeli. A tápanyag fluxus bizonyos határig történő növelése szintén növeli a biofilm-sűrűséget, ezt az értéket meghaladva azonban már nem következik be változás. A nyíróerő sűrűségnövelő hatását más kutatások is megerősítik (pl. Oga et al., 1991; Trinet et al., 1991; Lazarova et al., 1992). A biofilm geometriai jellemzői. A biofilmek térbeli szerkezete meglehetősen komplex, inhomogén jellegű (Siebel et al., 1991; Lazarova et al., 1992; de Beer et al., 1994). Ezen kutatások alapján megállapítást nyert, hogy nem a hagyományos matematikai modellezés alapjául mikroorganizmus szaporodási sebesség és tápanyagterhelés mértéke határozza meg a biofilm térbeli eloszlását és szerkezetét. Az egyik legjelentősebb tényező a baktérium-populáció morfológiája. A biofilm felszínének morfológiája befolyásolja a biofilm kapcsolatát a víztérrel (Christensen et al., 1990). Bár a biofilm morfológiájára és szerkezetére megfigyelések tehetők, jellemzése gyakorlatilag csak kvalitatíve végezhető. Jelenleg is folynak olyan kutatások, melyek a fraktál-geometria alkalmazásával kvantitatív jellemzését kívánják adni a biofilm-morfológiának. Zahid et al. (1994) forgó merülőtárcsás szennyvíztisztító berendezés felületét vizsgálta. A biofilm-felület fraktál-dimenziója (D

f) a 2.1 < D

f < 2.8 tartományba esett, mely igen változatos felületi érdességet jelez. Hermanowitz et al. (1996) vizsgálatai kimutatták, hogy a vizsgált heterotróf biofilmben a nagyobb biofilm-struktúrák fraktál-dimenziója kisebb volt, amely nyitottabb szerkezetre utal. A vízáramlás irányával párhuzamosan D

f = 2.67, míg arra merőlegesen D

f = 2.5 fraktá-dimenziót számítottak. Vagyis az áramlás irányában a biofilm tömörebb szerkezetű. Az eddigi kutatások alapján feltételezhető, hogy a fraktál-geometria segítségével a biofilmek szerkezetének egyértelműbb jellemzése adható. (Azonban nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a tényt, hogy két különböző alakzat azonos fraktál-dimenzióval bírhat). A biofilmek mikroszerkezetére vonatkozóan igen kisszámú kísérleti megfigyelés áll rendelkezésre (Lazarova et al., 1995). Ennek oka, hogy jelenleg nem rendelkezünk olyan analitikai apparátussal, mely a biofilmek vizsgálatát in situ lehetővé tenné. 4. A biofilm kialakulása A biofilm-kialakulás folyamata a következő (Characklis, 1990a nyomán): 1. A víztérből szerves molekulák transzportálódnak a hordozó felületre, ahol egy bizonyos hányaduk adszorbeálódik. Adszorpciójuk előkészíti, kondicionálja a felületet. 2. Szuszpendált mikroorganizmusok transzportálódnak a víztérből a kondicionált felülethez. 3. A sejtek egy része a felülettel történő ütközése után adszorbeálódik, majd egy bizonyos idő után deszorbeálódik a felületről. Ez a folyamat a reverzibilis adszorpció. 4. A deszorpciót főként a folyadékáramlásból származó nyíróerő okozza, de egyéb fizikai, kémiai és biológiai folyamatok (pl. hőmérséklet - bedolgozási idő kapcsolata) is előidézhetik. 5. Azon sejtek, melyek egy kritikus időn túl adszorbeálódva maradtak, véglegesen (irreverzibilisen) adszorbeálódnak a hordozófelülethez. 6. Megindul a véglegesen adszorbeálódott sejtek metabolizmusa, melyhez a tápanyagokat a víztér szolgáltatja. A proliferáción túl a mikroorganizmusok produktumot is termelnek, így EPS-t, mely a rögzült sejteket koherens bevonattá, biofilmmé teszi. 7. További sejtek és egyéb lebegőanyagok rögzülnek a biofilm felületéhez (attachment), majd beépülnek a biofilmbe. 8. A biofilm egyes részei leválnak, lemosódnak, így a víztestbe kerülnek. A biofilm-kialakulás időbeli folyamata az 1. ábrán (Characklis, 1990b) értelmezhető. (Az ábrán megfigyelhető a biofilm kifejlődésének hatása a súrlódási, valamint a hőátadási ellenállásra is.) A biofilm-kialakulás logisztikus modellje: dX — = kX(\-k'X), (1) ahol X a biofilm mennyisége (ált. biomasszával, sűrűséggel, vastagsággal vagy sejtszámmal kifejezve), k a növekedési ráta, s"',