生物膜的形成過程是微生物吸附、生長(zhǎng)、脫落等綜合作用的動(dòng)態(tài)過程。
首先，懸浮于液相中的有機(jī)污染物及微生物移動(dòng)并附著在載體表面上；然后，附著在載體上的微生物對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解，并發(fā)生代謝、生長(zhǎng)、繁殖等過程，并逐漸在載體的局部區(qū)域形成薄的生物膜，這層生物膜具有生化活性，又可進(jìn)一步吸附、分解廢水中有機(jī)污染物，直至*后形成一層將載體完全包裹的成熟的生物膜。
根據(jù)Characklis、Liu等人的研究，微生物膜的形成通常經(jīng)歷載體表面改良、可逆附著、不可逆附著、生物膜形成四個(gè)階段，具體描述如下：
微生物在載體上的掛膜可分為微生物吸附和固著生長(zhǎng)兩個(gè)階段。載體加入水體以后，首先進(jìn)入吸附期。有部分微生物和絲狀物質(zhì)已經(jīng)附著在載體表面，附著了較多物質(zhì)的位置往往是載體的凹處，不容易被水流剪切的地方。此時(shí)懸浮液中的微生物大量增長(zhǎng)，出現(xiàn)較明顯的一個(gè)污泥層。
經(jīng)過不可逆附著以后，微生物在載體表面獲得一個(gè)比較穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，在供氧和底物充足的情況下，吸附在載體上的污泥中的微生物很快就開始生長(zhǎng)。
隨著培養(yǎng)馴化時(shí)間的增長(zhǎng)，在載體表面生長(zhǎng)的生物膜也迅速增長(zhǎng)，逐漸覆蓋整個(gè)載體表面，并開始增厚。但生物膜的生長(zhǎng)并不均勻，在載體比較突出的地方，生物膜比較薄，而凹處則會(huì)長(zhǎng)出相當(dāng)繁盛的菌落，可見水力剪切對(duì)生物膜的生長(zhǎng)具有重要的影響。在載體表面附著生長(zhǎng)的微生物種類也很繁多，除了累枝蟲、鐘蟲外，還可觀察到絲狀菌、球菌、桿菌等，還有一些游泳性的細(xì)菌在活動(dòng)。隨著載體上附著了越來越多的生物膜，載體的表觀密度逐漸會(huì)下降，變得更輕，更容易流態(tài)化，同時(shí)在下降區(qū)的載體下降速度有所變慢。

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(xué)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(qiáng)度、水力剪切力、溫度、營(yíng)養(yǎng)條件及微生物與載體的接觸時(shí)間)等因素有關(guān)。

載體表面性質(zhì)

一方面，與光滑表面相比，粗糙的載體表面增加了細(xì)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(duì)已附著的細(xì)菌起著屏蔽保護(hù)作用，使它們免受水力剪切力的沖刷。
研究認(rèn)為，相對(duì)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(duì)反應(yīng)器內(nèi)生物膜的掛膜也很重要。Wagner在用氣提式反應(yīng)器處理難降解物廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在載體質(zhì)量濃度很低情況下，即使生物膜厚達(dá)295μm，還是不能達(dá)到穩(wěn)定的去除率。但是，在載體濃度為20-30g/L時(shí)，即使只有20%的載體上有75μn厚的生物膜，反應(yīng)器依然能達(dá)到穩(wěn)定的(98%)去除率，COD負(fù)荷*高可達(dá)58kg/(m3·d)。

懸浮微生物濃度

在臨界值以前，微生物從液相傳送、擴(kuò)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。
懸浮微生物的活性

影響懸浮微生物活性的因素主要有如下幾種：

(1)當(dāng)懸浮微生物的生物活性較高時(shí)，其分泌胞外多聚物的能力較強(qiáng)。這種粘性的胞外多聚物在細(xì)菌與載體之間起到了生物粘合劑的作用，使得細(xì)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(zhǎng)率相關(guān)。當(dāng)μ增加時(shí)，懸浮微生物的動(dòng)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(xì)菌初始積累速率與懸浮細(xì)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(yīng)變化。Herben等研究發(fā)現(xiàn)，懸浮細(xì)菌活性對(duì)細(xì)菌在載體表面的附著固定過程有影響，而且，細(xì)菌表面的化學(xué)組成、官能團(tuán)的量也隨細(xì)菌活性的變化有顯著變化。同時(shí)，Wastson等的研究表明，細(xì)胞膜等隨懸浮細(xì)菌活性的變化而有顯著變化。細(xì)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(rèn)為，由懸浮微生物活性變化而引起的細(xì)菌表面生理狀態(tài)或分子組成的變化是有利于細(xì)菌在載體表面附著、固定的；
(4)微生物與載體接觸時(shí)間。微生物在載體表面附著、固定是—?jiǎng)討B(tài)過程。微生物與載體表面接觸后，需要一個(gè)相對(duì)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(shí)間，完成微生物在載體表面的增長(zhǎng)過程；
(5)水力停留時(shí)間(HRT)。HeUnen等認(rèn)為，HRT對(duì)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(jī)容積負(fù)荷大，當(dāng)稀釋率大于*大生長(zhǎng)率時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)載體上能生成完整的生物膜。在COD負(fù)荷為2.5kg/(m3·d)，HRT為4h時(shí)，載體上幾乎沒有完整的生物膜，而水力停留時(shí)間為1h時(shí)，在相同的操作時(shí)間內(nèi)幾乎所有的載體上都長(zhǎng)有完整的生物膜，且較高的表面COD負(fù)荷更易生成較厚的生物膜，即COD負(fù)荷越高，生物膜越厚。周平等也通過試驗(yàn)證明了較短的HRT有利于載體掛膜；
(6)液相pH值。除了等電點(diǎn)外，細(xì)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(dāng)液相pH值大于細(xì)菌等電點(diǎn)時(shí)，細(xì)菌表面由于氨基酸的電離作用而顯負(fù)電性；當(dāng)液相pH值小于細(xì)菌等電點(diǎn)時(shí)，細(xì)菌表面顯正電性。細(xì)菌表面電性將直接影響細(xì)菌在載體表面附著、固定；
(7)水力剪切力。在生物膜形成初期，水力條件是一個(gè)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(shí)際水處理中，水力剪切力的強(qiáng)弱決定了生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)周期。單從生物膜形成角度分析，弱的水力剪切力有利于細(xì)菌在載體表面的附著和固定，但在實(shí)際運(yùn)行中，反應(yīng)器的運(yùn)行需要一定強(qiáng)度的水力剪切力以維持反應(yīng)器中的完全混合狀態(tài)。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)行中如何確定生物膜反應(yīng)器的水力學(xué)條件是非常重要的。

生物載體掛膜過程中的作用力

載體表面親水性的影響
通過對(duì)不同載體掛膜實(shí)驗(yàn)得出：GPUC載體表面含有—OH、酰胺基等親水性基團(tuán)，而大部分微生物本身具有良好的親水性，載體表面與微生物表面能夠形成氫鍵結(jié)構(gòu)；同時(shí)親水性載體表面自由能低于疏水性載體的表面自由能，水中的微生物更容易接近親水性載體表面吸附生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)GPUC載體與普通多孔載體進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示GPUC載體的掛膜量及掛膜生物活性均大于普通多孔載體。

溫度對(duì)掛膜行為的影響

分別在10℃、20℃、35℃左右時(shí)進(jìn)行掛膜試驗(yàn)，同時(shí)在整個(gè)掛膜過程中測(cè)定填料上附著的微生物量，結(jié)果表明：在10℃時(shí)，掛膜啟動(dòng)較慢，經(jīng)過7d才有明顯的生物膜附著，掛膜成熟經(jīng)過了21d，附著生物量*大值為2.1 g/L；在35℃時(shí)，經(jīng)過4d生物膜開始形成，生物膜成熟經(jīng)歷了約19d，附著生物膜量*大值為3.5g/L；在20℃左右時(shí)，經(jīng)過2d生物膜開始形成，生物膜成熟經(jīng)過了10d左右，附著生物膜量*大值為5.7g/L�？梢姡瑴囟葘�(duì)掛膜的影響不大明顯，在15～30℃內(nèi)，填料表面生物膜都能夠形成，掛膜啟動(dòng)較快。
溫度是影響生物活性和代謝能力的關(guān)鍵因素，其對(duì)硝化反應(yīng)過程的影響主要在于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)規(guī)律及生物活性上。
溫度對(duì)生物活性的影響表現(xiàn)為：1）對(duì)生化反應(yīng)速率的影響；2）對(duì)氧的傳質(zhì)速率的影響。
載體比表面積、表面粗糙度對(duì)生物膜附著性能的影響