如何通过化学表征研究评估医疗器械材料的安全性
医疗器械及组件都是由各种材料制成。在国家标准 GB/T 16886-1医疗器械生物学评价（等同于ISO 10993-1）中，对器械制备材料明确提出了两个重要问题：一是材料是否安全；二是材料的理学、化学、电学、形态学和力学等特性，是否满足预期的功能。材料的安全取决于材料的生物相容性，而生物相容性又主要取决于材料的化学特性，因此材料化学表征可以评价医疗器械的不同特性。
材料化学表征的意义
医疗器械的生物相容性以前主要是通过动物的体内测试来评估。但是，随着动物保护和福利意识的增强，更加灵敏的分析设备和分析方法的出现，用仪器或其他体外方法部分替代动物试验，并明确材料中潜在的毒性物质，确保患者的使用安全，越来越成为全球的共识和监管机构的要求。根据GB/T 16886-18（等同于ISO 10993-18）的建议，目前较合理的方式是在选择器械制备材料前，先对材料进行化学表征，并比较它们和现有的临床使用材料之间的差别。
通过对材料的分析，来检测可能迁移到患者体内的化学物质和类型。最后通过对这些化学物质的毒理评估，结合体内测试的数据，更好的整体评估材料生物相容性。
通过以上分析，材料化学表征和性能检测可以建立化学性能和生物相容性的关系，确立材料满足生物学试验要求的基本规格要求，并达到以下目的：
(1)确定材料的规格；
(2)鉴别不符合要求的材料；
(3)在研究的早期及时发现潜在的问题；
(4)减少不必要的动物试验；
(5)确保不同批次材料的一致性。
材料化学表征的原则
在进行材料化学表征前，有必要充分了解材料合成的详细资料，这些资料包括：在合成过程中采用的聚合单体和溶剂；在材料制备过程中加入的添加剂以及加工助剂；医疗器械的灭菌方法（尤其是可能影响材料性质的辐照灭菌方法）；可降解材料在预期使用条件下的降解过程；从材料中可能释放的潜在降解产物等。
如果能获得这些资料，材料的表征和化学性能检测可以只进行部分试验或只通过文献分析。如果不能获得这些资料，则应采用适当的试验方法对材料进行分析，以获得材料的化学成分的数据，并对其毒性进行风险分析。材料化学表征的完成，需要化学分析工作者和毒理学家的密切配合，化学工作者提供必要的定性和定量数据，毒理学家利用毒理数据库和经验，对这些数据进行评估并确定器械是否安全。
化学表征的步骤
步骤1—定性信息收集
监管部门要求对器械或材料及其预期目的进行描述。这部分信息最好从原料供应商处获得，任何加工助剂（例如脱模剂）的信息还需要从其他有关人员（包括加工商和组件制造商）处获得，更多的信息和数据可以大大降低所需要的材料化学表征测试项目，鉴别材料化学组分可能引起的毒性危害，并进行风险评定。
步骤2—材料等同性
医疗器械可以是一个企业自有的产品，也可以是市场上获得的商业化产品。研究者可以搜集已有的大量信息和数据，并将医疗器械和已知的材料信息共同罗列在一个电子表格或者数据库中进行评估。如果得到的信息足够多，研究者可以直接将信息交由毒理学家进行风险评估。因此材料等同性最大的挑战就是获得相关的信息和评估其完整性。如同定性信息，获得更多的数据不仅能够让研究者少走弯路，也能让企业节约很多资源。
步骤3—定量信息
当定性信息不够充分，不能进行毒理学分析时，研究者应当设计完整的实验方案对材料进行化学分析，以得到材料的化学成分、添加剂、残留物、杂质及降解物等可提取物。
步骤4—定量风险评估
在得到化学物质实际的暴露量后，研究者应进行风险评估，来确认材料中的该化学物质是否对人体会产生危害。风险评估工作一般需要由毒理学家完成。详细的评估过程可以参考GB/T 16886-17。
步骤5— 估计临床接触的化学物
此评估是根据临床接触和使用的情况，测定浸出化学物质的接触程度并预估其接触总量，从而判定器械和材料是否安全。所用的浸提条件应形成文件并进行论证。
材料化学表征的方法
材料的物理表征方法，主要使用红外分析、热差分析等手段对材料进行鉴别；通过力学测试仪器对抗张强度、压缩强度、剪切强度和弯曲强度等参数进行测定；通过硬度计测定反映材料抗压性能的指标硬度；通过光学显微镜、扫描电镜和原子力显微镜测定和组织或血液接触的材料表面的特性等。
材料的化学表征和物理表征方法不同，主要采用在规定条件下，制备组件或者材料的浸提液进行理化分析和仪器分析。理化分析主要是一些非特异性测试项目，通常的指标有非挥发物含量、酸碱度（缓冲能力）、紫外吸光度和浊度等。
仪器分析则是一些特异性测试项目，试验采用的仪器方法快速高效，具有很好的相关性、灵敏性，并且可以提供非常有用的确定信息，以保证材料的安全和生物相容性。例如，常用是凝胶渗透色谱方法（GPC）测量材料的分子量分布；气相色谱－火焰离子化检测器/质谱 检测器连用(GC-FID/MS)，用于测定挥发性和半挥发性化学物质；液相色谱－质谱连用技术（LC-MS）用于测定非挥发性化学物质；原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱或发射光谱法（ICP-MS/OES）可以测定浸提液中金属元素杂质的含量。
另外，可以根据医疗器械和人体接触的部位和时间来确定需要测试的项目。对于和人体表面接触使用时间短的器械，可以进行萃取物和FTIR分析检测，例如与皮肤和黏膜接触的检查手套、血压计袖带和内窥镜等医疗器械；对于接触时间长和植入体内的医疗器械，则根据不同的用途进行相应的检测。例如，和血液直接和间接接触的医疗器械（透析器及其管路和体外循环管路），需要中等程度的化学性能检测；而体内植入的医疗器械则需要全面严格的化学性能的检测。（来源于医疗器械质量与检测）
医疗器械及组件都是由各种材料制成。在国家标准 GB/T 16886-1医疗器械生物学评价（等同于ISO 10993-1）中，对器械制备材料明确提出了两个重要问题：一是材料是否安全；二是材料的理学、化学、电学、形态学和力学等特性，是否满足预期的功能。材料的安全取决于材料的生物相容性，而生物相容性又主要取决于材料的化学特性，因此材料化学表征可以评价医疗器械的不同特性。
材料化学表征的意义
医疗器械的生物相容性以前主要是通过动物的体内测试来评估。但是，随着动物保护和福利意识的增强，更加灵敏的分析设备和分析方法的出现，用仪器或其他体外方法部分替代动物试验，并明确材料中潜在的毒性物质，确保患者的使用安全，越来越成为全球的共识和监管机构的要求。根据GB/T 16886-18（等同于ISO 10993-18）的建议，目前较合理的方式是在选择器械制备材料前，先对材料进行化学表征，并比较它们和现有的临床使用材料之间的差别。
通过对材料的分析，来检测可能迁移到患者体内的化学物质和类型。最后通过对这些化学物质的毒理评估，结合体内测试的数据，更好的整体评估材料生物相容性。
通过以上分析，材料化学表征和性能检测可以建立化学性能和生物相容性的关系，确立材料满足生物学试验要求的基本规格要求，并达到以下目的：
(1)确定材料的规格；
(2)鉴别不符合要求的材料；
(3)在研究的早期及时发现潜在的问题；
(4)减少不必要的动物试验；
(5)确保不同批次材料的一致性。
材料化学表征的原则
在进行材料化学表征前，有必要充分了解材料合成的详细资料，这些资料包括：在合成过程中采用的聚合单体和溶剂；在材料制备过程中加入的添加剂以及加工助剂；医疗器械的灭菌方法（尤其是可能影响材料性质的辐照灭菌方法）；可降解材料在预期使用条件下的降解过程；从材料中可能释放的潜在降解产物等。
如果能获得这些资料，材料的表征和化学性能检测可以只进行部分试验或只通过文献分析。如果不能获得这些资料，则应采用适当的试验方法对材料进行分析，以获得材料的化学成分的数据，并对其毒性进行风险分析。材料化学表征的完成，需要化学分析工作者和毒理学家的密切配合，化学工作者提供必要的定性和定量数据，毒理学家利用毒理数据库和经验，对这些数据进行评估并确定器械是否安全。
化学表征的步骤
步骤1—定性信息收集
监管部门要求对器械或材料及其预期目的进行描述。这部分信息最好从原料供应商处获得，任何加工助剂（例如脱模剂）的信息还需要从其他有关人员（包括加工商和组件制造商）处获得，更多的信息和数据可以大大降低所需要的材料化学表征测试项目，鉴别材料化学组分可能引起的毒性危害，并进行风险评定。
步骤2—材料等同性
医疗器械可以是一个企业自有的产品，也可以是市场上获得的商业化产品。研究者可以搜集已有的大量信息和数据，并将医疗器械和已知的材料信息共同罗列在一个电子表格或者数据库中进行评估。如果得到的信息足够多，研究者可以直接将信息交由毒理学家进行风险评估。因此材料等同性最大的挑战就是获得相关的信息和评估其完整性。如同定性信息，获得更多的数据不仅能够让研究者少走弯路，也能让企业节约很多资源。
步骤3—定量信息
当定性信息不够充分，不能进行毒理学分析时，研究者应当设计完整的实验方案对材料进行化学分析，以得到材料的化学成分、添加剂、残留物、杂质及降解物等可提取物。
步骤4—定量风险评估
在得到化学物质实际的暴露量后，研究者应进行风险评估，来确认材料中的该化学物质是否对人体会产生危害。风险评估工作一般需要由毒理学家完成。详细的评估过程可以参考GB/T 16886-17。
步骤5— 估计临床接触的化学物
此评估是根据临床接触和使用的情况，测定浸出化学物质的接触程度并预估其接触总量，从而判定器械和材料是否安全。所用的浸提条件应形成文件并进行论证。
材料化学表征的方法
材料的物理表征方法，主要使用红外分析、热差分析等手段对材料进行鉴别；通过力学测试仪器对抗张强度、压缩强度、剪切强度和弯曲强度等参数进行测定；通过硬度计测定反映材料抗压性能的指标硬度；通过光学显微镜、扫描电镜和原子力显微镜测定和组织或血液接触的材料表面的特性等。
材料的化学表征和物理表征方法不同，主要采用在规定条件下，制备组件或者材料的浸提液进行理化分析和仪器分析。理化分析主要是一些非特异性测试项目，通常的指标有非挥发物含量、酸碱度（缓冲能力）、紫外吸光度和浊度等。
仪器分析则是一些特异性测试项目，试验采用的仪器方法快速高效，具有很好的相关性、灵敏性，并且可以提供非常有用的确定信息，以保证材料的安全和生物相容性。例如，常用是凝胶渗透色谱方法（GPC）测量材料的分子量分布；气相色谱－火焰离子化检测器/质谱 检测器连用(GC-FID/MS)，用于测定挥发性和半挥发性化学物质；液相色谱－质谱连用技术（LC-MS）用于测定非挥发性化学物质；原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱或发射光谱法（ICP-MS/OES）可以测定浸提液中金属元素杂质的含量。
另外，可以根据医疗器械和人体接触的部位和时间来确定需要测试的项目。对于和人体表面接触使用时间短的器械，可以进行萃取物和FTIR分析检测，例如与皮肤和黏膜接触的检查手套、血压计袖带和内窥镜等医疗器械；对于接触时间长和植入体内的医疗器械，则根据不同的用途进行相应的检测。例如，和血液直接和间接接触的医疗器械（透析器及其管路和体外循环管路），需要中等程度的化学性能检测；而体内植入的医疗器械则需要全面严格的化学性能的检测。（来源于医疗器械质量与检测）
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。
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。
修身为本，教学为先（五十）
大有 刘余莉 2022-09-19 08:38 发表于北京
2017年7月14日，老教授教导同学们说，
孝亲尊师是根本，有这两个根，当遇到高人的时候，真的会教，真的会帮助。
善恶念头都有因果。善恶念头都不好，要行善而不着行善的相。心地清净比什么都重要，缘来了，做应该做的事。过去的恶不要去想，想一次就又做一次，都不是真的，是虚妄的。命自我造，善恶都有报。
社会乱了是被人教坏了，对治的办法还是教育。读书的目的是成圣成贤，中华文化是圣贤文化。十几个学生中有一两个成圣成贤，教育就成功了。
要有真诚的爱心，爱汉字文言文。爱中国，爱老祖宗，爱中华传统文化。要有真正的使命感，发大心。老祖宗千百年的东西不能丢。现在是万劫难逢的机缘。要承担责任，不能白白做人一次。
大有 刘余莉 2022-09-19 08:38 发表于北京
2017年7月14日，老教授教导同学们说，
孝亲尊师是根本，有这两个根，当遇到高人的时候，真的会教，真的会帮助。
善恶念头都有因果。善恶念头都不好，要行善而不着行善的相。心地清净比什么都重要，缘来了，做应该做的事。过去的恶不要去想，想一次就又做一次，都不是真的，是虚妄的。命自我造，善恶都有报。
社会乱了是被人教坏了，对治的办法还是教育。读书的目的是成圣成贤，中华文化是圣贤文化。十几个学生中有一两个成圣成贤，教育就成功了。
要有真诚的爱心，爱汉字文言文。爱中国，爱老祖宗，爱中华传统文化。要有真正的使命感，发大心。老祖宗千百年的东西不能丢。现在是万劫难逢的机缘。要承担责任，不能白白做人一次。
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