一般来说,由于水质呈逐级变化的趋势和微生物生长环境条件的改善,生物膜系统存在的微生物种类和数量均比活性污泥工艺多,食物链长且较为复杂,尤其是丝状菌、原生动物和后生动物种类增加较多,而且还有一定比例的厌氧菌和兼性菌。在日光照射到的部位能够出现藻类,还能够出现滤池蝇这样的昆虫类生物。在分布方面的特点是沿生物膜厚度(由表及里)或进水流向(与进水接触时间不同),微生物的种类和数量呈现出较大差异。在多级处理的第一级或下向流填料层的上部,生物膜往往以菌胶团细菌为主,膜厚度亦较大(2~3mm);随着级数的增加或下向流填料层的下部,由于其接触到的水质已经经过部分处理,生物膜中会逐渐出现较多的丝状菌、原生动物和后生动物;微生物的种类不断增多,但生物膜的厚度却在不断减薄(1~2mm)。生物膜的表层的微生物都是好氧性的,而随着厚度的加大,微生物逐渐变成兼性乃至厌氧性。
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