Màng sinh học là cấu trúc thường gặp trong thế giới tự nhiên. Lý do khiến vi khuẩn gắn vào và tạo nên màng sinh học lên bề mặt là vì bề mặt là nơi chất dinh dưỡng tích tụ lại. Do mọi bề mặt đều có điện tích âm sẽ hút ion dương và cacbon hữu cơ hoà tan, các hợp chất mang điện tích dương tích tụ lại bên nhau lại sẽ thu hút các hợp chất mang điện tích âm. Vì thế, ngay cả trong môi trường nước nghèo chất dinh dưỡng cũng có vừa đủ chất hữu cơ bám vào bề mặt để giúp vi khuẩn phát triển. Khi các hợp chất hữu cơ tụ lại trên mặt nước, chúng sẽ thu hút các vi khuẩn, tảo và động vật nguyên sinh thích ăn chúng đến, theo thời gian sẽ phát triển thành một màng sinh học, được gọi là neuston (sinh vật sống trong màng mặt nước/váng bề mặt) (http://aquasaigon.org/index.php?threads/biofilm-mang-sinh-hoc.76/).
21
Vi khuẩn bám vào bề mặt theo nhiều cách khác nhau, một màng sinh học hoàn chỉnh có thể dầy từ 600-900 µm, tức là dầy gấp mấy trăm lần một con vi khuẩn đơn lẻ (một con vi khuẩn dài khoảng 1µm). Màng sinh học không phải là một chất vô định hình, hay một khối đặc sệt các polysaccharides và vi khuẩn mà nó có tổ chức và cấu trúc. Thậm chí là khu vực dầy nhất của màng sinh học cũng cho luồng nước chảy qua. Nước chảy qua các cấu trúc hình nấm của những khối cầu vi khuẩn, qua đó, cung cấp dinh dưỡng cho chúng và đem chất thải ra môi trường bên ngoài (http://aquasaigon.org/index.php?threads/biofilm-mang-sinh-hoc.76/).
Theo Trịnh Xuân Lai (2000), phần lớn vi khuẩn có khả năng sống và phát triển trên bề mặt vật rắn, khi có đủ độ ẩm và thức ăn là các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxy chúng dính bám vào bề mặt vật rắn bằng chất gelatin do chính vi khuẩn tiết ra và chúng có thể dễ dàng di chuyển trong lớp gelatin dính bám này. Đầu tiên vi khuẩn cư trú hình thành tập trung ở một khu vực. Sau đó màng vi sinh không ngừng phát triển, phủ kín toàn bộ bề mặt vật rắn bằng một lớp đơn bào. Chất dinh dưỡng (hợp chất hữu cơ, muối khoáng) và oxy có trong nước thải cần xử lý khuếch tán qua màng biofilm vào tận lớp xenlulo đã tích luỹ ở sâu nhất, mà ở đó ảnh hưởng của oxy và chất dinh dưỡng không còn tác dụng. Sau một thời gian, sự phân lớp hoàn thành: lớp ngoài cùng là lớp hiếu khí, được oxy khuếch tán thâm nhập, lớp trong là lớp yếm khí không có oxy. Bề dày của hai lớp này phụ thuộc vào vật liệu đỡ (vật liệu lọc), cường độ gió và nước qua lớp lọc. Bề dày lớp hoạt tính hiếu khí thường khoảng 300 - 400µm.
Thành phần sinh vật chủ yếu của màng sinh vật là vi khuẩn, ngoài ra còn có các loài động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,… Sau một thời gian hoạt động, màng sinh vật dày lên và màng bị tách khỏi nguyên liệu lọc. Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước tăng lên. Sự hình thành các lớp màng sinh vật mới lại tiếp diễn.
Màng sinh vật Vật liệu lọc
Nước thải
Chất hữu cơ hoà tan O2
CO2
NH4+
22