生物膜及生物膜技术在污水处理中的应用

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生物膜及生物膜技术在污水处理中的应用

环境与能源工程学院 给水排水工程专业 11级2班 倪朝磊

摘要：评述了生物膜的结构和组成，以及生物膜的生物学功能，生物膜载体，

生物膜及生物膜技术在污水处理中的应用

关键词：生物膜，污水处理，生物膜载体，生物膜技术，氨氮，磷

引言：所有的细胞都以一层薄膜将它的内含物与外界环境分开。另外，大多数细胞中还含有许多的内膜体系，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器，例如，线粒体，细胞核，内质网，溶酶体和叶绿体等。细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。

生物膜不仅是构成细胞和细胞器的重要组成成分，而且具有重要的生物功能。生命过程中的许多重要的现象，例如，物质运输，能量转换，细胞识别，免疫，神经传导，代谢控制，激素和药物作用等，都与生物膜功能有关。由于生物膜具

【1】有选择性的通透特性，在工业，工业和医药等方面也有广阔的应用前景。

生物膜废水处理技术是将微生物固定在载体上形成生物膜使废水中的污染物进行降解的技术 ，所以载体的正确选择对提高废水处理的效果非常重要。20世纪 60年代有机合成材料 ，例如具有高比表面积和孔隙率的聚乙烯 、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹状 、列管状和蜂窝状等有机合成填料的出现使生物膜法污水处理技术得到快速发展，现在 已经成为与活性污泥法并列的主要污水处理方法之一 。

然而有机合成填料等当前主要应用的生物膜载体也在生物相容性 、稳定性 、力学性能 、处理效果及再生等多方面或某一方面暴露 出很多不足，制约了生物膜法水处理技术的发展，因此研制、选定更优异的生物膜载体材料已成为发展生

【2】物膜法水处理最重要的题之一。

1 生物膜

1.1生物膜的组成与结构

1.1.1生物膜的组成

生物膜主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇），蛋白质（包括酶）和多糖类组成，还有水和金属离子等。生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。

（1）脂质。脂质是构成生物膜的最基本的结构物质。脂质包括磷脂，胆固醇和糖脂等，其中主要以磷脂为只要成分。

（2）膜蛋白。生物膜中含有多种不同的蛋白质，通常称为膜蛋白。根据它们在膜上的定位情况，可以分为外周蛋白和内在蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的基本场所。

（3）糖类。生物膜中含有一定的寡糖类物质。他们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖，半乳糖胺，甘露糖，葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中糖类化合物在信息传递和互相识别方面具有重要作用。

1.1.2生物膜的结构

生物膜是以磷脂，胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜。由于细胞膜周围环境是水分子，膜脂分子的亲水端都朝向膜的中央，因此都能够自动形成双脂层。下图为生物膜的结构及膜蛋白和糖在膜上的分布。

【3】

1.2生物膜的功能

生物膜是一种具有重要功能的双层脂膜，具有保护，转运，能量转换，信息传递，运动和免疫等生物功能。

1.2.1保护功能

1.2.2转运功能

（1）被动转运（2）主动转运（3）能量转换（4）信息传递（5）运动功能（6）免疫功能 【1】

2生物膜载体

2.1生物膜载体

生物膜载体是该工艺的核心部分 ，无论是好氧、兼氧还是厌氧过程 ，载体都

【4】发挥着重要的作用，对废水的处理效率有着直接影响。

优良载体应具有以下特性：载体应具有良好的生物相容性，适 中的粒度及孔径结构 ，可以耦联足够的生物分子；载体的作用仅是使生物分子固定化 ，对生物分子而言载体应是惰性的；载体应具有足够的机械强度 ，以保证载体的使用寿命和稳定性 ；载体表面应具有化学活性基团，这些基团可以直接或经过较为温和的化学方法活化后与生物分子耦联；载体应价格便宜 ，操作制备方便 。实际上 ，很少有一种载体材料能满足上述所有条件 。通常总是根据工作性质去选择较为合适的载体材料。

生物膜填料的种类及分类方法繁多，按照载体的材料分类，生物膜载体大致 可分为固定型填料 、软性填料、半软性填料及复合填料等悬挂式填料和悬浮型填料。

2.1.1 固定式填料

固定式填料主要包括蜂窝状和波纹板状等硬性填料。

2.1.2 悬挂式填料

悬挂式填料包括软性 、半软性及组合填料 。

软性填料主要以软性纤维填料为代表。软性填料的基本结构是在一根中心绳索上系扎软性纤维束，在安装时需要固定在辅助支架上 ，它克服了蜂窝填料的某些弊端。软性填料的空隙可变性避免了堵塞现象 ；纤维丝的数量很多 ，从而具有巨大的理论比表面积 (2470m ／m。)，造价低廉 、加工方便 。但软性填料一般在使用 1年后就会出现纤维束结 团的现象 。随着 时间 的推移 ，结 团现象将越来 越严重 。黄长盾等 对软性填料研究表 明：软性纤维填料在水中处于漂浮状态 ，对气水混合 流体的碰撞和切割很微弱不足以把大气泡切割为小气泡 ，影响了氧的转移速率 。

针对软性填料的缠结和断丝两方面的不足 ，业内专家对软性填料进行了改良，即后来发展起来的半软性填料 ，以 BS型半软性填料为代表 。半软性填料的理论比表面积(85～150m ／m。)较软性填料小 ，造价较软性填料高，且表面光滑 ，微生物附着性能相对较差 。

组合式填料是基于软性填料的比表面积大、易挂膜和半软性填料的不结团、布气均匀的优点基础上设计的一种填料 ，以 YDT 弹性立体填料为例 。YDT弹性立体填料L5利用密集的丝条来进行挂膜和切割气泡 ，比表面积大、生物膜量多，氧的利用率比软性填 料料高 ，不堵塞 、使用寿命长。梅翔等进行YDT填料过膜试验发现 ：YDT填料在较

易挂膜同时 也易积泥 。目前，在对不同水力负荷和曝气强度下，填料积泥及生物膜状况对运行效果的影响尚无研究。

2.1.3 悬浮型填料

悬浮型填料的开发是当前国内外针对以上填料的不足，由生物流化床工艺引发而来的一个新的研究方向。这种填料密度接近于水 ，无需固定支架 ，在池中可随曝气搅拌悬 浮于水中并全池均匀流化 ，能耗较低 ，是一种很有发展前途的填料。据资料表明：悬浮填料用于中水 、化工 、制药、印染 、造纸等工业

【5】废水的处理 ，处理效果相当好。

2.2 生物膜载体的研究进展

生物膜载体大致可以分为两类，有机类载体和无机类载体。有机类载体可分为天然高分子载体和合成高分子载体 ，目前应用的生物膜载体主要有 ：海藻酸钙、琼脂等天然高分子载体及聚乙烯 (PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯 乙烯 (PS)、聚丙烯 (PP)、聚氨酯(PU)及多种形状 的塑料填料等合成高分子载体。它们的主要性能如表所示：

注：塑料填料，生物膜在塑料填料表面形成的第一步便是微生物要在载体表面附着，随后才有微生物依托环境繁殖、增长，最终发展成具有一定厚度和密度的生

【6】物膜，这个过程也称为挂膜。

当前所用的无机类载体 ，大部分为粒状载体 ，如石灰石、玻璃粒料、陶瓷颗粒、矿渣等粒子。尽管机械强度、生物相容性较好 ，但它们的比重较大不利于在流化床等流化态反应器中运行，并且回收利用也较困难。活性炭粒 (GAC)作为生物膜载体材料，是近年来发展起来的新型废水生物处理用载体。它主要利用了高活性比表面积及良好的生物相容性等性能。科学家研究了多种载体 ，他们测得平均孔径小于10I3／an的粒状活性炭的总表面积为570m2／g。尽管微孔体积和相关的表面积对细菌是不可利用的细菌平均大小为 0．3～2．0／an)，但是微孔 的确为有机物提供了吸附点。然而，活性炭粒再生困难循环利用性较差 ，且在使用过程中易使反应器堵塞，因此它们 的应用又受到一定限制。生物炭纤维(BCF)是一种纤维状的炭材料，当用于水处理时，它不仅可以作为一种优良的吸附材料净化水 中的多种酚类化合物和卤代烃 ，而且具有优异的生物相容性 ，

【2】可用于废水处理中的生物膜载体材料，

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3生物膜技术在污水处理中的应用

3.1生物膜技术

二十世纪七十年代以前，生物膜法处理水仅在实验室进行技术性探索 ，八十年代以后逐渐 由“技术性”转入对生物膜的结构及传质性质的研究，特别是生物膜的传质理论是近年关注的热点研究领域。同活性污泥法处理水一样 ，所有的生物法处理不均是物理一化学过程。污水中的有机污染物 和低浓度的金属离子被污泥团或生物膜吸附 ，是一物理过程 ，吸附后再由微生物的酶分解，为化学过程。由于生物膜有较大的表面积 ，因此，其吸附性十分优良.早期的理论工作主要集中描述污水中的有机物如何被生物膜吸附，富集 ，并建立许多模型。比较典型的有 LAWPRC模型L3(LAWPRC为国际水污染控制与研究协会缩写，国际水质协会(IAWQ)的前身)，该模型有四个标准型可供利用，并配有相关的软件。在实际工程设计中，根据水质情况．选用适当的模型即可方便计算。但是 ，吸附 ，富集仅是对物理过程的描述。进人生物膜的有机物是如何传递的 ，即所谓的生物膜的传质过程是更深入的理论内容。近年 ，不少研究人员已采用经典的扩散理论L4建立了多种有机污染物在生物膜 中的传质过 程。较成功的理论是采用扩散方程一双膜理论发展起来的，其特点是能够全面描述有机污染物进人

【7】生物膜后的浓度分布及 浓度迁移情况。

3.2生物膜技术的应用

由于生物膜法与经典的话性污泥法均是先有应用后建立理论，所以，对于理论，

【8】人们积累的经验比应用更多。 生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体

自净的现象 ，农田灌溉时土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程 ，总结 、模拟而发展起来的一种污水处理技术 。它使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状 ，通过与污水接触 ，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为

【9】营养吸收并加以同化 ，从而使污水得到净化 。

水是人类赖以生存的宝贵资源。随着经济的快速发展 ，大量复杂污染物进入

地表水体 ，水体生态环境日趋恶化 ，氮磷污染尤为普遍，不仅影响了人类正常

【10】生活，还制约着经济发展。 所以去除水中的氮磷成为人们研究的重点。

3.2.1生物膜法去除水中的氨氮

所用生物反应器如图所示 ，此生物反应器用有机玻璃加工而成 ，反应器由反应区，柱体，体积，分离区，内挂蜂窝陶瓷载体，蜂窝陶瓷等组成。原水由计量泵从反应器底部打入 ，底部中心曝气，经分离区排出反应器。

将驯化好的活性污泥溶液加入反应器中并浸没蜂窝状生物膜陶瓷载体，通过吸附接种并闷曝48h后排出残余污泥。采用间歇运行的方式，考查氨氮的去除情况。当氨氮的去除率达到稳定之后，认为挂膜成功。

在生物膜形成初期，采用间歇的方法处理废水。每批次将剩余污水排空 ，水力停留时间 3h。

当间歇运行至一定时间，氨氮的去除率达到稳定之后，将进水改为连续运行的方式。在连续运行的初期，水力停留时间为3h，保持反应器内溶解氧浓度一定，使氧不成为硝化反应的限制因素。随着实验的进行，设计不同的停留时间，分别为3h、2h、1h、30min、50min、40min，以考查停留时间对氨氮去除的影响，每一停留时间稳定运行10d以上，期间测定氨氮的去除效果以确定最佳运行条件。 总之，生物膜法反应器结构简单、投资低、操作方便，载体具有易挂膜、孔隙率大、不易堵塞，容易反冲洗的优点，能够有效去除地表水的中氨氮、亚硝酸盐

【10】氮。

3.2.2生物膜法去除水中的磷

目前我国城市污水处理工艺普遍采用活性污泥、氧化沟、SBR和 AB法等．这与发达国家所采用的工艺技术几乎在同一水平。而我国的国民生产总值远远低于这些发达国家，投资费用十分昂贵，一步到位建设功能齐全的现代化城市污水处理厂．资金一时难于承受。城市污水对水体的污染使饮用水资源越来越少。所以逐步提高城市污水处理率是势在必行。城市污水处理生物膜法应用较少【11】，而消毒大都采用传统的液氯消毒工艺【12,13】。而用生物膜法处理化学除磷代替传统的活性污泥工艺能取得更优的处理效果。

工艺流程：(1)水解池、好氧池结构基本相同，采用折流、穿孔隔板布水方式，均设计并安装尼龙花瓣型滤料。

（2)以膜法代替泥法 ，污泥不需回流，污水处理系统趋

于简单化，污水与污泥在同一装置中得到基本处理。

(3)试验原水是直接引入居民生活小区化粪池排出的生活污水．经格栅 、旋流沉砂预处理后进人厌氧水解池，水解池分为两格、前格主要用于碳氧化和氨化 ，污水先进人水解池，在厌氧条件下，通过异养菌和兼性厌氧菌的生长、繁殖，使淀粉、纤维素、多糖类等大分子有机物转化成有机酸和其它小分子有机物；

蛋向质、脂肪等水解或氨化转变为甘油和

氨，提高了废水的可生化性，有利于聚磷菌释放磷 ；后格主要用于有机物进一步水解和 NOR或 NOR反硝化。

（4)通过高程布置，好氧池也分为两格，产生微气泡、前格主要用于碳的进一步氧化和聚磷菌对磷的超量吸收：后格主要用于氨的硝化。

(5)在好氧池后增加斜板沉淀化学除磷装置，加入 AI(SO4)~PAM(聚丙烯酰胺)进行化学除磷，以进一步提高除磷效果。

(6)在化学除磷之后安装 NLC紫外消毒装置 ，代替传统的液氯消毒工艺。

城市污水采用生物膜法，以厌氧水解、氨化 、释磷 、反硝化与好氧吸磷 、聚磷 、氨的硝化 、化学除磷相结合的处理工艺。以代替传统的活性污泥法，以

【14】NLC紫外消毒代替液氯消毒。

4.结语

生物膜法通过将微生物细胞固定于反应器内的载体上，实现了微生物停留时间和水力停留时间的分离，载体填料的存在，对水流起到强制紊动的作用，同时可促进水中污染物质与微生物细胞的充分接触，从实质上强化了传质过程。生物膜法克服了活性污泥法中易出现的污泥膨胀和污泥上浮等问题，在许多情况下不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物处理，而且还具有运行稳定、抗冲击负荷强、更为经济节能、具有一定的硝化反硝化功能、可实现封闭运转防止臭味等优点。

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