生物膜處理技術發展與應用研究

熊炫躍

（安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232000）

1 發展概述

通常來說，生物膜就是一種由大量微生物匯聚附著在填料（載體）表面上形成的膜狀生物結構。這種膜結構上生存著高密度的微生物，對污水中的污染物具有良好的吸附降解作用。生物膜處理技術就是一種控制污水流經已形成生物膜的填料（載體）表面，利用生物膜對污水中有機物的攝取和生物氧化等來達到凈水目的的固定膜處理技術，在去除廢水中溶解性和膠狀有機污染物方面應用廣泛。

早在20世紀初期，人們就發現廢水流過的石頭表面會長出一層黏黏的“薄膜”，而且發現這層“薄膜”具有一定程度的凈化作用并逐漸發展為現在的生物膜處理技術。20世紀中期，活性污泥法一度壟斷了生物處理的技術領域，但20世紀后期材料領域的高速發展，許多適合微生物附著的載體材料和有機合成人工填料的廣泛問世，生物膜處理技術才得到廣泛發展。如今，生物膜法已經發展成為污水生物處理領域中最重要的方法之一，其中生物轉盤（RBC）、曝氣生物濾池（BAF）、生物接觸氧化（BCO）、膜生物流化床（FBR）等均為生物膜法的處理工藝。近年來，該技術在有機廢氣處理、生物-生態修復等方面的應用也在不斷探索與發展。

2 生物膜法處理污水技術的類型及其現狀

2.1 生物轉盤（RBC）

生物轉盤是一種通過動力驅動轉盤轉動來取代傳統固定點載體的生物膜處理技術。近年來，為了節省處理成本，降低生物轉盤的電力消耗，在傳統生物轉盤的動力改造方面有了一些新發展。其中具有代表性的有水力驅動生物轉盤和空氣驅動生物轉盤，這兩種驅動方式的生物轉盤與傳統的生物轉盤相較而言，既經濟節約，又可以在一定程度提高污水中溶解氧濃度，進而提高微生物活性。除此之外，科研人員還在由生物轉盤組成的新型反應器方面做出了探索。李寧[1]聯合了生物轉盤和移動床生物膜反應器的技術優勢，研發了一種新型的轉鼓型生物反應器，在該反應器中，轉鼓與轉筒通過轉動帶相連，借助轉鼓的轉動來帶動轉筒內填料發生轉動，促進了生物膜的更新，同時提升了生物膜上氧的傳質效率，最終使對廢水中污染物的凈化更加高效。

總體而言，生物轉盤技術具有高效節能、安裝便捷、承受沖擊負荷能力強等優點，但該技術常常因為環境溫度的變化而產生處理效率的改變，目前所適用的污水處理規模有限。

2.2 曝氣生物濾池（BAF）

曝氣生物濾池處理技術作為一種利用曝氣生物濾池來輔助污水處理反應的處理技術，兼具懸浮顆粒物的截留和生物氧化降解，可有效地為污水的后續處理節省成本。通過該技術可有效去除SS、COD、BOD等，是膜生物反應技術中使用比較普遍的一種技術方法。近年來，BAF技術的改進得到了充分的研究與發展，內循環BAF技術就是該研究方面的代表成果。內循環BAF技術解決了制約BAF技術處理效率的關鍵因素，相較于傳統BAF技術具有更高的處理效率、處理量和穩定性。大量學者就內循環BAF工藝的處理效果做了深入研究。程麗華等[2]通過內循環BAF處理煉油污水的實驗發現，在進水中各類污染物質量濃度不穩定的情況下，經內循環BAF技術處理后的出水水質十分穩定，同時相較于傳統BAF工藝抗沖擊負荷能力更強，處理容量更大；陳英等[3]使用內循環BAF技術對煉廠重油裂解廢水處理進行中試實驗，對于含有高濃度硫化物、NH3-N和COD等污染物的煉廠重油裂解廢水，通過該技術僅經兩級處理，硫化物的平均去除率達到90%以上，NH3-N的平均去除率達到60%以上，COD的平均去除率達80%以上，使出水污染物濃度符合排放標準。

通過目前內循環BAF技術的研究進展和應用來看，內循環BAF是一種穩定且高效的污水處理技術，對于高濃度污水處理的效果顯著。同時，隨著研究的不斷深入，技術的不斷成熟，內循環BAF技術在中國高濃度污廢水的處理中擁有廣闊的應用前景和較大的發展意義。

2.3 生物接觸氧化（BCO）

生物接觸氧化法是生物膜處理技術中應用比較廣泛的工藝，它是指將一些固定的填料安裝在生物反應池中，同時在反應池中進行曝氣處理來為微生物提供良好的生長繁殖環境，微生物大量的以膜狀生物污泥（生物膜）的狀態附著在填料上，進而通過填料上高密度的生物膜來實現污染物的降解。該技術可通過調整填料的數量和材料來提高生物膜上的微生物數量和附著密度，因此該技術一般具有處理效率高、生物量大、填料比表面積大、生物污泥密度高等特點。就目前而言，生物接觸氧化與其他處理技術的組合工藝一直是比較熱門的研究課題，張文德等[4]以模擬生活污水為研究對象，進行了A/O生物接觸氧化—人工濕地組合工藝生活污水處理實驗，結果顯示各污染物降解效果顯著，出水水質穩定在《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準的規定限值內，在城鎮污水處理方面有巨大的應用價值。

近年來，材料領域發展勢頭迅猛，生物接觸氧化技術的填料類型越來越豐富，與此同時，基于新材料的新問題也不斷涌現，且新填料帶來處理效率提高的同時往往會引起處理成本的提升，經濟性與技術性的平衡點仍需要不斷研究探索。

2.4 膜生物流化床（FBR）

膜生物流化床是一種以液相和固相混合為特征，通過向下或向上的循環流將固體顆粒流態化的生物膜處理技術[5]。其原理為將能與污廢水中污染物發生生物化學反應的好氧微生物固定在相應粒度的載體上，氣相（空氣）和液相（待處理的廢水）以一定限值的流速從下方流入流化床，使流化床反應器中固定有微生物的載體流態化，污廢水中的污染物與載體上大量生長繁殖的好氧微生物在劇烈碰撞中充分接觸，通過反應對水中的污染物進行去除[6]。采用該技術處理過程中，載體一般為小粒徑的顆粒，同時流化狀態的固液兩相高強度混合，最大限度地減少了傳質阻力。因此，FBR系統具有處理效率高、附著表面積大、承載負荷高、對各種處理系統有效傳質的普適性等優勢。

FBR工藝在污水的硝化和反硝化過程中應用廣泛，其中反應器傳質條件的優化、反應器內部結構的新構造、與其他處理工藝的聯合是目前FBR工藝仍需深入研究的方向。近年來，國內外對FBR技術研究的新發展有：FBR與重力沉降組合，減少有害物質產生的負面影響；使用降流式流化床反應器底部沉淀更容易產生；FBR與生物膜結合，提高了污泥停留時間和反應器的性能；FBR與各類生物電化學系統相結合提高其處理性能等。

2.5 復合式生物膜反應器（HMBR）

隨著人們生活條件的提升，各類污染物產生量越來越高，危害程度日益增強，僅靠單一類型的生物膜處理技術處理污水往往達不到預期的效果，復合式的生物膜反應器逐漸成為研究熱題。KEERTHI等[7]將電絮凝法和膜生物反應器結合起來對皮革工業的污水進行處理，一定程度上提高了處理效率和滲透通量，從而減少了膜污垢的生成。陸亞偉等[8]針對醋酯廢水進水負荷變化大、預處理能力差、生化處理工藝單一等問題，設計開發了好氧復合式生物反應器系統，使生物膜法和活性污泥的處理技術相結合，通過該系統對污水進行處理，COD去除率可達80%以上。可見，伴隨著化工行業技術的蓬勃發展，物理處理方法的更新完善，新型生物膜處理技術的發展趨勢將會是與其他工藝的結合。

3 生物膜處理技術的其他應用

3.1 有機廢氣處理

生物膜處理技術起初只在水處理領域得到廣泛應用，但隨著人們對生物膜處理技術研究的持續深化，人們開始將生物膜處理技術用于有機廢氣的處理。其一般過程為：有機廢氣與水接觸，其中的有害物質溶于水，溶解后的有害物質通過擴散，被生物膜鎖定并吸收；生物膜中的微生物將有機物質作為能源，進行代謝分解，將有機物質分解成無害的CO2、H2O及毒性較低的有機物；微生物代謝生成的產物與水融合，部分氣體脫離生物膜擴散到空氣中[9]。

與傳統的有機廢氣處理方法相比，生物膜法具有一次投資少、凈化效率高、運維簡單安全、不產生二次污染等優點[10]。目前，生物膜法已經成為VOCs處理的重要技術，其良好的處理效率在實驗和實際應用中不斷得到體現。曹旭[11]通過生物過濾塔處理有機廢氣的實驗來探究生物膜處理技術對有機廢氣的處理效果，結果顯示：對于入口質量濃度在25 mg/m3以下的有機廢氣，通過該技術處理后，出口處有機物濃度不到原來的3%。張潔敏[12]將生物膜處理有機廢氣的技術進行了實際應用，聯合了生物濾料系統和生物洗滌塔對香料工廠中產生的有機廢氣進行處理，使得該廠區中總揮發性有機污染物的去除率到達90%左右，同時對H2S和NOX等無機氣體也有較好的去除效果。

然而，就目前來看，生物膜法處理有機廢氣的技術尚未普及，且技術存在局限性。生物膜法處理有機廢氣需要較大的場地及器械，反應時間較長，處理較慢，僅在低濃度有機廢氣的處理中有較好的適用性。

3.2 生物-生態修復

生物膜法生態修復技術是指使用天然或人造材料，構造一個生物膜，供微生物附著其上而使水體自凈能力得到強化的水環境修復技術。人們將生物膜法應用到需要生態修復的水體中，可加快水體中污染物降解的速度，優化水環境生態修復的效果。吳永紅等[13]在溫度、營養鹽等環境因素適宜的條件下通過藻-菌生物膜法有效地抑制了水體中藻類的過量繁殖，使富營養化的水體得到有效的修復。在國外，以卵石作為生物接觸氧化法填料進行生態修復的日本古崎凈化廠對BOD等嚴重超標，浮游植物大量繁殖的水體進行凈化，使該水體的污染減少了50%以上[14]，是利用生物膜法進行生態修復的經典工程實例。除此之外，生物膜法對于群落水平水生態恢復的生態監測方面也有巨大的應用價值。王雪梅[15]對生物膜法在濕地恢復監測的適用性進行了研究，發現生物膜群落對濕地恢復和水質因子的變化均有很好的響應。

目前，生物膜法在生物-生態修復方面的應用還在不斷的探索中，同時生物膜法生態修復強度有限、受環境影響變化大等問題也在深入研究中。

4 結語

從綜合生物膜處理技術的提出與早期發展、目前的研究現狀和應用來看，該技術具有巨大的發展與應用潛力。但與此同時，在中國，該技術仍然處于不成熟階段，各種膜生物反應器的廣普性還有待提升，對先進的生物膜處理技術的核心機制的掌握尚不明朗，同時應用實例較少，缺乏國內環境中的應用參考。生物膜處理技術的蓬勃發展與廣泛應用給人們帶來了大量的研究課題，相信在科研工作者的不斷突破中，未來的生物膜處理技術的凈化范圍能在廣度和深度層面得到顯著提升，技術設備朝著經濟智能化方向發展，新的應用領域不斷涌現。