生物膜處理技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究

熊炫躍

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232000）

1 發(fā)展概述

通常來(lái)說(shuō)，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(jié)構(gòu)。這種膜結(jié)構(gòu)上生存著高密度的微生物，對(duì)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(shù)就是一種控制污水流經(jīng)已形成生物膜的填料（載體）表面，利用生物膜對(duì)污水中有機(jī)物的攝取和生物氧化等來(lái)達(dá)到凈水目的的固定膜處理技術(shù)，在去除廢水中溶解性和膠狀有機(jī)污染物方面應(yīng)用廣泛。

早在20世紀(jì)初期，人們就發(fā)現(xiàn)廢水流過(guò)的石頭表面會(huì)長(zhǎng)出一層黏黏的“薄膜”，而且發(fā)現(xiàn)這層“薄膜”具有一定程度的凈化作用并逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的生物膜處理技術(shù)。20世紀(jì)中期，活性污泥法一度壟斷了生物處理的技術(shù)領(lǐng)域，但20世紀(jì)后期材料領(lǐng)域的高速發(fā)展，許多適合微生物附著的載體材料和有機(jī)合成人工填料的廣泛?jiǎn)柺溃锬ぬ幚砑夹g(shù)才得到廣泛發(fā)展。如今，生物膜法已經(jīng)發(fā)展成為污水生物處理領(lǐng)域中最重要的方法之一，其中生物轉(zhuǎn)盤(pán)（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(lái)，該技術(shù)在有機(jī)廢氣處理、生物-生態(tài)修復(fù)等方面的應(yīng)用也在不斷探索與發(fā)展。

2 生物膜法處理污水技術(shù)的類型及其現(xiàn)狀

2.1 生物轉(zhuǎn)盤(pán)（RBC）

生物轉(zhuǎn)盤(pán)是一種通過(guò)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)取代傳統(tǒng)固定點(diǎn)載體的生物膜處理技術(shù)。近年來(lái)，為了節(jié)省處理成本，降低生物轉(zhuǎn)盤(pán)的電力消耗，在傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)盤(pán)的動(dòng)力改造方面有了一些新發(fā)展。其中具有代表性的有水力驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤(pán)和空氣驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤(pán)，這兩種驅(qū)動(dòng)方式的生物轉(zhuǎn)盤(pán)與傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)盤(pán)相較而言，既經(jīng)濟(jì)節(jié)約，又可以在一定程度提高污水中溶解氧濃度，進(jìn)而提高微生物活性。除此之外，科研人員還在由生物轉(zhuǎn)盤(pán)組成的新型反應(yīng)器方面做出了探索。李寧[1]聯(lián)合了生物轉(zhuǎn)盤(pán)和移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研發(fā)了一種新型的轉(zhuǎn)鼓型生物反應(yīng)器，在該反應(yīng)器中，轉(zhuǎn)鼓與轉(zhuǎn)筒通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)帶相連，借助轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒內(nèi)填料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，促進(jìn)了生物膜的更新，同時(shí)提升了生物膜上氧的傳質(zhì)效率，最終使對(duì)廢水中污染物的凈化更加高效。

總體而言，生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)具有高效節(jié)能、安裝便捷、承受沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)常常因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生處理效率的改變，目前所適用的污水處理規(guī)模有限。

2.2 曝氣生物濾池（BAF）

曝氣生物濾池處理技術(shù)作為一種利用曝氣生物濾池來(lái)輔助污水處理反應(yīng)的處理技術(shù)，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(xù)處理節(jié)省成本。通過(guò)該技術(shù)可有效去除SS、COD、BOD等，是膜生物反應(yīng)技術(shù)中使用比較普遍的一種技術(shù)方法。近年來(lái)，BAF技術(shù)的改進(jìn)得到了充分的研究與發(fā)展，內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)就是該研究方面的代表成果。內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)解決了制約BAF技術(shù)處理效率的關(guān)鍵因素，相較于傳統(tǒng)BAF技術(shù)具有更高的處理效率、處理量和穩(wěn)定性。大量學(xué)者就內(nèi)循環(huán)BAF工藝的處理效果做了深入研究。程麗華等[2]通過(guò)內(nèi)循環(huán)BAF處理煉油污水的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水中各類污染物質(zhì)量濃度不穩(wěn)定的情況下，經(jīng)內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)處理后的出水水質(zhì)十分穩(wěn)定，同時(shí)相較于傳統(tǒng)BAF工藝抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)，處理容量更大；陳英等[3]使用內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)對(duì)煉廠重油裂解廢水處理進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(guò)該技術(shù)僅經(jīng)兩級(jí)處理，硫化物的平均去除率達(dá)到90%以上，NH3-N的平均去除率達(dá)到60%以上，COD的平均去除率達(dá)80%以上，使出水污染物濃度符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)目前內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用來(lái)看，內(nèi)循環(huán)BAF是一種穩(wěn)定且高效的污水處理技術(shù)，對(duì)于高濃度污水處理的效果顯著。同時(shí)，隨著研究的不斷深入，技術(shù)的不斷成熟，內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)在中國(guó)高濃度污廢水的處理中擁有廣闊的應(yīng)用前景和較大的發(fā)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(shù)中應(yīng)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(yīng)池中，同時(shí)在反應(yīng)池中進(jìn)行曝氣處理來(lái)為微生物提供良好的生長(zhǎng)繁殖環(huán)境，微生物大量的以膜狀生物污泥（生物膜）的狀態(tài)附著在填料上，進(jìn)而通過(guò)填料上高密度的生物膜來(lái)實(shí)現(xiàn)污染物的降解。該技術(shù)可通過(guò)調(diào)整填料的數(shù)量和材料來(lái)提高生物膜上的微生物數(shù)量和附著密度，因此該技術(shù)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(diǎn)。就目前而言，生物接觸氧化與其他處理技術(shù)的組合工藝一直是比較熱門(mén)的研究課題，張文德等[4]以模擬生活污水為研究對(duì)象，進(jìn)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示各污染物降解效果顯著，出水水質(zhì)穩(wěn)定在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定限值內(nèi)，在城鎮(zhèn)污水處理方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，材料領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭迅猛，生物接觸氧化技術(shù)的填料類型越來(lái)越豐富，與此同時(shí)，基于新材料的新問(wèn)題也不斷涌現(xiàn)，且新填料帶來(lái)處理效率提高的同時(shí)往往會(huì)引起處理成本的提升，經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性的平衡點(diǎn)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(guò)向下或向上的循環(huán)流將固體顆粒流態(tài)化的生物膜處理技術(shù)[5]。其原理為將能與污廢水中污染物發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)的好氧微生物固定在相應(yīng)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?gòu)南路搅魅肓骰玻沽骰卜磻?yīng)器中固定有微生物的載體流態(tài)化，污廢水中的污染物與載體上大量生長(zhǎng)繁殖的好氧微生物在劇烈碰撞中充分接觸，通過(guò)反應(yīng)對(duì)水中的污染物進(jìn)行去除[6]。采用該技術(shù)處理過(guò)程中，載體一般為小粒徑的顆粒，同時(shí)流化狀態(tài)的固液兩相高強(qiáng)度混合，最大限度地減少了傳質(zhì)阻力。因此，F(xiàn)BR系統(tǒng)具有處理效率高、附著表面積大、承載負(fù)荷高、對(duì)各種處理系統(tǒng)有效傳質(zhì)的普適性等優(yōu)勢(shì)。

FBR工藝在污水的硝化和反硝化過(guò)程中應(yīng)用廣泛，其中反應(yīng)器傳質(zhì)條件的優(yōu)化、反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新構(gòu)造、與其他處理工藝的聯(lián)合是目前FBR工藝仍需深入研究的方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)FBR技術(shù)研究的新發(fā)展有：FBR與重力沉降組合，減少有害物質(zhì)產(chǎn)生的負(fù)面影響；使用降流式流化床反應(yīng)器底部沉淀更容易產(chǎn)生；FBR與生物膜結(jié)合，提高了污泥停留時(shí)間和反應(yīng)器的性能；FBR與各類生物電化學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合提高其處理性能等。

2.5 復(fù)合式生物膜反應(yīng)器（HMBR）

隨著人們生活條件的提升，各類污染物產(chǎn)生量越來(lái)越高，危害程度日益增強(qiáng)，僅靠單一類型的生物膜處理技術(shù)處理污水往往達(dá)不到預(yù)期的效果，復(fù)合式的生物膜反應(yīng)器逐漸成為研究熱題。KEERTHI等[7]將電絮凝法和膜生物反應(yīng)器結(jié)合起來(lái)對(duì)皮革工業(yè)的污水進(jìn)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(duì)醋酯廢水進(jìn)水負(fù)荷變化大、預(yù)處理能力差、生化處理工藝單一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了好氧復(fù)合式生物反應(yīng)器系統(tǒng)，使生物膜法和活性污泥的處理技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)污水進(jìn)行處理，COD去除率可達(dá)80%以上。可見(jiàn)，伴隨著化工行業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，物理處理方法的更新完善，新型生物膜處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)是與其他工藝的結(jié)合。

3 生物膜處理技術(shù)的其他應(yīng)用

3.1 有機(jī)廢氣處理

生物膜處理技術(shù)起初只在水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但隨著人們對(duì)生物膜處理技術(shù)研究的持續(xù)深化，人們開(kāi)始將生物膜處理技術(shù)用于有機(jī)廢氣的處理。其一般過(guò)程為：有機(jī)廢氣與水接觸，其中的有害物質(zhì)溶于水，溶解后的有害物質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散，被生物膜鎖定并吸收；生物膜中的微生物將有機(jī)物質(zhì)作為能源，進(jìn)行代謝分解，將有機(jī)物質(zhì)分解成無(wú)害的CO2、H2O及毒性較低的有機(jī)物；微生物代謝生成的產(chǎn)物與水融合，部分氣體脫離生物膜擴(kuò)散到空氣中[9]。

與傳統(tǒng)的有機(jī)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(yùn)維簡(jiǎn)單安全、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)[10]。目前，生物膜法已經(jīng)成為VOCs處理的重要技術(shù)，其良好的處理效率在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中不斷得到體現(xiàn)。曹旭[11]通過(guò)生物過(guò)濾塔處理有機(jī)廢氣的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究生物膜處理技術(shù)對(duì)有機(jī)廢氣的處理效果，結(jié)果顯示：對(duì)于入口質(zhì)量濃度在25 mg/m3以下的有機(jī)廢氣，通過(guò)該技術(shù)處理后，出口處有機(jī)物濃度不到原來(lái)的3%。張潔敏[12]將生物膜處理有機(jī)廢氣的技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，聯(lián)合了生物濾料系統(tǒng)和生物洗滌塔對(duì)香料工廠中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣進(jìn)行處理，使得該廠區(qū)中總揮發(fā)性有機(jī)污染物的去除率到達(dá)90%左右，同時(shí)對(duì)H2S和NOX等無(wú)機(jī)氣體也有較好的去除效果。

然而，就目前來(lái)看，生物膜法處理有機(jī)廢氣的技術(shù)尚未普及，且技術(shù)存在局限性。生物膜法處理有機(jī)廢氣需要較大的場(chǎng)地及器械，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理較慢，僅在低濃度有機(jī)廢氣的處理中有較好的適用性。

3.2 生物-生態(tài)修復(fù)

生物膜法生態(tài)修復(fù)技術(shù)是指使用天然或人造材料，構(gòu)造一個(gè)生物膜，供微生物附著其上而使水體自凈能力得到強(qiáng)化的水環(huán)境修復(fù)技術(shù)。人們將生物膜法應(yīng)用到需要生態(tài)修復(fù)的水體中，可加快水體中污染物降解的速度，優(yōu)化水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的效果。吳永紅等[13]在溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因素適宜的條件下通過(guò)藻-菌生物膜法有效地抑制了水體中藻類的過(guò)量繁殖，使富營(yíng)養(yǎng)化的水體得到有效的修復(fù)。在國(guó)外，以卵石作為生物接觸氧化法填料進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的日本古崎凈化廠對(duì)BOD等嚴(yán)重超標(biāo)，浮游植物大量繁殖的水體進(jìn)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(jìn)行生態(tài)修復(fù)的經(jīng)典工程實(shí)例。除此之外，生物膜法對(duì)于群落水平水生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)監(jiān)測(cè)方面也有巨大的應(yīng)用價(jià)值。王雪梅[15]對(duì)生物膜法在濕地恢復(fù)監(jiān)測(cè)的適用性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生物膜群落對(duì)濕地恢復(fù)和水質(zhì)因子的變化均有很好的響應(yīng)。

目前，生物膜法在生物-生態(tài)修復(fù)方面的應(yīng)用還在不斷的探索中，同時(shí)生物膜法生態(tài)修復(fù)強(qiáng)度有限、受環(huán)境影響變化大等問(wèn)題也在深入研究中。

4 結(jié)語(yǔ)

從綜合生物膜處理技術(shù)的提出與早期發(fā)展、目前的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用來(lái)看，該技術(shù)具有巨大的發(fā)展與應(yīng)用潛力。但與此同時(shí)，在中國(guó)，該技術(shù)仍然處于不成熟階段，各種膜生物反應(yīng)器的廣普性還有待提升，對(duì)先進(jìn)的生物膜處理技術(shù)的核心機(jī)制的掌握尚不明朗，同時(shí)應(yīng)用實(shí)例較少，缺乏國(guó)內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用參考。生物膜處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展與廣泛應(yīng)用給人們帶來(lái)了大量的研究課題，相信在科研工作者的不斷突破中，未來(lái)的生物膜處理技術(shù)的凈化范圍能在廣度和深度層面得到顯著提升，技術(shù)設(shè)備朝著經(jīng)濟(jì)智能化方向發(fā)展，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。