環(huán)境工程中生物反應(yīng)器的研究

李　燕　呂艷菲　趙紅梅

（德州市環(huán)境保護科學(xué)研究所有限公司山東德州253000）

環(huán)境工程中生物反應(yīng)器的研究

李燕呂艷菲趙紅梅

（德州市環(huán)境保護科學(xué)研究所有限公司山東德州253000）

生物反應(yīng)器是以微生物的降解作用為基礎(chǔ)的污染控制裝置，主要依靠的是微生物對污染物的催化作用，然后借助反應(yīng)器裝置為載體，充分發(fā)揮微生物的優(yōu)勢。本文介紹了生物反應(yīng)器的分類，工作原理和特點，指出生物反應(yīng)器的特征和基本功能。此外，對常見的生物反應(yīng)器的特征和用途進行介紹，并指出生物反應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)勢等。

生物反應(yīng)器；膜生物反應(yīng)器；污水

1　引言

目前人類的快速發(fā)展，帶來的不僅是物質(zhì)生活的提高，更嚴重的是環(huán)境問題日益嚴重，人口膨脹、資源銳減、淡水缺乏等一系列的問題擺在人類的面見亟待解決。微生物是自然界中最主要的分解者，人類利用這一點，不斷的發(fā)明和創(chuàng)造著污染物的處理方法。生物反應(yīng)器就是其中的一類，它利用了微生物自身的優(yōu)勢，連接了反應(yīng)器，最大化的發(fā)揮著微生物的催化降解能力。生物反應(yīng)器的發(fā)展不僅對現(xiàn)有污染治理技術(shù)有著重要的指導(dǎo)作用，而且還有利于其他生物類行業(yè)的發(fā)展。

2　生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是利用具有活性的細胞或其分泌的酶來進行生化反應(yīng)的裝置，是生物進行催化反應(yīng)的重要裝置?；钚陨锛毎M行反應(yīng)時，反應(yīng)器的構(gòu)型、運行方式、提供的反應(yīng)條件對于生化反應(yīng)的效率有著重要的影響。生物反應(yīng)器是對生物活性細胞進行催化反應(yīng)的一種放大，它為生物體提供的環(huán)境越優(yōu)越、越穩(wěn)定，生物反應(yīng)進行的也就越徹底、越充分，進而在各個方面的應(yīng)用也就更能體現(xiàn)生物催化作用的重要性[1]。

3　生物反應(yīng)器分類

3.1細胞培養(yǎng)反應(yīng)器

3.1.1動物細胞培養(yǎng)[2]

（1）中空纖維管生物反應(yīng)器：它是由聚礬或丙烯的聚合我構(gòu)成，在一個反應(yīng)器中由數(shù)千根中空纖維管組成。它可用于培養(yǎng)懸浮生長的細胞以及對壁有依賴性的細胞。（2）微囊培養(yǎng)系統(tǒng)：是在無菌的條件下，將活細胞或者生物活性物質(zhì)放入海藻酸鈉溶液中，且懸浮在里面形成小滴，然后滴入到氯化鈣溶液中，最終形成了含有活性細胞的凝膠小珠。（3）微載體培養(yǎng)系統(tǒng)：是將細胞吸附于微載體表面，然后在攪拌系統(tǒng)中對培養(yǎng)液進行懸浮培養(yǎng)，最終形成單層的細胞體系。該方法主要用于大規(guī)模的培養(yǎng)貼壁依賴型細胞。（4）流化床生物反應(yīng)器：該反應(yīng)器的培養(yǎng)液垂直向上循環(huán)流動，從而不斷的為培養(yǎng)細胞提供營養(yǎng)成分，滿足了高密度的細胞培養(yǎng)，優(yōu)化了細胞生長與培養(yǎng)環(huán)境的結(jié)合。

3.1.2植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器[3]

（1）機械攪拌生物反應(yīng)器：它對于細胞培養(yǎng)時能夠更好的控制培養(yǎng)條件，但是其機械攪拌力會對細胞造成一點的損害，因此在利用機械攪拌器時需篩選出抗剪切力的細胞，此外，也應(yīng)對反應(yīng)器的構(gòu)型就行改進，以便適合更多種細胞的培養(yǎng)。（2）填充床生物反應(yīng)器：該反應(yīng)器在培養(yǎng)細胞時，即可使細胞位于支撐物表面，也可放于支撐物之中，培養(yǎng)液流經(jīng)支撐顆粒，可以不斷的被細胞利用，可以固定大量的細胞、但是其缺點是反應(yīng)器內(nèi)對氧傳遞、pH、溫度等控制不佳。（3）批式反應(yīng)器：它在培養(yǎng)時是將營養(yǎng)物與菌種一次性加入進行培養(yǎng)，直到最后結(jié)束時放出培養(yǎng)的細胞，在中間進行的過程中只有空氣和尾氣的排出，沒有其它的物料交換。（4）連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器：在培養(yǎng)過程中，在反應(yīng)器中不斷的加入營養(yǎng)物質(zhì)，利用反應(yīng)器中的菌體增殖來得到產(chǎn)物?？刂坪梅磻?yīng)條件，該反應(yīng)器中菌體采出與菌體增殖的速度相同，進而可以保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。（5）酶反應(yīng)器：該反應(yīng)器以酶或固定化酶為催化劑進行酶促反應(yīng)來進行細胞的增殖。最佳的酶反應(yīng)器稱為活塞流反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器。

3.2膜生物反應(yīng)器MBR

膜生物反應(yīng)器是將生物反應(yīng)器與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型的污染控制工藝，其主要的特點是利用了膜組件代替了傳統(tǒng)生物處理過程中的二沉池[4]。MBR的特點主要有如下。

3.2.1出水水質(zhì)效果好

在膜生物反應(yīng)器中，可溶性的大分子化合物能夠被膜截留，同時可以連同污水一起返回到生物反應(yīng)器中進行充分的反應(yīng)，使得微生物對污染物徹底的分解、利用。較長的停留時間有利于硝化細菌在生物反應(yīng)器中積累，促進了硝化的效果。此外，出水時微生物也被膜所截留。因此，保證了膜生物反應(yīng)器的出水效果。

3.2.2工藝參數(shù)易于控制

在膜生物反應(yīng)器中，利用膜組件代替了二沉池，使得反應(yīng)器具有較短的HRT和SRT，此外，膜組件的截留作用，也降低了污泥膨脹的可能性。

3.2.3耐沖擊負荷

膜生物反應(yīng)器中微生物的濃度相比其它生物反應(yīng)器要高，而且裝置的容積負荷大。反應(yīng)器運行時有機物的濃度變化增加時，有機負荷也不會大幅變化。

3.2.4污泥產(chǎn)生量少

膜生物反應(yīng)器中污泥濃度相比其它活性污泥法工藝更高，因此反應(yīng)器運行時污泥負荷的FM值較低，相應(yīng)污泥產(chǎn)量也就降低了。3.2.5異于自動控制

膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相對簡單、運行方便且靈活，在整個反應(yīng)過程中易于操作，也容易實現(xiàn)自動化的運行方式。

3.2.6存在的缺點[5]

雖然膜生物反應(yīng)器在運行上、處理效果上都有著很大的改進和突破，但是其也存在著一些缺點。膜組件在整個反應(yīng)器中是非常重要的，但是其易于污染，需要定期進行沖洗，嚴重時需要更換膜組件，而且膜組件的造價也是該工藝造價組成的重要部分，而且其出水方式是需要外加動力來實現(xiàn)的，相應(yīng)的提高了反應(yīng)器運行的成本。

3.3復(fù)合生物反應(yīng)器

復(fù)合生物膜法是以生物膜法與其它污水處理工藝相結(jié)合的新型生物反應(yīng)器。近些年來備受關(guān)注。該反應(yīng)器的特點是在活性污泥曝氣池中加入填料作為微生物的載體，進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜。反應(yīng)器中添加的微生物生長載體，有利于微生物的生長，提高了反應(yīng)器中的污泥濃度以運行的穩(wěn)定性，是提高微生物降解能力的有效方法[6]。

目前，在復(fù)合生物反應(yīng)器中以活性污泥生物膜反應(yīng)器應(yīng)用最為廣泛。而在生物膜法工藝中，反應(yīng)器中所使用的填料最為重要，它的選擇直接影響到污染物的處理效果，隨著復(fù)合生物反應(yīng)器的不斷發(fā)展，在反應(yīng)器的工藝參數(shù)、填料材質(zhì)等問題上以有了眾多的突破，一系列的反應(yīng)器類型也相繼出現(xiàn)，有序批式生物膜反應(yīng)器、升流式厭氧污泥床等。

4　新型生物反應(yīng)器

4.1提升槳生物反應(yīng)器

借助于雜交瘤細胞、克隆技術(shù)以及基因工程的發(fā)展而開發(fā)出來的新型生物反應(yīng)器，對大規(guī)模的動物細胞培養(yǎng)有著顯著的提高。雖然傳統(tǒng)的機械攪拌反應(yīng)器在實際應(yīng)用方面有著成熟的經(jīng)驗，但在處理有氣泡產(chǎn)生的界面張力以及攪拌產(chǎn)生的漩渦有著很大的進步[7]。

4.2雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器的不斷改進都是為了更佳的培育生物細胞。Shi等人對現(xiàn)有反應(yīng)器進行了改進創(chuàng)新，提高了溶解氧傳質(zhì)系數(shù)，同時在反應(yīng)器增加兩個圓筒形篩網(wǎng)。實驗結(jié)果表明：相比提升式生物反應(yīng)器在水溶液中提高了19%，添加的雙篩網(wǎng)增加了氣泡與培養(yǎng)液的接觸面積，促進了溶解氧在反應(yīng)器中的提高，使得生物細胞更好的利用氧[8]。

4.3泡床式攪拌生物反應(yīng)器

該反應(yīng)器的創(chuàng)新之處在于，利用了錐形導(dǎo)流筒與攪拌槳配合使用，對于流速的控制，使得氣泡被限制在導(dǎo)流筒中，這樣能夠保證氣泡最大程度的停留在液體中，消除了氣泡脫離培養(yǎng)液時產(chǎn)生的界面張力，另一方面，培養(yǎng)液不斷的與氣泡接觸，增加了培養(yǎng)液中的氧含量[9]。雖然該反應(yīng)器也采用了機械攪拌，但相比機械攪拌反應(yīng)器，本反應(yīng)器中它的作用在與促進流體的循環(huán)，在反應(yīng)器中不產(chǎn)生漩渦，因此，降低了剪切力。

4.4固定化酶攪拌槳反應(yīng)器

利用酶作為生物催化劑已經(jīng)得到了廣泛的認可，但是酶本身的一些特性使其大規(guī)模應(yīng)用受到了限制，尤其是在分離純化。在2005年研究人員對傳統(tǒng)的反應(yīng)器進行了改進，設(shè)計出了固定化酶攪拌槳反應(yīng)器。該反應(yīng)器的特點在于將酶固定之后，將載體制作成圓筒狀，然后以圓筒作為生物反應(yīng)器的攪拌槳[10]。反應(yīng)器運行時，一方面攪拌可以對整個反應(yīng)器中的基質(zhì)進行混合作用，另一方面基質(zhì)進入圓筒形的攪拌器與固定在攪拌器上的酶進行反應(yīng)。結(jié)果表明：該反應(yīng)器能夠促進基質(zhì)向酶的擴散，酶的活性相比常規(guī)的方法更高，活性期更長。

5　結(jié)語

生物反應(yīng)器以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應(yīng)提供適宜環(huán)境的設(shè)備，它是生物反應(yīng)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，在環(huán)境問題處理中具有重大的作用并且具有很大潛力?？梢愿淖兾⑸锘蛎傅姆N類來提高生物反應(yīng)器的特性，進而運用在環(huán)境問題的解決上。另外，新型生物反應(yīng)器的開發(fā)和符合反應(yīng)器的使用也是大勢所趨?，F(xiàn)如今微生物反應(yīng)器主要運用在污水的處理上，而且比傳統(tǒng)的活性污泥法處理效果好，而且適用于各類污水，所以應(yīng)該普及污水的生物反應(yīng)器法。

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[7]王瑋,項海,魏秀珍,等.膜生物反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)及其運行要素分析[J].工業(yè)水處理,2010(9):10-15.

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[9]尹娟,洪俊明,盧芳芳.一體式自生動態(tài)膜生物反應(yīng)器的運行特性[J].化工進展,2010,29:1000-1012.

[10]吳電云,鄒寧,常林.生物反應(yīng)器的研究進展[J].生命科學(xué)儀器, 2010,8:58-61.

李燕（1984—），女，山東平原人，本科學(xué)歷，主要從事環(huán)境影響評價工作。