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(jié)構(gòu)。這種膜結(jié)構(gòu)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(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，利用生物膜對污水中有機(jī)物的攝取和生物氧化等來達(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)廢水流過的石頭表面會長出一層黏黏的“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問世，生物膜處理技術(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（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(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（RBC）

生物轉(zhuǎn)盤是一種通過動力驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動來取代傳統(tǒng)固定點(diǎn)載體的生物膜處理技術(shù)。近年來，為了節(jié)省處理成本，降低生物轉(zhuǎn)盤的電力消耗，在傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)盤的動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)動生物轉(zhuǎn)盤和空氣驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤，這兩種驅(qū)動方式的生物轉(zhuǎn)盤與傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)盤相較而言，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)盤和移動床生物膜反應(yīng)器的技術(shù)優(yōu)勢，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)筒通過轉(zhuǎn)動帶相連，借助轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動來帶動轉(zhuǎn)筒內(nèi)填料發(fā)生轉(zhuǎn)動，促進(jìn)了生物膜的更新，同時提升了生物膜上氧的傳質(zhì)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(zhuǎn)盤技術(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)常常因為環(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，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]通過內(nèi)循環(huán)BAF處理煉油污水的實驗發(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)對煉廠重油裂解廢水處理進(jìn)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(shù)僅經(jīng)兩級處理，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)。

通過目前內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用來看，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(shù)的不斷成熟，內(nèi)循環(huán)BAF技術(shù)在中國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，同時在反應(yīng)池中進(jìn)行曝氣處理來為微生物提供良好的生長繁殖環(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)而通過填料上高密度的生物膜來實現(xiàn)污染物的降解。該技術(shù)可通過調(diào)整填料的數(shù)量和材料來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的研究課題，張文德等[4]以模擬生活污水為研究對象，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驗，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)用價值。

近年來，材料領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，生物接觸氧化技術(shù)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(xiàn)，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(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）以一定限值的流速從下方流入流化床，使流化床反應(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繁殖的好氧微生物在劇烈碰撞中充分接觸，通過反應(yīng)對水中的污染物進(jìn)行去除[6]。采用該技術(shù)處理過程中，載體一般為小粒徑的顆粒，同時流化狀態(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、對各種處理系統(tǒng)有效傳質(zhì)的普適性等優(yōu)勢。

FBR工藝在污水的硝化和反硝化過程中應(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，國內(nèi)外對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)合起來對皮革工業(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題，設(shè)計開發(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，通過該系統(tǒng)對污水進(jìn)行處理，COD去除率可達(dá)80%以上?？梢姡殡S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)展趨勢將會是與其他工藝的結(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，但隨著人們對生物膜處理技術(shù)研究的持續(xù)深化，人們開始將生物膜處理技術(shù)用于有機(jī)廢氣的處理。其一般過程為：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驗和實際應(yīng)用中不斷得到體現(xiàn)。曹旭[11]通過生物過濾塔處理有機(jī)廢氣的實驗來探究生物膜處理技術(shù)對有機(jī)廢氣的處理效果，結(jié)果顯示：對于入口質(zhì)量濃度在25 mg/m3以下的有機(jī)廢氣，通過該技術(shù)處理后，出口處有機(jī)物濃度不到原來的3%。張潔敏[12]將生物膜處理有機(jī)廢氣的技術(shù)進(jìn)行了實際應(yīng)用，聯(lián)合了生物濾料系統(tǒng)和生物洗滌塔對香料工廠中產(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，同時對H2S和NOX等無機(jī)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(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)廢氣需要較大的場地及器械，反應(yīng)時間較長，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、營養(yǎng)鹽等環(huán)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(yǎng)化的水體得到有效的修復(fù)。在國外，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)典工程實例。除此之外，生物膜法對于群落水平水生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)監(jiān)測方面也有巨大的應(yīng)用價值。王雪梅[15]對生物膜法在濕地恢復(fù)監(jiān)測的適用性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生物膜群落對濕地恢復(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)境影響變化大等問題也在深入研究中。

4 結(jié)語

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)用來看，該技術(shù)具有巨大的發(fā)展與應(yīng)用潛力。但與此同時，在中國，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，同時應(yīng)用實例較少，缺乏國內(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(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)。