生物膜及生物膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

時間：2023-05-01 02:24:34 資料我要投稿

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環(huán)境與能源工程學(xué)院給水排水工程專業(yè) 11級2班倪朝磊

摘要：評述了生物膜的結(jié)構(gòu)和組成，以及生物膜的生物學(xué)功能，生物膜載體。并介紹生物膜技術(shù)處理污水中氮磷等的處理工藝！

關(guān)鍵詞：生物膜，污水處理，生物膜載體，生物膜技術(shù)，氨氮，磷

引言：所有的細(xì)胞都以一層薄膜將它的內(nèi)含物與外界環(huán)境分開。另外，大多數(shù)細(xì)胞中還含有許多的內(nèi)膜體系，組成具有各種特定功能的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器，例如，線粒體，細(xì)胞核，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，溶酶體和葉綠體等。細(xì)胞膜以及各種細(xì)胞器的外膜通稱為生物膜。

生物膜不僅是構(gòu)成細(xì)胞和細(xì)胞器的重要組成成分，而且具有重要的生物功能。生命過程中的許多重要的現(xiàn)象，例如，物質(zhì)運(yùn)輸，能量轉(zhuǎn)換，細(xì)胞識別，免疫，神經(jīng)傳導(dǎo)，代謝控制，激素和藥物作用等，都與生物膜功能有關(guān)。由于生物膜具

【1】有選擇性的通透特性，在工業(yè)，工業(yè)和醫(yī)藥等方面也有廣闊的應(yīng)用前景。

生物膜廢水處理技術(shù)是將微生物固定在載體上形成生物膜使廢水中的污染物進(jìn)行降解的技術(shù) ，所以載體的正確選擇對提高廢水處理的效果非常重要。20世紀(jì) 60年代有機(jī)合成材料，例如具有高比表面積和孔隙率的聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波紋狀、列管狀和蜂窩狀等有機(jī)合成填料的出現(xiàn)使生物膜法污水處理技術(shù)得到快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為與活性污泥法并列的主要污水處理方法之一。

然而有機(jī)合成填料等當(dāng)前主要應(yīng)用的生物膜載體也在生物相容性、穩(wěn)定性、力學(xué)性能、處理效果及再生等多方面或某一方面暴露出很多不足，制約了生物膜法水處理技術(shù)的發(fā)展，因此研制、選定更優(yōu)異的生物膜載體材料已成為發(fā)展生

【2】物膜法水處理最重要的題之一。

1 生物膜

1.1生物膜的組成與結(jié)構(gòu)

1.1.1生物膜的組成

生物膜主要由脂質(zhì)（主要是磷脂和膽固醇），蛋白質(zhì)（包括酶）和多糖類組成，還有水和金屬離子等。生物膜的組成，因膜的種類不同而有很大的差別。

（1）脂質(zhì)。脂質(zhì)是構(gòu)成生物膜的最基本的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。脂質(zhì)包括磷脂，膽固醇和糖脂等，其中主要以磷脂為只要成分。

（2）膜蛋白。生物膜中含有多種不同的蛋白質(zhì)，通常稱為膜蛋白。根據(jù)它們在膜上的定位情況，可以分為外周蛋白和內(nèi)在蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜實(shí)施功能的基本場所。

（3）糖類。生物膜中含有一定的寡糖類物質(zhì)。他們大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。糖類在膜上的分布是不對稱的，全部都處于細(xì)胞膜的外側(cè)。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖，半乳糖胺，甘露糖，葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中糖類化合物在信息傳遞和互相識別方面具有重要作用。

1.1.2生物膜的結(jié)構(gòu)

生物膜是以磷脂，膽固醇和糖脂為主構(gòu)成的雙層脂膜。由于細(xì)胞膜周圍環(huán)境是水分子，膜脂分子的親水端都朝向膜的中央，因此都能夠自動形成雙脂層。下圖為生物膜的結(jié)構(gòu)及膜蛋白和糖在膜上的分布。

【3】

1.2生物膜的功能

生物膜是一種具有重要功能的雙層脂膜，具有保護(hù)，轉(zhuǎn)運(yùn)，能量轉(zhuǎn)換，信息傳遞，運(yùn)動和免疫等生物功能。

1.2.1保護(hù)功能

1.2.2轉(zhuǎn)運(yùn)功能

（1）被動轉(zhuǎn)運(yùn)（2）主動轉(zhuǎn)運(yùn)（3）能量轉(zhuǎn)換（4）信息傳遞（5）運(yùn)動功能（6）免疫功能【1】

2生物膜載體

2.1生物膜載體

生物膜載體是該工藝的核心部分，無論是好氧、兼氧還是厭氧過程，載體都

【4】發(fā)揮著重要的作用，對廢水的處理效率有著直接影響。

優(yōu)良載體應(yīng)具有以下特性：載體應(yīng)具有良好的生物相容性，適中的粒度及孔徑結(jié)構(gòu) ，可以耦聯(lián)足夠的生物分子；載體的作用僅是使生物分子固定化，對生物分子而言載體應(yīng)是惰性的；載體應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證載體的使用壽命和穩(wěn)定性；載體表面應(yīng)具有化學(xué)活性基團(tuán)，這些基團(tuán)可以直接或經(jīng)過較為溫和的化學(xué)方法活化后與生物分子耦聯(lián)；載體應(yīng)價格便宜，操作制備方便。實(shí)際上，很少有一種載體材料能滿足上述所有條件。通常總是根據(jù)工作性質(zhì)去選擇較為合適的載體材料。

生物膜填料的種類及分類方法繁多，按照載體的材料分類，生物膜載體大致可分為固定型填料、軟性填料、半軟性填料及復(fù)合填料等懸掛式填料和懸浮型填料。

2.1.1 固定式填料

固定式填料主要包括蜂窩狀和波紋板狀等硬性填料。

2.1.2 懸掛式填料

懸掛式填料包括軟性、半軟性及組合填料。

軟性填料主要以軟性纖維填料為代表。軟性填料的基本結(jié)構(gòu)是在一根中心繩索上系扎軟性纖維束，在安裝時需要固定在輔助支架上，它克服了蜂窩填料的某些弊端。軟性填料的空隙可變性避免了堵塞現(xiàn)象；纖維絲的數(shù)量很多，從而具有巨大的理論比表面積 (2470m ／m。)，造價低廉、加工方便。但軟性填料一般在使用 1年后就會出現(xiàn)纖維束結(jié) 團(tuán)的現(xiàn)象。隨著時間的推移，結(jié) 團(tuán)現(xiàn)象將越來越嚴(yán)重。黃長盾等對軟性填料研究表明：軟性纖維填料在水中處于漂浮狀態(tài) ，對氣水混合流體的碰撞和切割很微弱不足以把大氣泡切割為小氣泡，影響了氧的轉(zhuǎn)移速率。

針對軟性填料的纏結(jié)和斷絲兩方面的不足，業(yè)內(nèi)專家對軟性填料進(jìn)行了改良，即后來發(fā)展起來的半軟性填料，以 BS型半軟性填料為代表。半軟性填料的理論比表面積(85～150m ／m。)較軟性填料小，造價較軟性填料高，且表面光滑，微生物附著性能相對較差。

組合式填料是基于軟性填料的比表面積大、易掛膜和半軟性填料的不結(jié)團(tuán)、布?xì)饩鶆虻膬?yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種填料，以 YDT 彈性立體填料為例。YDT彈性立體填料L5利用密集的絲條來進(jìn)行掛膜和切割氣泡，比表面積大、生物膜量多，氧的利用率比軟性填料料高，不堵塞、使用壽命長。梅翔等進(jìn)行YDT填料過膜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ：YDT填料在較

易掛膜同時也易積泥。目前，在對不同水力負(fù)荷和曝氣強(qiáng)度下，填料積泥及生物膜狀況對運(yùn)行效果的影響尚無研究。

2.1.3 懸浮型填料

懸浮型填料的開發(fā)是當(dāng)前國內(nèi)外針對以上填料的不足，由生物流化床工藝引發(fā)而來的一個新的研究方向。這種填料密度接近于水，無需固定支架，在池中可隨曝氣攪拌懸浮于水中并全池均勻流化，能耗較低，是一種很有發(fā)展前途的填料。據(jù)資料表明：懸浮填料用于中水、化工、制藥、印染、造紙等工業(yè)

【5】廢水的處理，處理效果相當(dāng)好。

2.2 生物膜載體的研究進(jìn)展

生物膜載體大致可以分為兩類，有機(jī)類載體和無機(jī)類載體。有機(jī)類載體可分為天然高分子載體和合成高分子載體，目前應(yīng)用的生物膜載體主要有：海藻酸鈣、瓊脂等天然高分子載體及聚乙烯 (PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯 (PS)、聚丙烯 (PP)、聚氨酯(PU)及多種形狀的塑料填料等合成高分子載體。它們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載體表面附著，隨后才有微生物依托環(huán)境繁殖、增長，最終發(fā)展成具有一定厚度和密度的生

【6】物膜，這個過程也稱為掛膜。

當(dāng)前所用的無機(jī)類載體，大部分為粒狀載體，如石灰石、玻璃粒料、陶瓷顆粒、礦渣等粒子。盡管機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性較好，但它們的比重較大不利于在流化床等流化態(tài)反應(yīng)器中運(yùn)行，并且回收利用也較困難。活性炭粒 (GAC)作為生物膜載體材料，是近年來發(fā)展起來的新型廢水生物處理用載體。它主要利用了高活性比表面積及良好的生物相容性等性能�？茖W(xué)家研究了多種載體，他們測得平均孔徑小于10I3／an的粒狀活性炭的總表面積為570m2／g。盡管微孔體積和相關(guān)的表面積對細(xì)菌是不可利用的細(xì)菌平均大小為 0．3～2．0／an)，但是微孔的確為有機(jī)物提供了吸附點(diǎn)。然而，活性炭粒再生困難循環(huán)利用性較差，且在使用過程中易使反應(yīng)器堵塞，因此它們的應(yīng)用又受到一定限制。生物炭纖維(BCF)是一種纖維狀的炭材料，當(dāng)用于水處理時，它不僅可以作為一種優(yōu)良的吸附材料凈化水中的多種酚類化合物和鹵代烴，而且具有優(yōu)異的生物相容性，

【2】可用于廢水處理中的生物膜載體材料。

3生物膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

3.1生物膜技術(shù)

二十世紀(jì)七十年代以前，生物膜法處理水僅在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)性探索，八十年代以后逐漸由“技術(shù)性”轉(zhuǎn)入對生物膜的結(jié)構(gòu)及傳質(zhì)性質(zhì)的研究，特別是生物膜的傳質(zhì)理論是近年關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。同活性污泥法處理水一樣，所有的生物法處理不均是物理一化學(xué)過程。污水中的有機(jī)污染物和低濃度的金屬離子被污泥團(tuán)或生物膜吸附，是一物理過程，吸附后再由微生物的酶分解，為化學(xué)過程。由于生物膜有較大的表面積，因此，其吸附性十分優(yōu)良.早期的理論工作主要集中描述污水中的有機(jī)物如何被生物膜吸附，富集，并建立許多模型。比較典型的有 LAWPRC模型L3(LAWPRC為國際水污染控制與研究協(xié)會縮寫，國際水質(zhì)協(xié)會(IAWQ)的前身)，該模型有四個標(biāo)準(zhǔn)型可供利用，并配有相關(guān)的軟件。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)水質(zhì)情況．選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ图纯煞奖阌?jì)算。但是，吸附，富集僅是對物理過程的描述。進(jìn)人生物膜的有機(jī)物是如何傳遞的，即所謂的生物膜的傳質(zhì)過程是更深入的理論內(nèi)容。近年，不少研究人員已采用經(jīng)典的擴(kuò)散理論L4建立了多種有機(jī)污染物在生物膜中的傳質(zhì)過程。較成功的理論是采用擴(kuò)散方程一雙膜理論發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是能夠全面描述有機(jī)污染物進(jìn)人

【7】生物膜后的濃度分布及濃度遷移情況。

3.2生物膜技術(shù)的應(yīng)用

由于生物膜法與經(jīng)典的話性污泥法均是先有應(yīng)用后建立理論，所以，對于理論，

【8】人們積累的經(jīng)驗(yàn)比應(yīng)用更多。生物膜技術(shù)是人們長期以來根據(jù)自然界中水體

自凈的現(xiàn)象，農(nóng)田灌溉時土壤對污染物的凈化作用以及有機(jī)物的腐敗過程，總結(jié) 、模擬而發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù) 。它使微生物群體附著于某些載體的表面上呈膜狀，通過與污水接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機(jī)物作為

【9】營養(yǎng)吸收并加以同化，從而使污水得到凈化。

水是人類賴以生存的寶貴資源。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量復(fù)雜污染物進(jìn)入

地表水體，水體生態(tài)環(huán)境日趨惡化，氮磷污染尤為普遍，不僅影響了人類正常

【10】生活，還制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。所以去除水中的氮磷成為人們研究的重點(diǎn)。

3.2.1生物膜法去除水中的氨氮

所用生物反應(yīng)器如圖所示，此生物反應(yīng)器用有機(jī)玻璃加工而成，反應(yīng)器由反應(yīng)區(qū)，柱體，體積，分離區(qū)，內(nèi)掛蜂窩陶瓷載體，蜂窩陶瓷等組成。原水由計(jì)量泵從反應(yīng)器底部打入，底部中心曝氣，經(jīng)分離區(qū)排出反應(yīng)器。

將馴化好的活性污泥溶液加入反應(yīng)器中并浸沒蜂窩狀生物膜陶瓷載體，通過吸附接種并悶曝48h后排出殘余污泥。采用間歇運(yùn)行的方式，考查氨氮的去除情況。當(dāng)氨氮的去除率達(dá)到穩(wěn)定之后，認(rèn)為掛膜成功。

在生物膜形成初期，采用間歇的方法處理廢水。每批次將剩余污水排空，水力停留時間 3h。

當(dāng)間歇運(yùn)行至一定時間，氨氮的去除率達(dá)到穩(wěn)定之后，將進(jìn)水改為連續(xù)運(yùn)行的方式。在連續(xù)運(yùn)行的初期，水力停留時間為3h，保持反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度一定，使氧不成為硝化反應(yīng)的限制因素。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，設(shè)計(jì)不同的停留時間，分別為3h、2h、1h、30min、50min、40min，以考查停留時間對氨氮去除的影響，每一停留時間穩(wěn)定運(yùn)行10d以上，期間測定氨氮的去除效果以確定最佳運(yùn)行條件。總之，生物膜法反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、投資低、操作方便，載體具有易掛膜、孔隙率大、不易堵塞，容易反沖洗的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效去除地表水的中氨氮、亞硝酸鹽

【10】氮。

3.2.2生物膜法去除水中的磷

目前我國城市污水處理工藝普遍采用活性污泥、氧化溝、SBR和 AB法等．這與發(fā)達(dá)國家所采用的工藝技術(shù)幾乎在同一水平。而我國的國民生產(chǎn)總值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些發(fā)達(dá)國家，投資費(fèi)用十分昂貴，一步到位建設(shè)功能齊全的現(xiàn)代化城市污水處理廠．資金一時難于承受。城市污水對水體的污染使飲用水資源越來越少。所以逐步提高城市污水處理率是勢在必行。城市污水處理生物膜法應(yīng)用較少【11】，而消毒大都采用傳統(tǒng)的液氯消毒工藝【12,13】。而用生物膜法處理化學(xué)除磷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的活性污泥工藝能取得更優(yōu)的處理效果。

工藝流程：(1)水解池、好氧池結(jié)構(gòu)基本相同，采用折流、穿孔隔板布水方式，均設(shè)計(jì)并安裝尼龍花瓣型濾料。

（2)以膜法代替泥法，污泥不需回流，污水處理系統(tǒng)趨

于簡單化，污水與污泥在同一裝置中得到基本處理。

(3)試驗(yàn)原水是直接引入居民生活小區(qū)化糞池排出的生活污水．經(jīng)格柵、旋流沉砂預(yù)處理后進(jìn)人厭氧水解池，水解池分為兩格、前格主要用于碳氧化和氨化，污水先進(jìn)人水解池，在厭氧條件下，通過異養(yǎng)菌和兼性厭氧菌的生長、繁殖，使淀粉、纖維素、多糖類等大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸和其它小分子有機(jī)物；

蛋向質(zhì)、脂肪等水解或氨化轉(zhuǎn)變?yōu)楦视秃?/p>

氨，提高了廢水的可生化性，有利于聚磷菌釋放磷；后格主要用于有機(jī)物進(jìn)一步水解和 NOR或 NOR反硝化。

（4)通過高程布置，好氧池也分為兩格，產(chǎn)生微氣泡、前格主要用于碳的進(jìn)一步氧化和聚磷菌對磷的超量吸收：后格主要用于氨的硝化。

(5)在好氧池后增加斜板沉淀化學(xué)除磷裝置，加入 AI(SO4)~PAM(聚丙烯酰胺)進(jìn)行化學(xué)除磷，以進(jìn)一步提高除磷效果。

(6)在化學(xué)除磷之后安裝 NLC紫外消毒裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液氯消毒工藝。

城市污水采用生物膜法，以厭氧水解、氨化、釋磷、反硝化與好氧吸磷、聚磷、氨的硝化、化學(xué)除磷相結(jié)合的處理工藝。以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的活性污泥法，以

【14】NLC紫外消毒代替液氯消毒。

4.結(jié)語

生物膜法通過將微生物細(xì)胞固定于反應(yīng)器內(nèi)的載體上，實(shí)現(xiàn)了微生物停留時間和水力停留時間的分離，載體填料的存在，對水流起到強(qiáng)制紊動的作用，同時可促進(jìn)水中污染物質(zhì)與微生物細(xì)胞的充分接觸，從實(shí)質(zhì)上強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。生物膜法克服了活性污泥法中易出現(xiàn)的污泥膨脹和污泥上浮等問題，在許多情況下不僅能代替活性污泥法用于城市污水的二級生物處理，而且還具有運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能、具有一定的硝化反硝化功能、可實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)轉(zhuǎn)防止臭味等優(yōu)點(diǎn)。

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