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胞結(jié)構(gòu)和細胞器，例如，線粒體，細胞核，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，溶酶體和葉綠體等。細胞膜以及各種細胞器的外膜通稱為生物膜。

生物膜不僅是構(gòu)成細胞和細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)運輸，能量轉(zhuǎn)換，細胞識別，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 60年代有機合成材料，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。

然而有機合成填料等當前主要應(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，轉(zhuǎn)運，能量轉(zhuǎn)換，信息傳遞，運動和免疫等生物功能。

1.2.1保護功能

1.2.2轉(zhuǎn)運功能

（1）被動轉(zhuǎn)運（2）主動轉(zhuǎn)運（3）能量轉(zhuǎn)換（4）信息傳遞（5）運動功能（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)具有足夠的機械強度，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，這些基團可以直接或經(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。實際上，很少有一種載體材料能滿足上述所有條件。通�？偸歉鶕�(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) 團的現(xiàn)象。隨著時間的推移，結(jié) 團現(xiàn)象將越來越嚴重。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、布氣均勻的優(yōu)點基礎(chǔ)上設(shè)計的一種填料，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。梅翔等進行YDT填料過膜試驗發(fā)現(xiàn) ：YDT填料在較

易掛膜同時也易積泥。目前，在對不同水力負荷和曝氣強度下，填料積泥及生物膜狀況對運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，處理效果相當好。

2.2 生物膜載體的研究進展

生物膜載體大致可以分為兩類，有機類載體和無機類載體。有機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。

當前所用的無機類載體，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。盡管機械強度、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)器中運行，并且回收利用也較困難�；钚蕴苛� (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)的表面積對細菌是不可利用的細菌平均大小為 0．3～2．0／an)，但是微孔的確為有機物提供了吸附點。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)

二十世紀七十年代以前，生物膜法處理水僅在實驗室進行技術(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。污水中的有機污染物和低濃度的金屬離子被污泥團或生物膜吸附，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)，該模型有四個標準型可供利用，并配有相關(guān)的軟件。在實際工程設(shè)計中，根據(jù)水質(zhì)情況．選用適當?shù)哪Ｐ图纯煞奖阌嬎恪５?，吸附，富集僅是對物理過程的描述。進人生物膜的有機物是如何傳遞的，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)典的擴散理論L4建立了多種有機污染物在生物膜中的傳質(zhì)過程。較成功的理論是采用擴散方程一雙膜理論發(fā)展起來的，其特點是能夠全面描述有機污染物進人

【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)濟的快速發(fā)展，大量復(fù)雜污染物進入

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)濟發(fā)展。所以去除水中的氮磷成為人們研究的重點。

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。采用間歇運行的方式，考查氨氮的去除情況。當氨氮的去除率達到穩(wěn)定之后，認為掛膜成功。

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。

當間歇運行至一定時間，氨氮的去除率達到穩(wěn)定之后，將進水改為連續(xù)運行的方式。在連續(xù)運行的初期，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。隨著實驗的進行，設(shè)計不同的停留時間，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)定運行10d以上，期間測定氨氮的去除效果以確定最佳運行條件。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，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)總值遠遠低于這些發(fā)達國家，投資費用十分昂貴，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物轉(zhuǎn)化成有機酸和其它小分子有機物；

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；后格主要用于有機物進一步水解和 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)進行化學(xué)除磷，以進一步提高除磷效果。

(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胞固定于反應(yīng)器內(nèi)的載體上，實現(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，對水流起到強制紊動的作用，同時可促進水中污染物質(zhì)與微生物細胞的充分接觸，從實質(zhì)上強化了傳質(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，而且還具有運行穩(wěn)定、抗沖擊負荷強、更為經(jīng)濟節(jié)能、具有一定的硝化反硝化功能、可實現(xiàn)封閉運轉(zhuǎn)防止臭味等優(yōu)點。

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