生物膜处理技术发展与应用研究

熊炫跃

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232000）

1 发展概述

通常来说，生物膜就是一种由大量微生物汇聚附着在填料（载体）表面上形成的膜状生物结构。这种膜结构上生存着高密度的微生物，对污水中的污染物具有良好的吸附降解作用。生物膜处理技术就是一种控制污水流经已形成生物膜的填料（载体）表面，利用生物膜对污水中有机物的摄取和生物氧化等来达到净水目的的固定膜处理技术，在去除废水中溶解性和胶状有机污染物方面应用广泛。

早在20世纪初期，人们就发现废水流过的石头表面会长出一层黏黏的“薄膜”，而且发现这层“薄膜”具有一定程度的净化作用并逐渐发展为现在的生物膜处理技术。20世纪中期，活性污泥法一度垄断了生物处理的技术领域，但20世纪后期材料领域的高速发展，许多适合微生物附着的载体材料和有机合成人工填料的广泛问世，生物膜处理技术才得到广泛发展。如今，生物膜法已经发展成为污水生物处理领域中最重要的方法之一，其中生物转盘（RBC）、曝气生物滤池（BAF）、生物接触氧化（BCO）、膜生物流化床（FBR）等均为生物膜法的处理工艺。近年来，该技术在有机废气处理、生物-生态修复等方面的应用也在不断探索与发展。

2 生物膜法处理污水技术的类型及其现状

2.1 生物转盘（RBC）

生物转盘是一种通过动力驱动转盘转动来取代传统固定点载体的生物膜处理技术。近年来，为了节省处理成本，降低生物转盘的电力消耗，在传统生物转盘的动力改造方面有了一些新发展。其中具有代表性的有水力驱动生物转盘和空气驱动生物转盘，这两种驱动方式的生物转盘与传统的生物转盘相较而言，既经济节约，又可以在一定程度提高污水中溶解氧浓度，进而提高微生物活性。除此之外，科研人员还在由生物转盘组成的新型反应器方面做出了探索。李宁[1]联合了生物转盘和移动床生物膜反应器的技术优势，研发了一种新型的转鼓型生物反应器，在该反应器中，转鼓与转筒通过转动带相连，借助转鼓的转动来带动转筒内填料发生转动，促进了生物膜的更新，同时提升了生物膜上氧的传质效率，最终使对废水中污染物的净化更加高效。

总体而言，生物转盘技术具有高效节能、安装便捷、承受冲击负荷能力强等优点，但该技术常常因为环境温度的变化而产生处理效率的改变，目前所适用的污水处理规模有限。

2.2 曝气生物滤池（BAF）

曝气生物滤池处理技术作为一种利用曝气生物滤池来辅助污水处理反应的处理技术，兼具悬浮颗粒物的截留和生物氧化降解，可有效地为污水的后续处理节省成本。通过该技术可有效去除SS、COD、BOD等，是膜生物反应技术中使用比较普遍的一种技术方法。近年来，BAF技术的改进得到了充分的研究与发展，内循环BAF技术就是该研究方面的代表成果。内循环BAF技术解决了制约BAF技术处理效率的关键因素，相较于传统BAF技术具有更高的处理效率、处理量和稳定性。大量学者就内循环BAF工艺的处理效果做了深入研究。程丽华等[2]通过内循环BAF处理炼油污水的实验发现，在进水中各类污染物质量浓度不稳定的情况下，经内循环BAF技术处理后的出水水质十分稳定，同时相较于传统BAF工艺抗冲击负荷能力更强，处理容量更大；陈英等[3]使用内循环BAF技术对炼厂重油裂解废水处理进行中试实验，对于含有高浓度硫化物、NH3-N和COD等污染物的炼厂重油裂解废水，通过该技术仅经两级处理，硫化物的平均去除率达到90%以上，NH3-N的平均去除率达到60%以上，COD的平均去除率达80%以上，使出水污染物浓度符合排放标准。

通过目前内循环BAF技术的研究进展和应用来看，内循环BAF是一种稳定且高效的污水处理技术，对于高浓度污水处理的效果显著。同时，随着研究的不断深入，技术的不断成熟，内循环BAF技术在中国高浓度污废水的处理中拥有广阔的应用前景和较大的发展意义。

2.3 生物接触氧化（BCO）

生物接触氧化法是生物膜处理技术中应用比较广泛的工艺，它是指将一些固定的填料安装在生物反应池中，同时在反应池中进行曝气处理来为微生物提供良好的生长繁殖环境，微生物大量的以膜状生物污泥（生物膜）的状态附着在填料上，进而通过填料上高密度的生物膜来实现污染物的降解。该技术可通过调整填料的数量和材料来提高生物膜上的微生物数量和附着密度，因此该技术一般具有处理效率高、生物量大、填料比表面积大、生物污泥密度高等特点。就目前而言，生物接触氧化与其他处理技术的组合工艺一直是比较热门的研究课题，张文德等[4]以模拟生活污水为研究对象，进行了A/O生物接触氧化—人工湿地组合工艺生活污水处理实验，结果显示各污染物降解效果显著，出水水质稳定在《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准的规定限值内，在城镇污水处理方面有巨大的应用价值。

近年来，材料领域发展势头迅猛，生物接触氧化技术的填料类型越来越丰富，与此同时，基于新材料的新问题也不断涌现，且新填料带来处理效率提高的同时往往会引起处理成本的提升，经济性与技术性的平衡点仍需要不断研究探索。

2.4 膜生物流化床（FBR）

膜生物流化床是一种以液相和固相混合为特征，通过向下或向上的循环流将固体颗粒流态化的生物膜处理技术[5]。其原理为将能与污废水中污染物发生生物化学反应的好氧微生物固定在相应粒度的载体上，气相（空气）和液相（待处理的废水）以一定限值的流速从下方流入流化床，使流化床反应器中固定有微生物的载体流态化，污废水中的污染物与载体上大量生长繁殖的好氧微生物在剧烈碰撞中充分接触，通过反应对水中的污染物进行去除[6]。采用该技术处理过程中，载体一般为小粒径的颗粒，同时流化状态的固液两相高强度混合，最大限度地减少了传质阻力。因此，FBR系统具有处理效率高、附着表面积大、承载负荷高、对各种处理系统有效传质的普适性等优势。

FBR工艺在污水的硝化和反硝化过程中应用广泛，其中反应器传质条件的优化、反应器内部结构的新构造、与其他处理工艺的联合是目前FBR工艺仍需深入研究的方向。近年来，国内外对FBR技术研究的新发展有：FBR与重力沉降组合，减少有害物质产生的负面影响；使用降流式流化床反应器底部沉淀更容易产生；FBR与生物膜结合，提高了污泥停留时间和反应器的性能；FBR与各类生物电化学系统相结合提高其处理性能等。

2.5 复合式生物膜反应器（HMBR）

随着人们生活条件的提升，各类污染物产生量越来越高，危害程度日益增强，仅靠单一类型的生物膜处理技术处理污水往往达不到预期的效果，复合式的生物膜反应器逐渐成为研究热题。KEERTHI等[7]将电絮凝法和膜生物反应器结合起来对皮革工业的污水进行处理，一定程度上提高了处理效率和渗透通量，从而减少了膜污垢的生成。陆亚伟等[8]针对醋酯废水进水负荷变化大、预处理能力差、生化处理工艺单一等问题，设计开发了好氧复合式生物反应器系统，使生物膜法和活性污泥的处理技术相结合，通过该系统对污水进行处理，COD去除率可达80%以上。可见，伴随着化工行业技术的蓬勃发展，物理处理方法的更新完善，新型生物膜处理技术的发展趋势将会是与其他工艺的结合。

3 生物膜处理技术的其他应用

3.1 有机废气处理

生物膜处理技术起初只在水处理领域得到广泛应用，但随着人们对生物膜处理技术研究的持续深化，人们开始将生物膜处理技术用于有机废气的处理。其一般过程为：有机废气与水接触，其中的有害物质溶于水，溶解后的有害物质通过扩散，被生物膜锁定并吸收；生物膜中的微生物将有机物质作为能源，进行代谢分解，将有机物质分解成无害的CO2、H2O及毒性较低的有机物；微生物代谢生成的产物与水融合，部分气体脱离生物膜扩散到空气中[9]。

与传统的有机废气处理方法相比，生物膜法具有一次投资少、净化效率高、运维简单安全、不产生二次污染等优点[10]。目前，生物膜法已经成为VOCs处理的重要技术，其良好的处理效率在实验和实际应用中不断得到体现。曹旭[11]通过生物过滤塔处理有机废气的实验来探究生物膜处理技术对有机废气的处理效果，结果显示：对于入口质量浓度在25 mg/m3以下的有机废气，通过该技术处理后，出口处有机物浓度不到原来的3%。张洁敏[12]将生物膜处理有机废气的技术进行了实际应用，联合了生物滤料系统和生物洗涤塔对香料工厂中产生的有机废气进行处理，使得该厂区中总挥发性有机污染物的去除率到达90%左右，同时对H2S和NOX等无机气体也有较好的去除效果。

然而，就目前来看，生物膜法处理有机废气的技术尚未普及，且技术存在局限性。生物膜法处理有机废气需要较大的场地及器械，反应时间较长，处理较慢，仅在低浓度有机废气的处理中有较好的适用性。

3.2 生物-生态修复

生物膜法生态修复技术是指使用天然或人造材料，构造一个生物膜，供微生物附着其上而使水体自净能力得到强化的水环境修复技术。人们将生物膜法应用到需要生态修复的水体中，可加快水体中污染物降解的速度，优化水环境生态修复的效果。吴永红等[13]在温度、营养盐等环境因素适宜的条件下通过藻-菌生物膜法有效地抑制了水体中藻类的过量繁殖，使富营养化的水体得到有效的修复。在国外，以卵石作为生物接触氧化法填料进行生态修复的日本古崎净化厂对BOD等严重超标，浮游植物大量繁殖的水体进行净化，使该水体的污染减少了50%以上[14]，是利用生物膜法进行生态修复的经典工程实例。除此之外，生物膜法对于群落水平水生态恢复的生态监测方面也有巨大的应用价值。王雪梅[15]对生物膜法在湿地恢复监测的适用性进行了研究，发现生物膜群落对湿地恢复和水质因子的变化均有很好的响应。

目前，生物膜法在生物-生态修复方面的应用还在不断的探索中，同时生物膜法生态修复强度有限、受环境影响变化大等问题也在深入研究中。

4 结语

从综合生物膜处理技术的提出与早期发展、目前的研究现状和应用来看，该技术具有巨大的发展与应用潜力。但与此同时，在中国，该技术仍然处于不成熟阶段，各种膜生物反应器的广普性还有待提升，对先进的生物膜处理技术的核心机制的掌握尚不明朗，同时应用实例较少，缺乏国内环境中的应用参考。生物膜处理技术的蓬勃发展与广泛应用给人们带来了大量的研究课题，相信在科研工作者的不断突破中，未来的生物膜处理技术的净化范围能在广度和深度层面得到显著提升，技术设备朝着经济智能化方向发展，新的应用领域不断涌现。