污水处理生物膜法的研究进展
生物膜法在污水处理中的研究进展
摘要：生物膜法在污水处理工艺中是与活性污泥法并行的一种好氧型生物污水处理方法，广泛的应用于工业废水和城市污水处理的二级处理中，也是污水处理的关键环节。与活性污泥法相比，生物膜法具有一些特有优势，比如无需污泥回流，运行管理容易，无污泥膨胀问题，易于微生物生存，运行稳定等。文中简单介绍了生物膜法对磷、氮及一些重金属去除的研究进展。
关键词：生物膜法；污水处理；活性污泥法
引言
近年来，伴随着经济的快速发展，我国在追求GDP增长的同时也带来一系列的环境问题，其中淡水资源紧缺迫使城镇生活污水处理技术显得尤其重要。然而随着人们生活水平的提高，城镇生活污水中的氮、磷含量增加，有机成分复杂，传统的生物污水处理技术已无法紧随步伐，处理效果不佳，为此，在新型填料的不断开发和完善基础上，生物膜法处理工艺借其处理效率高、剩余污泥产泥量少、运行管理方便等特点得到快速发，在污水处理中有广阔的应用前景。生物膜可认为是由一种或是多种微生物群体组成的，并附着在一种载体表面上进行生长发
育[1—2]。
1 生物膜法概述
1.1生物膜法的净水机理
生物膜法和活性污泥法一样都是利用微生物来去除废水中各种有机物的处理工艺。生物膜法是指大量的微生物附着在介质滤料表面，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的有机污染物被微生物碳、氨气和微生物细胞物质等，使污水得到净化。载体表面上生长的，具有较强的吸附和生物降解性主(包含其产生的胞外多聚物和吸附在微生物表面的无机及有机物等组成)，其中提供微生物附着生长的惰性载体称之为滤料或填料。
1.2生物膜法的工艺特点
(1)微生物多样化，生物的食物链长，有利于提高面积的处理负荷；
(2) 势菌群分段运行，有利于提高微生物对有机污染物的降解效率和增加难降解污染物的去除率，提高脱氮除磷效果；
(3)对水质、水量变动有较强的适应性，耐冲击负荷力增强
(4)污泥沉降性能好，易于固液分离，剩余污泥产量少，降低了污泥处理费用，进而降低投资费用；
(5)适合低浓度污水的处理；
(6)易于维护，运行管理方便，耗能低。
1.3 滤料的选择及其作用
生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚物组成，微生物生长在载体的表面且分布不均匀、不连续[3]。生物膜法是近十几年来发展的新型微生物处理技术．为提高生物膜的处理能力，国内外科研人员从微生物菌种、膜反应器、曝气生物滤池、滤料等方面进行科研工作．其中曝气生物滤池的核心部分是滤料，滤料起着固结微生物的作用，生物膜的附着和脱落直接制约着曝气生物滤池启动和运行的效果，因此，滤料是生物膜法工艺的核心部分。
过滤是污水处理不可缺少的处理单元。滤料的好坏关系着生物膜的脱落和附着情况，进而影响了曝气生物滤池运行的稳定和处理效果。滤料可以是天然的，也可以是经过加工的石英砂、无烟煤、大理石、白云石、磁铁矿石、石榴石、锰砂等颗粒物质，还可以是人造聚苯乙烯发泡塑料球、高效纤维束和陶瓷滤料。按照成分的不同，可分为无机滤料和有机高分子滤料；按照密度的不同，可分为上浮式滤料和沉没式滤料。无机滤料一般为沉没式滤料．有机高分子滤料一般为上浮式滤料。Allant等人[4]研究结果表明：上浮式滤料比沉没式滤料对SS(悬浮颗粒物)、有机物的去除率高，更耐有机负荷和水力负荷冲击。Mann和Stephenson[5]在研究中发现。当滤料相对密度分别为0.92和1.05时，前者在COD去除率上要好于后者。
在选择滤料时应尽可能达到以下条件[6—7]：
(1) 机械强度高．刚性大
滤料必须有足够的机械强度。以免在曝气生物滤池频繁周期性的反冲洗过程中引起外形变化和孔径变形，或是磨损、破碎．使颗粒变小．水头损失增加。
(2) 化学稳定性好
滤料必须具有一定的化学稳定性，可耐酸、耐碱，防止滤料本身发生侵蚀现象，并且不会与其他物质发生化学反应而造成二次污染。
(3) 热稳定性好
不会产生热变形，软化、氧化现象等。
(4) 滤料
滤料密度过大，造成在反冲洗时滤料悬浮困难或使反冲洗时能耗增加；密度过小，又不易于滤料在反应器中的运行工况，且易引起跑料，因此滤料密度需在一定范围之内。
(5) 形状
形状规则，最好接近球形，表面粗糙，能提供较大的比表面和孔隙率来增加生物附着量．滤料表面的多孔性为菌胶团提供最佳的生长条件，提高渗透率。
(6) 易流化
易流化，不易流失；易成膜，但无毒无味，无异物脱落，不会产生二次污染；取材方便，价格便宜。
(7) 再生性强
通过用液体或气体反冲洗，可基本恢复原有过滤能力，从而具有较长的使用寿命，同时抗菌性能好，不易被细菌降解。滤料在生物膜反应器中的主要作用有[8—10]：微生物生长与繁殖的载体，提供了良好的环境。保证了微生物的数量；对水流有素动作用，让废水再分布与生物膜充分接触；截留了废水中的部分悬浮物，减少了反应器出水的悬浮物浓度。
1.4 曝气生物滤池的工艺原理及其特点
曝气生物滤池(BAF)是20世纪80年代末和90年代初兴起的污水处理工艺。曝气生物滤池处理污水的原理是利用生长在反应器内滤料上的生物膜中微生物的氧化分解作用、滤料生物膜的吸附截留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用及生物膜内部微环境和缺氧环境的反硝化作用[11]。曝气生物滤池的主要工艺特点有[12--13]：抗冲击负荷高，处理能力大；除污能力强，出水质量高；工艺流程短，省去了二次沉淀池．氧利用率高。维护管理方便．占地面积小，建设投资少，运行费用低；易挂膜，启动快，环境质量高。
国外研究资料表明[14]：滤料的尺寸对曝气生物滤池处理效果有一定影响，其研究尺寸范围为1.5—3.5mm和2.5—4.5mm，结果发现小颗粒(1.5～3.5mm)滤料虽然有利于脱氮，但不适应高的水力负荷；而大颗粒(2.5—4.5mm)滤料虽然改善了滤池操作条件，减少了反冲洗的次数．但不利于脱氮和悬浮物的去除。Kent等[15]研究认为曝气生物滤池滤料粒径在2～4mm之间的曝气生物滤池的硝化功能要比滤料粒径为4～8mm和5.6～11.2mm时要好得多。
2 生物膜法的研究进展
2.1 生物膜法工艺及其类别
生物膜法是与活性污泥法并行的一种好氧型生物废水处理方法．主要去除废水中溶解性的和胶体状的有机污染物。其工艺是使含有营养物质和接种微生物的污水在滤料的表面流动，一定时间后。微生物会附着在滤料表面而增殖和生长，形成一层薄的生物膜。生成的生物膜上繁殖着大量的微生物，它们吸附和降解水中的有机污染物，能起到与活性污泥同样的净化污水作用。由于微生物在滤料上大量生长繁殖，导致生物膜厚度不断增加，氧气不能完全透入，在生物膜内部深处就形成了厌氧状态。因此产生了厌氧和好氧两种反应类型，对于有机物的降解主要是好氧型反应，其好氧膜的厚度为2mm。随着厌氧代谢产物的增加，厌氧膜和好氧膜之间的平衡被打破，净化功能逐渐减弱，与此同时，不断逸出的气态产物使生物膜对滤料的附着能力减弱，从而老化脱落，新的生物膜又会生长起来，净化功能也就由弱变强了。
生物膜法主要类别有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。
生物滤池是以土壤自净原理为依据发展起来的，滤池内有固定滤料，污水流过时与滤料相接触，微生物在滤料表面形成生物膜。污水净化装置由提供微生物生长栖息的滤床、步水系统(使污水在滤床上均匀分布)以及排水系统组成。生物滤池操作简单．费用低，适用于中小城镇和边远地区。生物滤池分为普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池及曝气牛物滤池等。
生物转盘法又称浸没式生物滤池，是由一系列平行的旋转圆盘、旋转横轴、机械动力及减速装置、氧化槽等部分组成。通过传动装置驱动生物转盘以一定的速度在接触反应槽内转动。交替与空气和污水接触，每一周期完成吸附一吸氧一氧化分解的过程，通过不断转动，使污水中的污染物不断分解氧化。生物转盘流程中除了生物转盘外，还有初次和二次沉淀池。生物转盘的使用范围广泛，对生活污水和各种工业废水都能适用，同时生物转盘的动力消耗低，抗冲击负荷能力强，管理维护简单。
生物接触氧化法也称淹没式生物滤池。在池内设置滤料，使已经充氧的污水浸没全部滤料，并以一定速度流经滤料。滤料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，水中的有机物被微生物吸附，氧化分解和转化成新的生物膜。从滤料上脱落的生物膜随水流到二沉池后被去除，污水得到净化。生物接触氧化法对冲击负荷有较强的适应能力，污泥生产量少，可保证出水水质。
生物流化床是采用相对密度大于1的细小惰性颗粒，如砂、焦炭、活性炭、陶粒等作为载体．微生物在载体表面附着生长，形成生物膜，充氧污水自上而下使载体处于流化状态，生物膜与污水充分接触。生物流化床处理效率高，能适应较大冲击负荷，占地小。
2.2生物膜法除磷的研究进展
磷是生物生长必需的元素之一。但水体中磷含量过高可造成藻类的过度繁殖，引起严重的水质富营养化问题。国内外对控制水体中的磷含量均十分重视，经济、高效地降低排放废水的磷含量已成为防治水体富营养化的重要途径之
一[16]。污水中磷的去除有化学和生物两种途径：化学途径是指投加Ca2+、Al3+和Fe3+形成金属磷酸盐沉淀：生物途径是指微牛．物对磷的吸收，磷最终通过沉淀池排放剩余污泥得以去除。微生物对磷的吸收又分为两种：①微生物生长的生理需要，对磷的正常吸收，普通活性污泥微生物细胞干重含磷2％～3％；②生物强化除磷(EBPR)，微生物吸收过量的磷贮存为胞内聚磷，成功的EBPR系统中微生物细胞含磷量为一般微生物的2～5倍。
在曝气生物滤池除磷过程中。一般物理过滤除磷效率可高达35％[17]，为了提高除磷效果，需要加入化学药剂来强化除磷，再通过生物和过滤作用后[18]，磷的去除率可高达85％。提高水力停留时间也可以提高曝气生物滤池对磷的去除率，但是较长的水力停留时间是不经济的。基于上述原因，凌霄等[19]。采用铝盐作为除磷的絮凝剂，经过对比试验．结果表明，TP的去除随着铝盐加入量的增加而增加，但并不成正比增加。当投加系数小于等于1.50时，适当加大气水比有利于除磷；但当投加系数大于等于1.75时，加大气水比对总磷的去除没有影响。并且加入的铝盐对浊度和COD去除影响不大，它们的去除率还分别提高了4％～7％和5％～13％。虽然铝盐会抑制曝气生物滤池的硝化作用，但溶解氧足够时，铝盐的加入对氨氮的去除没有影响。
2.3生物膜法脱氮的研究进展
随着化肥、农药和洗涤剂的广泛应用，增加了废水中氮磷的含量，进而导致水体富营养化和水质恶化，其中污水的总氮主要由有机氮和氨氪组成。目前国内外对氨氮污染的控制主要采用生物脱氮技术。
成英俊等[20]在膜生物反应器中投加聚乙烯悬浮滤料，通过生物膜一膜生物反应器对生活污水中脱氮除磷性能的研究试验，结果表明，投加聚乙烯悬浮滤料可使膜生物反应器对有机污染物去除率得到提高，总氮、总磷的平均去除率由45.5％和47.2％分别增至57.4％和71.8％，并且投加悬浮滤料还可延缓膜污染。
王海燕等[21]采用厌氧一好氧(A—O)生物膜工艺进行焦化废水的试验．通过对进水、厌氧出水、好氧出水氨氮和化学需氧量(COD)的检测分析，由此得知该系统能有效地去除焦化废水中的COD，去除率均大于90％，氨氮的去除率在80％以上。
李咏梅等[22]在对焦化废水中有机物在A1—A2—O生物膜系统中降解转化规律进行分析的基础上。选取焦化废水中6种主要的含氮杂环化合物：吡啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2一甲基喹啉、8一羟基喹啉，与苯酚共同配制成溶液，在A1—A2—O生物膜系统中运行，结果表明上述各种含氮杂环有机物在A1—A2—O系统中都可得到较完全的去除。它们在厌氧段的降解速率为：吲哚大于2一甲基喹啉大于8一羟基喹啉大于异喹啉大于喹啉大于吡啶。在厌氧条件下，吲哚和喹啉存在拮抗作用，而吡啶对喹啉有协同作用；吡啶的加入有利于改善山喹啉和吲哚之间产生的拮抗作用。为了在实际工艺中得到广泛应用，对焦化废水中有机物在A1—A2—O生物膜系统各段的降解进行了研究。结果表明[23]，废水中主要有机组份为苯酚类和含氮杂环类化合物，它们所占比例分别为50％和40％。经过厌氧酸化处理后，简单的含氮杂环化合物如喹啉、异喹啉、吲哚、吡啶在厌氧过程中也得到了较大的降解，而有取代基的含氮杂环化合物则有所增加；喹啉和甲基喹啉的降解可生成羟基喹啉和甲基一2喹啉酮中间产物。厌氧出水的大部分有机物可在缺氧段得到降解。
2.4 生物膜法对重金属去除的研究进展
在印染、采矿、电镀等工业生产中，常常会向环境水中排放有毒的重金属污水，这样不仅危害了水生物，而且也影响了人类的生活健康。因此，不断地研究开发对含有有毒重金属污水的处理技术是十分重要的。采用生物膜法去除水中重金属主要是依靠生物膜对重金属的生物吸附。许多研究表明，构成生物膜的各种微生物能分泌细胞外聚合物(EPS)，其主要成分是多聚糖、蛋白质、核酸、脂类等。由于胞外聚合物常含有带负电荷的官能团(如多聚糖、蛋白质等的羧基官能团)，生物膜表面也因此常携带负电荷。生物膜吸附水体中的重金属离子的一个重要机理就是通过胞外聚合物中带负电荷的配合基与重金属相互作用而逐渐吸附重金属离子，将生物膜法用于污水中重金属的去除，不仅不易造成二次污染，操作简便，而且大大减低了污水的治理成本，其实际应用意义十分重要。
董德明等[25]利用自然水体中直接采集的生物膜进行了铅、锡的吸附，结果表明，自然水体中直接采集的生物膜对铅、锡的吸附存在干扰现象。此外，直接采集的生物膜吸附铅的能力大于吸附锡的能力，
张道勇，赵勇胜等[26]探讨了丝藻一细菌生物膜所分泌的胞外聚合物(EPS)与藻菌生物膜去除毒性金属镉之间的关系。研究结果表明，EPS主要由丝藻产生。其含量与污水中镉的去除效率及生物膜中镉的积累量之间相关性良好。而且，丝藻所分泌的EPS为与其共生的细菌及其本身提供了一个缓冲镉毒性的微环境，这使藻菌生物膜能在不利的环境中保持较高的活性并能持续有效地去除水体中的镉。
田超等[27]以薏铺水库为水源、天然纯棉绳为人工基质培养生物膜，研究了附着在棉绳表面上的自然水体生物膜吸附铜和镉的热力学和动力学特征及pH对吸附性能的影响。通过对实验数据进行非线型拟合，发现生物膜对两种重金属吸附均符合Freundlich(F)和FllLangmuir(L)吸附等温式，对两种金属的吸附能力顺序是：铜>镉。生物膜对铜和镉的吸附在数小时内可达到平衡，吸附过程符合二级动力学特征。通过调节吸附液的pH值，研究了不同pH值对吸附效果的影响。结果表明，随着pH值的升高，两种金属的吸附量明显增加。
3 结语
目前，对生物膜法的机理和作用研究还不太成熟，国内外科研工作者从微生物菌种、膜反应器、曝气生物滤池、滤料等方面进行科研工作。特别是对微生物对物质的代谢机理、微生物的群落结构和功能、曝气生物滤池和膜反应器的创新改进及滤料的选择应用，这些都将直接影响生物膜法对污水的处理能力。因此，在物理化学和生物学因素等方面的基础上．深化探索研究，不断提高生物膜法对污水中各种元素的处理能力，为生物修复技术提供一定的理论依据。随着生物膜研究的不断深入和进步，生物膜法在自然环境和废水生物处理中必将发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1]Wulker M J．The Language of Biotechnology[M]．Washington D C：American Chemical Society，1 995．
[2]Schorer M，Eicele M．Accumulation of inorganic and organic pollutants by biofilm in the aquatiee nvironment[J]．Water，Air and Soil Pollution，1997，99：651-659．
[3]张金莲，吴振斌．水环境中生物膜的研究进展[J]．环境科学与技术，2007，30(11)：102—106．
[4]Tom Stephenson，Allan Man and John Upton．The small foot print waste water treatment process[J]．Chemistry＆Industry，1993，19：533．
[5]Mann Allan T，Mendoza Espinet，Stemphenson Tom．Performance of floating and sunken media biological aerated filter under unsteady state contitions[J]．Wat．Res．，1999，33(4)：1108-1113．
[6]杨学华．超轻多孔陶瓷滤料的研制[D]．武汉：武汉理工大学，2007．
[7]李方文，吴建锋．应用多孔陶瓷滤料治理环境污染[J]．中国安全科学学报，2006(7)：112—117．
[8]余汉青，顾国维．填料技术在废水生物处理巾的应用和发展[J]．环境科学研究，1992，5(5)：46—49．
[9]迟玉霞．填料在水处理中的应用[J]．北工给排水设计，1998(2)：21-23．
[10]蒋战洪．污水处理用填料的种类、性能和发展趋势[J]．环境污染与防治，1994，16(4)：13—16．
[11]刘灿灿，沈耀良．曝气生物滤池的工艺特性及运行控制[J]．工业用水与废水，2008(39)：20—23．
[12]刘柳．沸石一火山岩双层滤料曝气生物滤池处理城市生活污水的试验研究[D]．兰州：兰州理工大学，2008．
[13]白琴，董延军．曝气生物滤池工艺在炼油污水处理巾的应用研究[J]．现代商贸工业，2008(11)：377—378．
[14]Rebecca Moore，Joanne Quarmby，Tom stephensn．The effects of media size on the performance of biological aerated fihers[J]．Wat．Sci．Tech．，2001，35(10)：2514-2522．
[15]Kent T D，Williams S C，Fitpatriek C S B．Ammoniacal nitrogen removal in biological aerated filters：The effect of media size[J]．Journal of the Chartered Institution of water and Environment Management，2000，14(16)：409-414．
[16]王建翔，陈洪斌．生物膜法除磷的研究进展[J]．环境科学与管理，2006，31(1)：47—51．
[17]Clark T A，Stephenson T，Pearce S．1997．Phosphorus removal by chemical precipitation in a biological aerated filter[J]．Wat Res，31(10)：2557—2563．
[18]Rogalla F，Payaudeau M，Bacquet G，et al，1990．Nitrification and phosphorus precipitation with bMogical aerated filters[J ]. Wat pollut Cont Fed，62(2)：169-176．
[19]凌霄，胡勇有，马骥．曝气生物滤池铝盐化学强化与生物协同除磷[J]．环境科学学报，2006，26(3)：409—415．
[20]成英俊，张捍民．生物膜一膜生物反应器脱氮除磷性能[J J．中国环境科学，2004，24(1)：72—75．
[21]王海燕，杨帆．生物膜系统处理焦化废水的研究[J]．煤炭科学技术，2007，35(2)：62—67．
[22]李咏梅，顾国雄．焦化废水中几种含氮杂环有机物在Ar-ArO系统中的降解特性研究[J]．环境科学学报，2002，22(1)：34—39．
[23]李咏梅．焦化废水中有机物在A1—A2—O生物膜系统中的降解机理研究[J]．环境科学学报，2004，24(2)：242—248．
[24]Jang A，Kim S M，Kim S Y，et a1．Effects of heavy metals(Cu，Pb，and Ni)on the compositions of EPS in biofilms [J]．Water Sci Technol，200l，43(6)：41-48．
[25]董德明，李鱼．采集的生物胰对铅、福吸附过程中的相互干扰[J]．环境科学动态，2003(3)：6—8．
[26]张道勇，赵勇胜，潘响亮．胞外聚合物(EPS)在藻菌生物膜去除污水中Cd的作用[J]．环境科学研究，2004，17(5)：52—55．
[27]田超，张园园，邱治国．自然水体生物膜对铜(II)，镉(1I)的吸附研究[J]．环境科学学报，2007．27(6)：1020—1023．
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/bf413cd62379168884868762caaedd3382c4b539.html
文档为doc格式