淺談幾種生物膜技術 | 包括工藝特點、原理及優勢

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本文主要介紹了幾種現今比較常用的生物膜汙水處理工藝的特點、原理及其優勢所在。包括顆粒型、水力自旋傳質填料型、活性汙泥一生物膜一體化型、無泡曝氣膜型。每種類型都有其特點與適用性，在使用時應該視具體情況進行選擇。

關鍵詞：生物膜；汙水處理工藝。

引言：生物膜法是汙水生物處理的主要技術之一，在汙水處理工藝中在幾十年的不斷研究和進步下，如今已經有多種生物膜反應器應用於汙水處理中。下面簡要介紹一下比較常見的幾種生物膜汙水處理工藝。

1顆粒型生物膜反應器

1.1上流式汙泥床(USB)

上流式汙泥床(USB)是20世紀70年代末由荷蘭Lettinga開發的又一項新的顆粒型生物膜反應器，主要用於厭氧生物處理系統中，即UASB。它主要由配水系統、汙泥床、三相分離器等組成。反應過程中產生的氣體將汙泥和汙水進行充分混合，三相分離器將顆粒汙泥、氣體和汙水進行分離，汙泥保留在反應器中，氣體和處理後的出水排出反應器，其結構示意見圖1-1。

1.2汙泥膨脹床(EGSB)

2O世紀8O年代後，又出現了新的顆粒汙泥反應器，其中以汙泥膨脹床(EGSB)和內循環反應器(Ic)最具有代表性。EGSB與USB的結構類似，但其高徑比更大，上升流速更快，顆粒汙泥處於膨脹狀態。

1.3氣提生物膜反應器(BAS)

以上兩種是在以前汙水處理中應用較多的兩種類型，隨著技術的進步與提高，在2O世紀8O年代末，一種新型的顆粒型生物膜反應器被開發並應用於工業。它與以往的顆粒型生物膜反應器不同的是，混合方式是由外部引入的氣體將汙泥和汙水進行混合，是完全混合的方式，被稱為氣提生物膜反應器(BAS)。它主要由上升區、下降區和汙泥沉降區組成，根據氣源的不同，可分為好氧型氣提床和厭氧型氣提床。其中好氧型的氣源為空氣，厭氧型的氣源一般為惰性氣體或循環利用的空氣。由於它既可用於好氧處理系統，又可用於厭氧處理系統，因此應用領域非常廣泛。

2水力自旋傳質填料生物膜反應器

2.1常規填料的主要缺陷：

填料是生物反應器的關鍵部位，但目前應用中的填料所起的作用卻較為單一，只是作為生物的載體，提供反應場所，並為生物反應器提供較高的微生物量，卻不能為生物反應創造良好的傳質擴散條件。由於結構形式不合理，現有的生物反應填料為混合液提供的流道無規律可循，對生物反應過程中流體的流態控制不符合多相流體力學的物系傳質機理，使得多相物系之間，即生物細胞與有機底物之間的傳質擴散效率不高，從而導致生物底物利用率低、生物反應時間長、能耗大、效率低等現象的出現。

SCMT(self-circle-mass-transfer)型自旋傳質生物載體填料便是針對上述情況開發出一種在形狀、結構等方面能夠創造和滿足反應器內理想傳質條件的填料。

2.2SCMT的特點及優勢：

(1)SCMT型自旋傳質填料與常規聚丙烯階梯環填料相比，具有相近的技術參數，但卻能夠在保持出水水質的前提下，有效地減少反應時間和降低能耗，通過對對比試驗數據的分析認為，其原因在於SCMT型自旋傳質填料能夠在反應器內創造更為理想的傳質條件，提高傳質速率，從而減少反應時間，並降低能耗。

(2)SCMT型自旋傳質填料在氣流作用下的無規則旋轉，提高了整個反應器內的水流、氣流的紊流程度。SCMT型自旋傳質填料可將水中的氣泡剪切成更加微小的氣泡，增大了傳質接觸表面，使物相接觸表面不斷更新，並減小傳質接觸表面的氣膜、液膜厚度，從而提高了傳質速度。

(3)使用SCMT型自旋傳質填料生物反應器處理城市汙水，可以在停留時間為1h，氣水比為4：1的情況下，出水水質達到《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準(GB18918-2002)》中規定的二級標準。

3活性汙泥一生物膜一體化反應器：

活性汙泥一生物膜複合一體化反應器的設計是基於傳統的A／O工藝。反應器為同心圓結構，由內到外依次分為厭氧區、曝氣區和沉澱區，其結構及水力運作形式如圖1-3所示。

該反應器的主要特點是：

(1)反應區和沉澱區在立體空間上的巧妙結合實現了結構的一體化。結構一體化是針對傳統汙水處理方法通常是由多個單元操作組成的複雜工藝程的弊端而提出和發展起來的。傳統的汙水處理工藝各處理單元分設，必然增加基建投資、汙水汙泥回流管路設備投資以及佔地面積，而結構一體化裝置具有工藝簡捷、結構緊湊、佔地少、管理簡便、投資省等優點。

(2)反應器厭氧區採用活性汙泥法，曝氣區內安裝填料，將活性汙泥工藝和生物膜工藝有機地融合在同一反應器內來穩定和強化處理效果，實現了兩種常規生物處理工藝的一體化。厭氧區採用活性汙泥法，便於對泥齡進行控制，有利於除磷菌的生長繁殖。

(3)混合液回流和汙泥回流合併為一個系統，節省了一套回流設施，可降低基建投資和運行費用，同時參與回流的汙泥均經歷了完整的厭氧、好氧過程，具有一種"群體效應"，有利於生物除磷。

4無泡曝氣膜生物反應器

4.1工藝原理：

無泡曝氣生物反應器(MembraneAerationBioiflmReactor)，簡稱為MABR，由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給的，中空纖維膜不僅起著供氧作用，同時又是固著生物膜的載體。圖4為無泡曝氣膜生物反應器處理汙水原理圖。即，純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進行無泡曝氣，在中空纖維膜的外側形成的生物膜與汙水充分接觸，汙水中所含的有機物被生物膜吸附和氧化分解，從而使汙水得到淨化。

4.2無泡曝氣的特點：

與常規曝氣相比，採用中空纖維膜進行無泡曝氣具有如下優點：

①由於曝氣不產生氣泡，氧直接以分子狀態擴散進入生物膜，幾乎百分之百地被吸收，傳質效率可高達100％，因此溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素。

②由於生物膜生長在中空纖維膜的外表面，所以在供氧過程中，生物膜不會受到氣體摩擦，不易脫落。

③氧在傳遞到生物膜的過程中不經過液相邊界層，因此，傳質阻力比常規曝氣法小得多，能耗大大降低。根據PierreCote等的實驗，單位處理水量的能耗可比常規生物膜法減少30％左右。

④曝氣過程不產生氣泡，避免了傳統曝氣時汙水中易揮發性物質如甲苯、苯酚隨氣泡進入大氣而對環境造成的汙染：同時不會由於表面活性劑的存在而產生泡沫。

⑤曝氣過程中氣液兩相分離，溶液的混合與供氧互不幹擾，因此可以各自獨立設計，反應器的形式更加靈活多變。

⑥中空纖維膜的比表面積可高達50l8m2/m3，為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面積，有利於反應器向小型化發展。

⑦MABR反應器中氣液兩相分離，氣體壓力不受容器內混合狀態的影響。因此，可以通過調節氣體壓力的辦法來控制氧的供應。對於一般廢水通過供氧控制，在保證生物膜生長需氧的同時，可以避免因過量曝氣而使汙水中DO濃度過高，大幅度降低運行費用。對於含氮廢水，通過供氧控制只使靠近纖維膜的內層生物膜獲得氧，從而達到同時硝化、反硝化和COD去除的效果Timberlak指出此時的生物膜結構如圖5。

參考文獻：

[1]生物膜法新工藝無泡曝氣膜生物反應器，鄭斐，工業用水與廢，2004-3。

[2]水力自旋傳質填料生物膜反應器處理城市汙水，王藝，環境工程學報，2007-4。

[3]顆粒型生物膜反應器在汙水處理中的應用，朱鉦，環境衛生工程，2006-12。

[4]活性汙泥一生物膜一體化反應器處理生活汙水性能研究，高旭，安全與環境工程，2007-9。

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