膜反应器
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2023年3月19日发(作者：中国十大男装)生物膜及生物膜反应器介绍
学生姓名：孙千化学号：2
化学化工学院化学工程与工艺专业
指导老师：王红军职称：讲师
摘要：生物膜是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物结构中的细
胞所组成[1]。生物膜技术[2]实质上是微生物固定化技术，它是将微生物细胞固定在载
体(即填料)上，细胞与载体间不发生任何化学反应，并在其上生长繁殖，最后形成膜
状生物污泥。要生成生物膜那就需要载体，载体的的选择要慎重，否则处理效果就不
好。生物膜法具有较高的处理效率，对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。
它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时
没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。因此，生物膜技术也得到了相应的推
广或与活性污泥法相结合处理污水。本文简单介绍了生物膜，生物膜载体以及生物膜
反应器。
关键词：生物膜，生物膜技术，载体，生物膜反应器
1生物膜
1.1生物膜及其形成过程
微生物细胞几乎能在水环境中的任何适宜的载体表面牢固地附着，并在其上生长
和繁殖，由细胞内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠结结构，便被
称之为生物膜。可见，生物膜是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物
结构中的细胞所组成。生物膜是在惰性载体表面形成的，有时均匀地分布在整个载体
表面，而有时却非常不均匀；有时仅由.单层的细胞所组成，而有时却相当厚，随着
营养底物、时间和空间的改变而发生变化。由于生物膜主要是由微生物细胞和它们所
产生的胞外多聚物所组成，因而生物膜通常具有孔状结构，并具有很强的吸附性能。
结果，我们所观察到的生物膜通常还含有大量被吸附和镶嵌于内的溶质和无机颗粒，
从这个角度上说，生物膜是由有生命的细胞和无生命的无机物所组成的结构。
按照Characklis(1990)的研究，生物膜的累积形成是以下物理、化学和生物过程
综合作用的结果：
1.有机分子从水中向生物膜附着生长载体表面运送，其中有些被吸附便形成了被
微生物改良的载体表面；
2.水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面，其中碰撞到载体表面的
细胞一部分在被表面吸附一段时间后因水力剪切或其他物理、化学和生物作用又解吸
出来，而另一部分则被表面吸附一定时间后变成了不可解吸的细胞；
3.不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质，其数目增多;与此同时，细
胞可能产生大量的产物，有些将排出体外。这些产物中有一些就是胞外多聚物，将生
物膜紧紧地结合在一起，由此，微生物细胞在消耗水中底物能量进行新陈代谢时便使
得生物膜形成累积；
4.进人水中，或者细胞在增殖时亦可以向水中释放出游离的细胞。
1.2生物模法的主要特征
1.2.1微生物相方面的特征[3]：
①参与净化反应微生物多样化。生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，
这些只有在光学显微镜下才能观察到具体形态的微生物，形态迥异，种类繁多，但归
纳起来主要有细菌、真菌、藻类(在有光条件下)、原生动物和后生动物等，此外还有
病毒；②食物链长，污泥产率低。沿污水的流动方向，前后经过的微生物相细菌，真
菌→原生动物→后生动物；③能够存活世代较长的微生物；④可分段运行，形成优势
微生物种群，提高降解能力。
1.2.2工艺特征：
①对水质水量变动有较强适应性；②污泥沉降性能好，宜于固液分离；
③能处理低浓度污水；④易于维护管理、节能。
1.3生物膜载体及其选择原则
生物膜载体分为有机载体和无机载体。有机载体主要有PVC,PS,PE,PP,各类树脂，
塑料纤维，明胶，等等无极载体通常用砂子，碳酸盐类石，各种玻璃料，沸石类，陶
瓷材料，碳纤维，矿渣，活性碳，金属类，等等。
在生物膜法中应用的载体应满足如下条件：1.易流化，但不易流失；2.易成膜，
但无毒害作用；3.能提供大的比表面积，以增加生物附着量；4.价格低廉，容易取材。
生物膜载体的选择原则[4]:(1)机械强度：正确选择生物膜载体的第一步是确定其
机械强度。在生物膜过程中都存在着不同强度的水力剪切作用以及载体之间的摩擦碰
撞过程，因此，做为生物膜载体必须具有与所使用生物技术相应的机械强度。一般讲，
聚合物类生物膜载体强度良好；（2）生物、化学及热力学稳定性:生物膜载体必须具
有较好的生物、化学及热力学稳定性，这样才能使得载体本身不参与系统内生物化学
反应；（3）亲疏水性及表面电性:亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着、固定，
而疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的固定。微生物一般带有负电荷。为了利
用静电吸引力促进微生物固定，载体表面若带有正电性将是有利于生物固定过程的进
行。(4)孔隙度及表面粗糙度：生物膜载体表面的孔隙度及表面粗糙度增加了载体与
微生物接触的有效面积;减缓由于载体间的碰撞所造成的固定微生物失落速度;在某种
程度上，有利于传质效率的提高。另外，还要考虑载体比重，可在用性和价格等。
1.4生物膜的增长
一般认为生物膜增长过程分为以下六个阶段：1.潜伏期（又称适应期）：这一阶
段是微生物在经历不可逆固着过程后，开始逐渐适应生存环境，并在载体表面逐渐形
成小的、分散的微生物菌落；2.对数期（又称动力学增长期）：在适应期形成的分散
菌落开始迅速增长，逐渐覆盖载体表面。在此阶段由于由机物、溶解氧及其它营养物
的供给超过了消耗的需要，固着微生物以最大速度在载体表面增长；3.线性增长阶段：
生物膜增长曲线上出现一线性增长阶段，即此时生物膜在载体表面以恒速率增加；4.
减速增长期：减速增长期是生物膜在某一质量和膜厚上达到稳定的过渡期。在减速增
长期，生物膜对水力学剪切作用极为敏感水力剪切作用限制了新细胞在生物膜内的进
一步积累，生物膜增长开始与水力剪切作用形成动态平衡；5.生物膜稳定期：这一阶
段的主要特点是生物膜新生细胞与由于各种物理力所造成的生物膜损失达到平衡。在
此阶段，生物膜相及液相均已达到稳定状态；6.脱落期：生物膜脱落是一种随机想象。
随着生物膜的成熟，部分生物膜发生脱落。影响这一现象的因素很多，生物膜内部细
菌自解、内部厌氧层过厚以及生物膜与载体表面间相互作用的改变等均可加速生物膜
脱落。另外，某些物理作用，诸如作用于生物膜上的重力及剪切等变化也可引起膜脱
落现象发生。
2生物膜反应器
迄今为止，应用于污水处理的生物膜反应器各式各异，从传统的生物滤池、生物
转盘和生物接触氧化到新型的生物流化床、移动床生物膜反应器及复合式生物膜反应
器等，均得到了不同程度的研究应用。
2.1传统的生物滤池
2.1.1生物滤池
生物滤池[5]是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间
歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工·生物处理技术。
生物滤池的发展[6]经历了普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池三个阶
段，成为一种比较成熟的工艺，具有负荷率高、占地面积大大缩小、对水质水量突变
的适应性强等优点。近年来，将生物滤池应用于微污染水源水的预处理工艺是一个新
的发展方向。
2.1.2生物转盘
生物转盘[7](RBC)作为生物膜工艺之一，处理污／废水已有50余年的历史，它是
从生物滤池的基础上发展起来的，现已广泛应用于各种生活污水和工业废水的处理。
从一些生物转盘用于生活污水方面的中试研究及工程应用实例可知，生物转盘是
一种高效的废水处理反应器，在水力停留时间小于2.5h的情况下，对生活污水的处
理效率平均能达到90％左右，但另一方面，在工程应用中生物转盘处理量不大，因
此在大水量城市污水处理方面还需进一步的研究[8]。
生物转盘作为一种污水处理方法，具有投资省、处理效率高、性能稳定、适应性
强和运行管理简便等优点，很有发展潜力。同时，与生物转盘相结合的组合：工艺的
发展将为污水处理带来新的思路，针对不同特点的污水，不仅局限于单独的生物转盘
工艺的应用，我们可以拓展思路，在技术经济可行的条件下，选择更合理的处理方法，
如与A／O联合工艺、与人工湿地组合工艺等都具有各自的优点。所以，针对这些组
合工艺应加强研究并进行实际应用，为今后难处理的污水提供更有效的方法。
2.1.3生物接触氧化工艺
生物接触氧化工艺（BiologicalContactOxidation）又称“淹没式生物滤池”、“接触
曝气法”、“固着式活性污泥法”，是一种于20世纪70年代初开创的污水处理技术，
其技术实质是在生物反应池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的
流速流经填料。
生物接触氧化法是一种好氧生物膜法工艺，接触氧化池内设有填料，部分微生物
以生物膜的形式固着生长在填料表面，部分则是絮状悬浮生长于水中。该工艺兼有活
性污泥法与生物滤池二者的特点。其中，生物接触氧化工艺对于印染废水具有良好的
处理效果，且具有成本较低的特点，在印染废水的处理过程中，应该进行大力推广[9]。
2.2新型生物膜反应器
2.2.1生物流化床
生物流化床是一种强化生物处理、提高微生物降解有机物能力的高效工艺。，污
水以一定流速从下向上流动，使载体处于流动状态。该工艺可分为两相流化床、三相
流化床和厌氧一好氧流化床等。该工艺多用于处理COD浓度较高的工业生产有机废
水，如酵母发酵废水、土霉素废水、豆制品废水、啤酒糖化废水、化粪池污水和屠宰
废水等。此法具有BOD容积负荷率高、处理效果好、效率高、占地少和投资省等优
点，而且还可取得脱氮的效果。
值得注意的是生物流化床的组合工艺是热门课题，如：曝气生物流化床(生物工
程、微生物固定化技术和浮动床的组合)[10]、生物流化床一化学絮凝法[11]、生物流化
床预处理一传统工艺(混凝一沉淀一过滤一消毒)的饮用水组合工艺[12]等。
2.2.2移动床生物膜反应器(MBBR)
目前，国内外已对MBBR工艺进行了多项试验性研究，并在实际应用中取得了
较好的效果。由于MBBR可减少现有污水处理系统的体积，易于在现有污水处理厂
基础上升级，且处理效果好，欧洲、美国、日本、新西兰以及我国均建有MBBR型
污水处理厂。MBBR在中小型城市污水、旅游区生活污水、以及食品废水、造纸废
水、石油化工废水、制药废水等工业废水中得到了较为广泛的应用。
MBBR的应用形式主要有以下几类：单独的MBBR工艺，MBBR与活性污泥共
池的工艺，MBBR与其他工艺的组合工艺。移动床生物膜污水处理技术是一种高效、
经济的污水处理工艺，适合应用于中小型生活污水和工业有机废水处理，无论在有机
污染物处理还是脱氮除磷方面，MBBR与传统活性污泥技术或生物膜技术相比都具
有显著的优势。但是，MBBR在应用中也存在一些问题，例如填料易磨损、成本较
高、反应器中填料流态较难。控制等，而且在反应动力学方面也需要进一步深入研究。
总之，MBBR是一项有前景的污水处理技术，在进一步研究后有望用于解决我国的
污水处理问题。
2.2.3微孔膜生物反应器
微孔膜生物反应器是由微孔膜分离组件和生物反应器组合而成的一种新型工艺。
它采用逆向扩散的方式，即含有挥发性有机物的污水与曝气营养物基质分开，有机物
从微孔膜内侧向生物膜方向扩散，而O
2
从微孔膜外侧向生物膜扩散，两者在生物膜
内相聚并在微生物的作用下使有机物氧化分解。
微孔膜生物反应器是一种很有开发前景的生物膜反应器，这是因为许多下业废水
都富含有毒或难降解的有机污染物，这些有机物通常会使一般生物处理系统造成运行
失效;再者，工业废水中的特种污染物一般都需要特种菌加以代谢方能奏效，而这些
菌在一般的诸如活性污泥法的悬浮生长生物处理反应器中易随水流失，而采用微孔膜
生物反应器可避免有毒物质与微生物直接接触，并可避免曝气造成污染物的挥发，还
可对特种菌加以固定化，因而该反应器具有较好的处理效能。
2.2.4曝气生物滤池(BAF)
BAF是2O世纪80年代末开发的新型粒状填料之后兴起的污水处理新工艺，其
最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续二沉池，有去除SS、COD、
BOD、硝化及脱氮除磷的作用。目前BAF在欧美和日本广为流行，已有上百座BAF
处理设施投入运行。它是以小粒径颗粒填料(如石英砂、陶粒及合成塑料等)作为过滤
主体的池型反应器，可以同步发挥生物氧化和物理截留及吸附作用，具有处理效率高、
出水水质好和负荷高等优点。
作为一种崭新的水处理工艺—曝气生物滤池正处在推广之中。根据目前的研究和
应用情况。今后仍有好多问题有待研究：生物膜的特点及其快速启动的方式；生物氧
化功能和过滤功能之间的相互关系；反冲洗过程中生物膜的脱落规律等。
3结语
生物膜法适合于高浓度的生活污水和有机工业废水的处理，近来，将此法用于低
浓度污水和饮用水处理，这是一个新的尝试。澳大利亚的研究人员已将生物膜反应器
应用于饮用水处，主要处理水中的微量、痕量的有机污染物。
今后，生物膜反应器的研究将更趋向于进一步探讨微生物在载体表面的固定
机理，开发工程实际中普遍适用的微生物固定技术，优化生物膜结构及各种反应器工
艺系统。进一步使各种膜反应器系统的净化功能更为广谱与高效，使其净化功能进一
步提高。深人研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物膜微生物的能量代
谢。生物膜反应器更朝着节能和自动化控制方向发展。
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