对生物膜载体相关问题的研究

对生物膜载体相关问题的研究

崔炜 杨爽

（中国矿业大学环境与测绘学院 江苏徐州 221008）

摘 要：生物膜法作为一种水处理方法已得到广泛的应用，而生物膜的产生和生长离不开载体材料的使用。本文就生物膜载体的类型和表面性能对微生物附着的影响因素进行了介绍，分析了不同载体的硝化作用，并简单介绍了一种新型的生物膜载体。

关键词：生物膜 载体 表面性能 硝化

1.概述

近十余年来，生物膜法已广泛应用于城市污水和工业废水的二级生物处理中，并与其他方法结合形成新型的复合处理工艺。与活性污泥法相比，生物膜法具有以下优点：生物膜体积小、微生物量高、水力停留时间较短、生物相相对稳定、对毒物和冲击负荷抵抗性强、处理效果高等。对污水起生物降解作用的主要是生物膜，而生物膜的产生和生长离不开载体材料的使用。载体在废水处理中有很重要的作用，如表1所示。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。

表1 载体在废水处理中的作用[1]

载体材料 载体作用

支持作用 吸附作用 化学作用 砂、塑料、玻璃等 + - -

粉末活性炭、树脂等 + + -

云石、黏土、氢氧化铁等 + + +

2.生物膜载体的类型

载体通常指的是细胞及酶固定过程中所需要的介质。目前，在废水生物处理中所应用的生物膜载体，从根本上可分为两大类，即无机类载体和有机类载体。

2.1无机类载体

在当今生物膜技术发展中常用的无机类载体有砂子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷材料、炭纤维、矿渣、活性炭、金属等。部分无机类载体的特性见表2。大部分无机类载体具有机械强度较高、化学性质较稳定、比表面积较大的特点，从最早使用的砂石到现在被广泛使用的活性炭等载体，都在生物膜技术的发展过程中起到了不可估量的作用，应用于不同类型的反应器，见表3[2]。通常情况下，微生物以附着的形式固定在载体表面从而形成生物膜，但是在特殊情况下，有一些微生物是以包裹附着的形式实现固定化的，如高效厌氧反应器UASB、EGSB、ABR、IC等，它们通过投加小粒径颗粒载体或利用废水中某些金属离子作为核心进行颗粒化污泥的培养。这是因为小粒径颗粒载体与废水之间有最大的接触，为微生物的附着生长提供了较大的比表面积，不但可以使附着生物量维持很高的浓度，而且相对疏散；同时可以在启动后很短时间内达到与用大粒径颗粒做载体同样的处理效果。但是，无机类载体也有其自身的缺点，如密度较大，不适宜做流态化运动，使其在悬浮生物膜反应器工艺中的应用受到限制。

表2 部分无机载体的特性

载体材料 石英砂 无烟煤 焦炭 颗粒活性炭 炉渣

粒径（mm） 0.25～0.5 0.5～1.2 0.25～3.0 0.96～2.14 0.315～0.63

比重（g/cm3） 2.50 1.67 1.38 1.50 1.6

无机类载体从最早的发现应用到现在的广泛应用，国内外的许多研究者对其进行了深入的研究。国外在这方面研究的比较早，70年代以后，研究者向复合式活性污泥-生物膜反应器中填加粉末活性炭（PAC）载体以改进活性污泥法污水处理厂的性能，结果发现这种载体具有加快有机物代谢、抗冲击和毒物负荷、改善活性污泥性能和减少曝气池表面形成泡沫等优点[3]。还有研究表明，加入密度为1.3g/cm3的无烟煤不仅可以达到与加入PAC同样的效果，而且还可以降低工程造价。

多年来，我国学者在这方面也进行了多方面的研究比较。浙江农业大学刘双江等人用粒径小于0.42mm的粉砂做载体，在膨胀率为20%的厌氧附着膜膨胀床（AAFEB）中处理COD 为300～900mg/L的废水，结果发现，在温度为16～18℃，HRT为2.28h，有机物负荷率为5.29kgCOD/（m3.d），进水COD为621mg/L时，COD去除率可达到87.7%。另有研究表明，在厌氧流化床（AFB）中分别用砂石和活性炭做载体，进行比较发现，用活性炭做载体的AFB 启动快，COD去除率高。此外，在ABF中，有人用0.2mm载体代替0.5mm载体，发现反应器的效率有所改进，这是因为小粒径的载体有较大的比表面积和较大的流态化速度，使生物膜更易生长，所以AFB通常用粒径多在0.2～0.7mm的球形或半球形颗粒做载体。

表3 部分无机类载体所适用的反应器类型

载体 反应器所持生物膜湿重 反应器类型

（kg/cm2）

平板玻璃 0.073 生物膜反应器

铝 板 2.0 生物膜反应器

矿 渣 0.24-1.7 流化床

岩 石 0.24-1.7 流化床

玻 璃 4-12.2×10-3 搅动式生物膜反应器

玻 璃 1×10-3 搅动式生物膜反应器

玻 璃 0.2 生物膜反应器

玻 璃 12×10-4 生物膜反应器

不 锈 钢 - 管状生物膜反应器

活 性 炭 - 生物滤床

玄 武 岩 - 气提式反应器

2.2有机类载体

有机类载体是生物膜技术发展中应用最广泛的主要载体材料。这类载体主要有PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料、软性或半软性纤维等，其中具有不同功能的聚合物类载体，如PVC、PE、PS、PP等发展很快，在实际中应用最为广泛。表4是一些常用有机类载体所适用的反应器类型[2]。

表4 常用有机类载体所适用的反应器类型

载体 反应器所持生物膜湿重 反应器类型

（kg/cm2）

塑料 0.25 RBC

塑料 0.48-1.44 滤床

塑料 0.12-2.55 滤床

网球 0.71 滤床

PVC 0.1-0.25 完全混合式反应器

PP 0.1-0.25 完全混合式反应器

PE 0.1-0.25 完全混合式反应器

PS 0.1-0.25 完全混合式反应器

PS 0.05-0.1 气提式搅拌床

PS 0.05-0.1 三相流化床

离子交换树脂 - 完全混合式反应器

塑料软性材料 - 稳定塘

由于无机类载体自身的缺点，使其在一些方面的应用受到限制。在这种情况下，大量不同种类的有机类载体在生物膜反应器技术中的应用愈来愈广泛。例如，在厌氧生物滤池中，用塑料做载体，其比表面积和孔隙率都很大，比如波纹板状塑料载体的比表面积达100～200m2/m3，孔隙率达80%～90%，使有机负荷大为提高，在中温发酵条件下可达5～15kgCOD/（m3.d），也不易堵塞，在生产实践中被广为采用。德国研究者[4]向复合式活性污泥-生物膜反应器的曝气池中投加15%～30%容积的多孔泡沫塑料小方块做载体，结果发现，可固定的污泥浓度（MLSS）为10～19kg/m3，甚至高达30kg/m3，而且悬浮的MLSS介于4～7kg/m3以满足污泥容积指数（SVI）的要求，便于沉淀分离，提高了活性污泥处理厂的性能。序批式生物膜反应器采用软性纤维作为其生物膜载体，发现即使悬浮液连续曝气，软性纤维上生物膜内部也能进行有效的反硝化作用，能更有效的去除COD和NH4+–N，平均去除率分别为95%和57%[5]。在稳定塘的中试实验中，采用比表面积为1236m2/m3的盾式软纤维