生物膜及生物膜反应器介绍

生物膜及生物膜反应器介绍

学生姓名：孙千化学号：20095053004

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