生物膜及生物膜技术在污水处理中的应用

生物膜及生物膜技术在污水处理中的应用

环境与能源工程学院给水排水工程专业11级2班倪朝磊

摘要：评述了生物膜的结构和组成，以及生物膜的生物学功能，生物膜载体。并介绍生物膜技术处理污水中氮磷等的处理工艺！

关键词：生物膜，污水处理，生物膜载体，生物膜技术，氨氮，磷

引言：所有的细胞都以一层薄膜将它的内含物与外界环境分开。另外，大多数细胞中还含有许多的内膜体系，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器，例如，线粒体，细胞核，内质网，溶酶体和叶绿体等。细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。

生物膜不仅是构成细胞和细胞器的重要组成成分，而且具有重要的生物功能。生命过程中的许多重要的现象，例如，物质运输，能量转换，细胞识别，免疫，神经传导，代谢控制，激素和药物作用等，都与生物膜功能有关。由于生物膜具有选择性的通透特性，在工业，工业和医药等方面也有广阔的应用前景。【1】

生物膜废水处理技术是将微生物固定在载体上形成生物膜使废水中的污染物进行降解的技术，所以载体的正确选择对提高废水处理的效果非常重要。20世纪60年代有机合成材料，例如具有高比表面积和孔隙率的聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹状、列管状和蜂窝状等有机合成填料的出现使生物膜法污水处理技术得到快速发展，现在已经成为与活性污泥法并列的主要污水处理方法之一。

然而有机合成填料等当前主要应用的生物膜载体也在生物相容性、稳定性、力学性能、处理效果及再生等多方面或某一方面暴露出很多不足，制约了生物膜法水处理技术的发展，因此研制、选定更优异的生物膜载体材料已成为发展生物膜法水处理最重要的题之一。【2】

1 生物膜

1.1生物膜的组成与结构

1.1.1生物膜的组成

生物膜主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇），蛋白质（包括酶）和多糖类组成，还有水和金属离子等。生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。

（1）脂质。脂质是构成生物膜的最基本的结构物质。脂质包括磷脂，胆固醇和糖脂等，其中主要以磷脂为只要成分。

（2）膜蛋白。生物膜中含有多种不同的蛋白质，通常称为膜蛋白。根据它们在膜上的定位情况，可以分为外周蛋白和内在蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的基本场所。

（3）糖类。生物膜中含有一定的寡糖类物质。他们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖，半乳糖胺，甘露糖，葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中糖类化合物在信息传递和互相识别方面具有重要作用。

1.1.2生物膜的结构

生物膜是以磷脂，胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜。由于细胞膜周围环境是水分子，膜脂分子的亲水端都朝向膜的中央，因此都能够自动形成双脂层。下图为生物膜的结构及膜蛋白和糖在膜上的分布。

【3】

1.2生物膜的功能

生物膜是一种具有重要功能的双层脂膜，具有保护，转运，能量转换，信息传递，运动和免疫等生物功能。

1.2.1保护功能

1.2.2转运功能

（1）被动转运（2）主动转运（3）能量转换（4）信息传递（5）运动功能（6）免疫功能【1】

2生物膜载体

2.1生物膜载体

生物膜载体是该工艺的核心部分，无论是好氧、兼氧还是厌氧过程，载体都发挥着重要的作用，对废水的处理效率有着直接影响。【4】

优良载体应具有以下特性：载体应具有良好的生物相容性，适中的粒度及孔径结构，可以耦联足够的生物分子；载体的作用仅是使生物分子固定化，对生物分子而言载体应是惰性的；载体应具有足够的机械强度，以保证载体的使用寿命和稳定性；载体表面应具有化学活性基团，这些基团可以直接或经过较为温和的化学方法活化后与生物分子耦联；载体应价格便宜，操作制备方便。实际上，很少有一种载体材料能满足上述所有条件。通常总是根据工作性质去选择较为合适的载体材料。

生物膜填料的种类及分类方法繁多，按照载体的材料分类，生物膜载体大致可分为固定型填料、软性填料、半软性填料及复合填料等悬挂式填料和悬浮型填料。

2.1.1 固定式填料

固定式填料主要包括蜂窝状和波纹板状等硬性填料。

2.1.2 悬挂式填料

悬挂式填料包括软性、半软性及组合填料。

软性填料主要以软性纤维填料为代表。软性填料的基本结构是在一根中心绳索上系扎软性纤维束，在安装时需要固定在辅助支架上，它克服了蜂窝填料的某些弊端。软性填料的空隙可变性避免了堵塞现象；纤维丝的数量很多，从而具有巨大的理论比表面积(2470m ／m。)，造价低廉、加工方便。但软性填料一般在使用1年后就会出现纤维束结团的现象。随着时间的推移，结团现象将越来越严重。黄长盾等对软性填料研究表明：软性纤维填料在水中处于漂浮状态，对气水混合流体的碰撞和切割很微弱不足以把大气泡切割为小气泡，影响了氧的转移速率。

针对软性填料的缠结和断丝两方面的不足，业内专家对软性填料进行了改良，即后来发展起来的半软性填料，以BS型半软性填料为代表。半软性填料的理论比表面积(85～150m ／m。)较软性填料小，造价较软性填料高，且表面光滑，微生物附着性能相对较差。

组合式填料是基于软性填料的比表面积大、易挂膜和半软性填料的不结团、布气均匀的优点基础上设计的一种填料，以YDT 弹性立体填料为例。YDT弹性立体填料L5利用密集的丝条来进行挂膜和切割气泡，比表面积大、生物膜量多，氧的利用率比软性填料料高，不堵塞、使用寿命长。梅翔等进行YDT 填料过膜试验发现：YDT填料在较

易挂膜同时也易积泥。目前，在对不同水力负荷和曝气强度下，填料积泥及生物膜状况对运行效果的影响尚无研究。

2.1.3 悬浮型填料

悬浮型填料的开发是当前国内外针对以上填料的不足，由生物流化床工艺引发而来的一个新的研究方向。这种填料密度接近于水，无需固定支架，在池中可随曝气搅拌悬浮于水中并全池均匀流化，能耗较低，是一种很有发展前途的填料。据资料表明：悬浮填料用于中水、化工、制药、印染、造纸等工业废水的处理，处理效果相当好。【5】

2.2 生物膜载体的研究进展

生物膜载体大致可以分为两类，有机类载体和无机类载体。有机类载体可分为天然高分子载体和合成高分子载体，目前应用的生物膜载体主要有：海藻酸钙、琼脂等天然高分子载体及聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)及多种形状的塑料填料等合成高分子载体。它们的主要性能如表所示：