浅谈几种生物膜技术 | 包括工艺特点、原理及优势

生物膜法是污水生物处理的主要技术之一，在污水处理工艺中在几十年的不断研究和进步下，如今已经有多种生物膜反应器应用于污水处理中。下面简要介绍一下比较常见的几种生物膜污水处理工艺。

1颗粒型生物膜反应器

1.1上流式污泥床(USB)

上流式污泥床(USB)是20世纪70年代末由荷兰Lettinga开发的又一项新的颗粒型生物膜反应器，主要用于厌氧生物处理系统中，即UASB。它主要由配水系统、污泥床、三相分离器等组成。反应过程中产生的气体将污泥和污水进行充分混合，三相分离器将颗粒污泥、气体和污水进行分离，污泥保留在反应器中，气体和处理后的出水排出反应器，其结构示意见图1-1。

1.2污泥膨胀床(EGSB)

2O世纪8O年代后，又出现了新的颗粒污泥反应器，其中以污泥膨胀床(EGSB)和内循环反应器(Ic)最具有代表性。EGSB与USB的结构类似，但其高径比更大，上升流速更快，颗粒污泥处于膨胀状态。

1.3气提生物膜反应器(BAS)

以上两种是在以前污水处理中应用较多的两种类型，随着技术的进步与提高，在2O世纪8O年代末，一种新型的颗粒型生物膜反应器被开发并应用于工业。它与以往的颗粒型生物膜反应器不同的是，混合方式是由外部引入的气体将污泥和污水进行混合，是完全混合的方式，被称为气提生物膜反应器(BAS)。它主要由上升区、下降区和污泥沉降区组成，根据气源的不同，可分为好氧型气提床和厌氧型气提床。其中好氧型的气源为空气，厌氧型的气源一般为惰性气体或循环利用的空气。由于它既可用于好氧处理系统，又可用于厌氧处理系统，因此应用领域非常广泛。

2水力自旋传质填料生物膜反应器

2.1常规填料的主要缺陷：

填料是生物反应器的关键部位，但目前应用中的填料所起的作用却较为单一，只是作为生物的载体，提供反应场所，并为生物反应器提供较高的微生物量，却不能为生物反应创造良好的传质扩散条件。由于结构形式不合理，现有的生物反应填料为混合液提供的流道无规律可循，对生物反应过程中流体的流态控制不符合多相流体力学的物系传质机理，使得多相物系之间，即生物细胞与有机底物之间的传质扩散效率不高，从而导致生物底物利用率低、生物反应时间长、能耗大、效率低等现象的出现。

SCMT(self-circle-mass-transfer)型自旋传质生物载体填料便是针对上述情况开发出一种在形状、结构等方面能够创造和满足反应器内理想传质条件的填料。

2.2SCMT的特点及优势：

(1)SCMT型自旋传质填料与常规聚丙烯阶梯环填料相比，具有相近的技术参数，但却能够在保持出水水质的前提下，有效地减少反应时间和降低能耗，通过对对比试验数据的分析认为，其原因在于SCMT型自旋传质填料能够在反应器内创造更为理想的传质条件，提高传质速率，从而减少反应时间，并降低能耗。

(2)SCMT型自旋传质填料在气流作用下的无规则旋转，提高了整个反应器内的水流、气流的紊流程度。SCMT型自旋传质填料可将水中的气泡剪切成更加微小的气泡，增大了传质接触表面，使物相接触表面不断更新，并减小传质接触表面的气膜、液膜厚度，从而提高了传质速度。

(3)使用SCMT型自旋传质填料生物反应器处理城市污水，可以在停留时间为1h，气水比为4：1的情况下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中规定的二级标准。

3活性污泥一生物膜一体化反应器：

活性污泥一生物膜复合一体化反应器的设计是基于传统的A／O工艺。反应器为同心圆结构，由内到外依次分为厌氧区、曝气区和沉淀区，其结构及水力运作形式如图1-3所示。

该反应器的主要特点是：

(1)反应区和沉淀区在立体空间上的巧妙结合实现了结构的一体化。结构一体化是针对传统污水处理方法通常是由多个单元操作组成的复杂工艺程的弊端而提出和发展起来的。传统的污水处理工艺各处理单元分设，必然增加基建投资、污水污泥回流管路设备投资以及占地面积，而结构一体化装置具有工艺简捷、结构紧凑、占地少、管理简便、投资省等优点。

(2)反应器厌氧区采用活性污泥法，曝气区内安装填料，将活性污泥工艺和生物膜工艺有机地融合在同一反应器内来稳定和强化处理效果，实现了两种常规生物处理工艺的一体化。厌氧区采用活性污泥法，便于对泥龄进行控制，有利于除磷菌的生长繁殖。

(3)混合液回流和污泥回流合并为一个系统，节省了一套回流设施，可降低基建投资和运行费用，同时参与回流的污泥均经历了完整的厌氧、好氧过程，具有一种"群体效应"，有利于生物除磷。

4无泡曝气膜生物反应器

4.1工艺原理：

无泡曝气生物反应器(MembraneAerationBioiflmReactor)，简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。图4为无泡曝气膜生物反应器处理污水原理图。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触，污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。

4.2无泡曝气的特点：

与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：

①由于曝气不产生气泡，氧直接以分子状态扩散进入生物膜，几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100％，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。

②由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。

③氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，因此，传质阻力比常规曝气法小得多，能耗大大降低。根据PierreCote等的实验，单位处理水量的能耗可比常规生物膜法减少30％左右。

④曝气过程不产生气泡，避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲苯、苯酚随气泡进入大气而对环境造成的污染：同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。

⑤曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。

⑥中空纤维膜的比表面积可高达50l8m2/m3，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面积，有利于反应器向小型化发展。

⑦MABR反应器中气液两相分离，气体压力不受容器内混合状态的影响。因此，可以通过调节气体压力的办法来控制氧的供应。对于一般废水通过供氧控制，在保证生物膜生长需氧的同时，可以避免因过量曝气而使污水中DO浓度过高，大幅度降低运行费用。对于含氮废水，通过供氧控制只使靠近纤维膜的内层生物膜获得氧，从而达到同时硝化、反硝化和COD去除的效果Timberlak指出此时的生物膜结构如图5。

参考文献：

[1]生物膜法新工艺无泡曝气膜生物反应器，郑斐，工业用水与废，2004-3。

[2]水力自旋传质填料生物膜反应器处理城市污水，王艺，环境工程学报，2007-4。

[3]颗粒型生物膜反应器在污水处理中的应用，朱钲，环境卫生工程，2006-12。

[4]活性污泥一生物膜一体化反应器处理生活污水性能研究，高旭，安全与环境工程，2007-9。

来源:水博网