生物膜法类型及技术现状
生物膜法用于处理污水技术源远流长，近年来其各种类型又得到比较多的研究与应用。这主要是因为它与传统的活性污泥法相比具有操作方便，剩余污泥少，抗冲击负荷和适用于中、小型污水处理厂等优点。除上节所介绍的特征外，普通生物膜反应器也存在着不足，如：需要较多的填料和支撑结构，出水常常携带较大的脱落生物膜片，大活非活性细小悬浮物分散在水中使出水的悬浮物浓理增加。但综合比较起来，生物膜反应器还是有着活性污泥法等其他工艺不可比拟的优势。
众所周知，以细菌为主体的微生物，在合适的环境条件下只要有附着生长载体存在，细菌等微生物就会在此载体表面形成生物膜，而生物膜上的微生物通过其自身的新陈代谢就会分解水中的有机污染物，通过人工强化技术将生物膜引入到污水处理反应器中便形成了生物膜反应器。从广义上来讲，凡是在污水生物处理的各工艺中引入微生物附着生长载体(或称之为滤料、块料等，视具体工艺而言)的反应器，均定义为生物膜反应器。
一、生物膜反应器的发展沿革
1893年，英国进行将污水在粗滤料上喷洒进行净化的试验取得了良好的净化效果，作为生物膜反应器的生物滤池问世，井从此开始用于污水处理的实践。
在20世纪20-30年代，开始建造了许多生物膜反应器系统，其主要形式就是生物滤池。与微生物处于悬浮生长状态的活性污泥法相比，虽然生物滤池具有生物量高和净化效果较好等优点，但由于其水力负荷和BOD负荷均较低、环境卫生条件也较差、处理构筑物占地面积较大且有可能被脱落的生物膜堵塞等缺点，在40-50年代生物滤池有逐渐被活性污泥法取代的趋势。在此期间，作为生物膜反应器的生物滤池的填料主要是碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状的无机天然材料，一般具有比表面积小和孔隙率低等缺点。到了60年代，新型的有机合成材料开始大量生产，广泛使用的有聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机人工合成填料，其比表而积和孔隙率大大增加，冉加上环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜反应器获得了新的发展。到了70年代，除了普通生物滤池(trick filter，也称为滴滤池)外，生物转盘(RBC)、淹没式生物滤池(submerged biofilm reactor)和生物流化床(fluidized hed)技术都得到了比较多的研究和应用。近年，生物吸反来，生物膜反应器以其独特的优势更受广大研究者和工程师们的关注，又涌现出大量新型的单一或复合式生物膜反应器(hybrid bio-reactor)，如微孔膜生物反应器、气提式生物膜反应器、移动床生物膜反应器、复合式活性污泥生物膜反应器、序批式生物膜反应器、升流式厌氧污泥床-厌氧生物滤池(UASR-AF)、曝气生物滤池及附着生长稳定塘等。
由此可见，生物膜反应器发展迅速，由单一到复合，有好氧亦有厌氧，逐步形成了一套较完善的污水生物处理工艺系列。
二、生物膜反应器的类型与技术现状
生物膜反应器系统划分如下。
生物膜反应器的类型
生物膜反应器
|
↗ |
固定床 |
↗ |
生物滤池 |
↗ |
普通生物滤池(好氧) |
| → |
高负荷生物滤池(好氧) |
| → |
塔式生物滤池(好氧) |
| → |
曝气生物滤池 |
| → |
厌氧生物滤池(厌氧) |
| ↘ |
活性生物滤池 |
| → |
生物转盘 |
↗ |
好氧生物转盘(好氧) |
| ↘ |
厌氧生物转盘(厌氧) |
| → |
淹没式生物滤池(亦称生物接触氧化法)(好氧) |
| ↘ |
膜生物反应器(好氧) |
| ↘ |
流动床 |
↗ |
生物流化床 |
↗ |
两相流化床(好氧) |
| → |
三相流化床(好氧) |
| ↘ |
厌氧流化床(厌氧) |
| → |
气提式生物膜反应器(好氧) |
| → |
机械搅动床(好氧、厌氧) |
| → |
厌氧生物膜膨胀床(厌氧) |
| ↘ |
移动床生物膜反应器(好氧、缺氧) |
根据生物膜反应器附着生长载体的状态，生物膜反应器可以划分为固定床和流动床两大类。在固定床中，微生物的载体固定不动，在反应器内的相对位置基本不变；而在流动床中，附着生长载体不固定，在反应器内处于连续流动的状态。基于操作时是否有氧气的参与，各生物膜反应器或者处于好氧状态，或者处于缺氧和厌氧状态。
- 生物滤池
生物滤池是生物膜反应器的最初形式，随着对其研究的不断深入和实际运行经脸的不断积类。生物滤池已由原来承受较低负荷的普通生物滤池逐步发展成为承受较高负荷的高负荷生物滤池、塔式生物滤池以及最新研制成功并投入运行的曝气生物滤池。此外还有处于无氧操作条件下的厌氧生物滤池和与活性污泥曝气池串联在一起的活性生物滤池。在生物滤池处理污水的过程中，经过预处理的污水以滴状喷洒在滤池表面或以淹没状流过滤料表面，经过一段时间后，在填料表面形成生物膜，待生物膜成熟后，栖息在生物膜上的微生物即摄取流经膜表面的有机物作为营养。从而使污水得以净化。
- 生物转盘
生物转盘亦称旋转生物接触器(RBC)，是由一系列平行的旋转圆盘、转动横轴、电机及减速装置和氧化槽等部分组成。自1954年在当时的联邦德国建造成功第一套半生产性生物转盘以来，目前已在国际范围内得到广泛应用。当圆盘面积的40%-50%浸没于污水时，盘片上的生物膜吸附污水中的有机物，园盘转动离开污水。生物膜上的固着水层从空气中吸收氧。被吸附的有机物在微生物目的作用下氧化分解，从而使污水得到净化，进行此种操作的称之为好氧生物转盘。当园盘面积浸没于污水中时，由于没有吸氧过程，圆盘盘片仅是微生物的附着生长载体，进行此种操作的称之为厌氧生物转盘。
与生物滤池的状况相似，近年来人们多开展RBC用于硝化与反硝化的研究并取得了积极成果。Martin等(1997)为改进处理生活污水和工业废水的实际生产规模的三级RBC处理厂，将二次沉淀池污泥进行回流，对BOD5和SS的去除率分别提高约50%和40%。Su＆Ouyang(1997)将RBC生物膜引入到厌氧/缺氧/好氧工艺(A2/O)中，把较长生物固体停留时间(SRT)的生物膜和较短SRT的悬浮生长污泥有效地结合在一起，用以去除城市污水中的有机碳、氮和磷，带来很大的实际效益。还有一项对RBC进行改进的工艺是在RBC后设置固体接触(SC)操作单元，即形成RBC/SC处理系统来提高总的污染物去除效率，如SS、总COD和溶解性COD的去除率可分别提高26%、18%和17%(d'Antonio等，1997)。在增加RBC的盘片比表面积和提高生物膜量方面，Radwan & Ramanujan(1997a,1997b)采用多孔的尼龙纸附着于盘片上，用于在实脸室内处理合成2,4-二氯酚的研究，并讨论水力负荷、进水浓度和C/N对2.4-二氯酚去除的影响，推导出相应的数学模式。对于超负荷运转的RBC进行补充曝气可改善其性能并能适应不同的有机负荷率。采用
总有机碳(TOC)而非BOD和COD来表达处理高浓度食品加工污水RBC的高负荷率，发现反应器处理效率和进水的一些参数相关性较好(Wilson.1997)。此外，Yeh等(1997)还研究了流量与进水有机负荷对厌氧RBC性能的影响，其结论是当水力停留时间HRT=32h时，厌氧RBC处理进水COD为3248-12150mg/L的高浓度污水非常有效。
- 淹没式生物滤池
淹没式生物滤池亦称生物接触氧化法，1971年在日本首创，近20年来，该技术在国内外都得到了广泛的研究和应用，用于处理生活污水和某些工业的有机污水，所谓淹没式生物滤池就是在池内充填一定密度的滤料，污水浸没全部滤料并与滤料上的生物膜广泛接触，在微生物新陈代谢功能的作用下，污水中的有机物得以去除，污水得以净化。淹没式生物滤池多在好氧状态下运行，充氧方式可以是污水预先充氧曝气再流经填料，也可以是在池内设有人工曝气装置。
由于污水处理厂内传统的悬浮生长工艺占地面积较大，在场地有限的条件下，为较大程度地去除营养物质，便可考虑采用类似于淹没式生物滤池的微生物附着生长工艺。如采用较大比表面积的聚笨乙烯球的Bioster反应器系统便使得所设计的处理厂非常紧凑。有关的实际运行结果表明(Benolds等，1997)，采用淹没式生物滤池处理污水，COD去除率大于70，出水中氨氮浓度低于5mg/L，且几乎不含有苯、单体硫、油脂和酚等污染物。Ter-ayarrna等对中试规模的淹没式生物滤池和硝化池进行连续18个月的试脸研究表明，BOD和SS的去除率均大于95%，总氮(TN)的去除率约为75%，这种独特的硝化技术对于寒冷地区特别适用。采用填料作为生物膜载体的厌氧/好氧淹没式生物滤池还可有效地处理垃圾渗滤液并抗冲击负荷。关于pH值对淹没式生物滤池的影响，Villarerde等(1997)认为具体表现在不适的pH值会造成微生物失活、底物受限制和游离氨的抑制等方面。此外，Sa-kai等(1994)还考察了淹没式生物滤池采用磁各向异性的管状生物膜载体的情形，因磁力作用，可在15min内于载体表面形成生物膜，这种反应器在HRT=1h及进水COD为
200mg/L的条件下，总COD去除率可达80%左右。
- 生物流化床与气提式生物膜反应器
生物流化床用于污水处理领域始于20世纪70年代初期并率先在美国和日本进行广泛的研究与应用。所谓生物流化床，就是以砂和活性炭等颗粒物质为载体填充于生物反应器内，因载体表面附着生长着生物膜而使其质变轻，当污水以一定流速从下向上流动时，载体便处于流化状态。按照载体流动的动力来源的不同，生物流化床一般可分为以液流为动力的流化床和以气流为动力的三相流化床两大类。在两相流化床中，按照进入流化床的污水是否预先充氧曝气。床体可处于好氧状态和厌氧状态，前者主要用于处理污水中的有机污染物，而后者则主要用于去除污水中的亚硝酸盐和硝酸盐等。
气提式生物膜反应器和机城式搅动床是与三相流化床相似的生物膜反应器，只不过是用于填料生物成膜的剪切力更大(如前者)或此力来源于空气以外的其他驱动力，如后者的机械搅拌。
近年来，生物流化床已经发展成为一种较有前景的污水生物处理工艺。这主要归因于反应器内微生物流失速率较低、无需污泥回流、不堵塞且保持较高的固-液接触面积等。在这类生物膜反应器中，硝化与反硝化仍然是研究者最为关注的，如Lazarova等(1997)曾采用循环流的气提式生物膜反应器研究其硝化性能，发现在较高COD/NH4+ -N比值的条件下具有较高的硝化速率，Welander等(1997)采用悬浮载体生物膜技术用以对垃圾渗滤液进行硝化，温度在20℃和水力停留时间HRT=14h时可达40gNH4+ -N/(m3·h)的气提式生物膜反应器在硝化时可达到99%的氨的转化率。此外，流化床与气提式生物膜反应器的水力学状况也是研究者感兴趣的课题，因为它影响到使载体悬浮的状况和传质。
- 厌氧生物膜膨胀床
厌氧生物膜膨胀床是为优化污水处理甲烷发酵工艺于1974年研究和开发出来的，与生物流化床相似，它也是在多为园柱体结构的床内填充细小的砂、砾石、无烟煤等固体颗粒作为微生物附着生长的载体。但污水从床底部流入时仅使填料层处于膨胀而非流化状态，即颗粒间仍保持互相接触。有报道表明，厌氧生物膜膨胀床处理系统可用来处理多种不同类型的污水，包括生活污水、精浆发酵污水、合成污水。牛粪便污水和乳清污水等，对COD小于600mg/L的低浓度污水处理亦是非常有效的。
- 微孔膜生物反应器
微孔膜生物反应器是最近几年引起研究者们关注的一种革新的生物膜反应器，它采用特创的微孔膜使待处理污染物质与微生物分开的方式，通过逆向扩散进行传质并通过微生物氧化作用去除污水中的有机污染物。该工艺主要用于处理有机工业废水中毒性或挥发性的有机污染物，如在处理含甲苯100mg/L的污水时对甲苯的去除率达98%以上。采用多孔纤维的微孔膜生物反应器能使O2从膜的一侧透过微孔膜传到另一侧的生物膜，可大幅度减少O2散逸到空气中的可能性，并使得应用纯氧更为经济。Freits dos Santos等(1997)曾研究两种微孔膜的生物膜反应器系统，发现生物膜过厚是运行中的主要问题，并提出了相应的控制措施。Pavasant等(1997)曾推导出数学模型来预测污染物的轴向分布并用试脸数据进行了验证，同时发现该反应器中的限速步骤主要是污染物在生物膜内的传质阻力。
- 移动床生物膜反应器
移动床生物膜反应器是近年来颇受研究者重视的另一种革新型生物膜反应器，它是为解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞续清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。在移动床生物膜反应器中，装填有短管状聚乙烯填料，这些填料随反应器内混合液的回旋翻转作用而自由移动，在好氧反应器中这种回旋力是由曝气提升力而提供的，而在缺氧反应器中则来自于机械搅拌桨。当采用连续操作方式时，该反应器可成功地用于经初沉后污水的硝化；而当采用间歇流操作方式时，则也可成功地用于反硝化。该处理工艺可靠，易于操作。适用于设计小型污水处理厂或改造已有的超负荷运转的活性污泥处理系统。
- 复合式生物膜反应器
复合式生物膜反应器是近些年来发展较快、引起研究者极大兴趣的复合式处理工艺，这些反应器将各单一操作的优点复合在一起，使反应器的净化功能极大提高。有代表性且进行深入研究或应用的复合式生物膜反应器主要有复合式活性污泥--生物膜反应器、序批式生物膜反应器、升流式厌氧污泥床--厌氧生物滤池及附着生长稳定塘。
综上所述。生物膜反应器的类型众多，有的已经多年应用于污水处理的生产实践，有的则正处于研究阶段或将要应用于实践，还有的只是刚用于实教室内开发出来的新型工艺有待于进一步总结研究。还应说明的是，上面所述的生物膜反应器尽管多有好氧与厌氧之分，但即使在好氧生物膜反应器中，好氧与厌氧微生物总是共存的，尤其是对于生物腆较厚的情况，解解氧仅能通过扩散达到微生物膜的表层，深层的生物膜通常处于缺氧或厌氧状态从而伴随发生着厌氧反应过程。
由于生物膜反应器本身内在的优点，近年来国内外一些专家学者均对此进行更为深入的研究，内容涉及生物膜载体的开发与改良、微生物在载体表面的固定机理与技术、生物膜增长与对有机物的去除等，因而使得生物膜反应器的研究进一步向纵深发展。随着生物膜的有关特征的认识和基础理论研究的逐步加深，使得实际应用中生物滤池和生物转盘等技术日益完善，更出现了生物流化床和微孔膜生物反应器等新型的生物膜反应器工艺与系统，同时亦有研究者将生物膜的优势引入到悬浮生长污水处理系统形成各种组合工艺，充分利用各齐自的优点。在去除污染物方面，研究者从去除不同来源的有机物、营养物方面更是取得了丰硕的成果。
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