生物载体的应用现状与发展综述

生物载体的应用现状与发展

姓名：朱泽敏学号：02130111 专业：市政工程摘要：生物载体填料在生物膜工艺中起着关键作用，近年来，国内外学者对生物载体填料从多方面做了深入的研究开发工作并取得了相应的成果。本文结合近年来国内外学者的研究成果概述了生物载体填料的应用现状，并就其发展方向给出一些见解。

关键词：生物膜技术；生物载体；活性炭；海绵铁；多孔陶瓷

前言

目前最常用的污水的生物处理方法是活性污泥法和生物膜法。活性污泥法与1914年在英国曼彻斯特建成试验场开创以来，已有将近90年的历史，它是污水生物处理领域内使用最早、最为成熟的工艺。但是活性污泥工艺在使用过程中存在诸多问题，如：占地面积大、剩余污泥量大、脱氮效果差、管理费用高、易发生污泥膨胀和污泥流失等。而生物膜法有机负荷较高，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。因此在我国受到了广泛重视。

生物载体填料是生物膜处理工艺的的关键，它直接影响生物反应的处理效果，而且，填料的费用在生物反应处理系统的建设投资中也占较大的比重，所以，填料的选择决定了污水的处理效果及工程的运行管理等问题。

一、生物载体的概念和历史概况

为生物膜提供附着生长固定表面的材料成为生物载体（或填料）。

在生物膜法的发展和性能特征方面生物载体有着重要影响。最早采用的生物膜法构筑物是以碎石为填料的滴滤池，碎石的比表面积小，能够为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷也不大，导致其占地面积较大，加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。所以，在20世纪50年代以前，生物膜法一直未被重视。随着塑料工业的发展以及塑料填料被引入生物膜处理系统，生物膜法得到了进一步的发展。

早在十九世纪二、三十年代，英国就有人以碎石、卵石为填料建造生物滤池来处理生活污水。十九世纪末和本世纪初，韦林(Waring ),迪特(Ditter)等人先后以碎石、炉渣为填料进行了生物接触氧化法的试验。其后德国的韦加得(Weigand)以烧结渣为填料发明了旋转生物接触器。本世纪二十年代，德国的贝奇(Bach)和美国的布斯维尔(Buswell)又对生物接触氧化法进行了应用化试验。布斯维尔等人在1929年以栅网胶合板为生物载体填料，在容积为7.72m3，进水BOD浓度为112.0mg/L，日平均处理水量为74 m3的条件下进行试验，结果BOD 出水浓度为69.5mg/L，去除率为41.4%。当时，美国和德国若干地方都采用以碎石、卵石、焦炭、软木塞、木片、木板、波形铝板等为填料的生物接触氧化法处理废水，BOD去除率最高为69%，低的只有28%，效果不太理想。1951年，德国化学工程师舒尔兹应用气体洗涤塔原理，以炉渣、瓷环等为填料，创立了塔式生物滤池。1954年前后，美国学者应用基本的化学工程原理(物料平衡和一级反应动力学)建立了生物载体填料的数学模型以解释污水的净化过程。生物滤池的

运行原理促进了塑料树脂制造的合成填料的迅速发展。1975年威尔福德(Wilford)、康伦(Conlon)报导了美国新泽西州11家处理厂采用以石棉水泥板等为填料的生物接触氧化法处理污水，取得了BOD的平均去除率为87.5%的好效果，但当时的进水BOD浓度低，通常只有几百mg/L。

然而以往的生物膜法处理效果都不理想，BOD去除率低，其主要原因是处理构筑物内大都采用石、渣、炭、板、片等无机填料，以致使填料的比表面积小，固定生物膜量不大，使BOD负荷过高，填料的构造不合理，易于堵塞，停留时间过短，一般只有0.5小时左右。这样，有机物氧化分解不彻底，BOD去除率低，出水BOD值高。

20世纪50年代是生物载体发展的分界线，在此之前生物膜法却没有引起足够的重视，其主要原因是生产中最早采用的生物载体是碎石，其比表面积小，限制了生物量和浓度；之后，由于塑料工业的发展以致大量的塑料生物载体的应用使生物膜法有了长足的发展，使生物载体的比表面积、密度、大小等均能根据生产实际需要来定，开发出各类生物膜工艺，如生物滤池、生物流化床、生物接触氧化工艺等。

近十年来。国内外各种新型生物填料不断被推出。如日本工程与贸易公司开发的RINGLACE塑料纤维填料已在工程上获成功应用。该填料被固定在铝制的笼子里垂直置于曝气池中，受曝气冲力的影响而浮动摇摆，因而污泥不会矿化和沉积。在污水处理厂中对几种不同填料进行对比试验发现，投加RINGLACE塑料纤维填料的曝气池，

其BOD和COD的去除率可增加30%~50%。在新型悬浮填料方面，德国LINDE公司的LINPOR填料和英国的SIMONHARLIEY公司的CAPTOR填料，目前发展较为成熟，这2种填料均由聚氨酯泡沫塑料制成，具有很高的比表面积（5000~35000m2/m3）,可使系统的固定微生物质量浓度分别达10~18kg/ m3和7~10 kg/ m3，适用于高浓度工业废水的处理。

二、生物载体与固定化微生物技术

固定化微生物技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术，它是通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内, 使其保持活性并可反复利用的方法。固定化微生物的制备方法多种多样，废水处理中常用的方法主要有: 吸附法、包埋法和交联法三大类，其中以包埋法应用最为普遍。固定化微生物技术可以用于处理氨、氮废水，含酚废水，印染废水及脱色，及重金属废水

固定化微生物技术需要合适的载体，理想的微生物固定化载体应具备的条件：固定化过程简单，常温下易于成形；固定化过程及固定化后对微生物无毒；基质通透性好；物化稳定性好，机械强度高，抗微生物分解；沉淀分离性好；价格低廉，寿命长。

固定化微生物技术在废水生物处理领域中具有独特的优越性和巨大的潜力，引起了人们的普遍关注并获得了广泛的研究，但要实用化还有许多问题亟待解决：(1)寻找高效、廉价、抗毒性强的微生物，发展多种生物共生的固定化体系；(2)开发性能稳定、强度高、寿命长、费用低、传质阻力小的固定化载体；(3)开发高效的固定化反应

器；(4)高强度废水固定化处理和其他优化组合的处理工艺的开发；相信通过不断的研究，固定化微生物技术在废水处理中会成为一项高效而实用的废水处理技术，并获得广泛的应用。

三、生物载体应用现状

在污水生物处理中常用的生物载体主要有无机和有机两大类；无机生物载体常见的有沙子、玻璃材料、沸石、矿渣、陶瓷类、陶粒、活性炭、硅藻土、蒙脱石等；无机生物载体机械强度高、化学性质稳定、可提供较大的比表面积，但是其密度大，难以悬浮生长，而且反冲洗需要的动力消耗也大，限制了其应用范围，但是无机生物载体材料较为广泛、易得，是生物膜法中较为理想的生物载体；随着生物载体制作技术的发展，无机生物载体在生产过程添加一些添加剂使其密度减少、变轻将有利于无机生物载体的开发和应用。

有机生物载体是生物膜法中使用的主要载体，主要有PVC、PE、PS、PP、各类树脂、塑料、纤维以及明胶等。其中有机高分子生物载体适用于悬浮生长完全混合工艺，而塑料类生物载体适用于固定床或混合型工艺

下面给大家介绍几种目前比较常用的生物载体

首先是大家都比较熟悉的活性炭，利用活性炭作为生物载体处理水的方法，也称为生物活性炭法。此方法的优点在于先吸附后降解的独特作用机理，使污染物停留时间与水的停留时间异值，在同等停留时间条件下，其污染物停留时间长，因而处理效果好。另外微生物活动对活性炭起到再生作用，能使20%~24%的活性炭得到再生，因此

生物活性炭大大延长了活性炭的再生周期，而活性炭也可减轻废水中有害物质对微生物的影响，从而充分发挥微生物的生物降解作用。生物活性炭用在水处理中的主要除去对象如:三卤甲烷的前驱物质（即分子量从几百到几十万的天然着色有机物腐殖质及其类似物质)、氨基氮、臭气成分（2—甲基异冰片、“觉斯敏”及其它)、农药及界面活性剂等微量有机污染物质，以及臭氧处理形成的副产物（醛、澳、酸离子及其它)等。据报道，采用人工固定化生物活性炭处理低浓度甲醇废水，可使甲醇的去除率达93.6%~100%。为保护生物活性炭装置内良好的好氧条件，臭氧—生物活性炭法被广泛应用。在国外如德国慕尼黑多奈自来水厂、意大利的都灵市新水厂、法国巴黎市水厂、罗马市布拉契诺湖水厂以及日本的几座水厂；在国内如大庆石化总厂、前郭炼油厂、北京田村山水厂、上海周家渡水厂以及深圳梅林水厂等。

然后介绍一下海绵铁，海绵铁是由精矿粉和氧化铁磷经过研磨、磁选后高温烧结，然后冷却、冲洗、破碎，再重新磁选和筛选而得到的一种廉价的金属多孔性物质。与普通的铁屑滤料相比，它具有特殊疏松的海绵状结构，由于其具有吸附表面积大、铁溶出速率快的优点，因此用海绵铁作为生化反应器中的载体填料，一方面可以为微生物的富集生长提供充足的空间，为生化反应器中各种好氧、兼氧及厌氧微生物的协同、共生提供良好的“微环境”，保证了同步硝化、反硝化的顺利进行，从而实现了真正意义上的氮素去除；另一方面可以形成生物铁，起到化学除磷的效果。海绵铁用作生物处理载体填料可以大

大提高反应器的处理效果，特别是脱氮除磷的效果。研究表明，生活污水的处理效果与海绵铁的投加量密切相关，从碳氧化的角度讲，对于粒径0.1%0.5mm 的海绵铁，最佳投量为67g/L。而当海绵铁加量为100g/L 时TN 的去除率最高，海绵铁加量越大，除磷的效果越好。海绵铁铁离子的溶出与其粒径大小有关，实际应用中，可根据不同的水质及工艺，选择不同粒径的海绵铁填料，以达到最佳的处理效果。

常用的生物载体还有多孔陶瓷，多孔陶瓷具有制备简单、费用低、酶活性高、可再生等优点。由于多孔陶瓷材质具亲水性且表面多孔，因此其与微生物的固定结合强度较之有机和致密无机材质的载体材料高得多，是目前性能较为优越的微生物固定载体材料。王孔星等人利用多孔硅酸盐、多孔陶珠吸附混合脱色菌WD-1，可对90余种染料脱色，处理印染废水，脱色率达75%，中试平均脱色率54. 38%.张永明等人用直径约为58 mm、高120mm、方孔直径2mm ×2mm 的蜂窝陶瓷作为载体，制成固定化细胞气升式内循环生物反应器(internal airlift loop bioreactor with cells immobilized onto ceramic honeycomb support，IALBR2CICHS)，大大提高了反应器的混合效率，使得反应器的完全混合区提高到85%以上，走旁路的流体不到1%.此外，将有机材料与无机多孔陶瓷进行复合，制备的新型材料可达到两种材料的优势互补，提高污水处理效率。陈月芳等人将空心悬浮球的鳍状片表面打磨后用绿色环保型PVC胶粘附粒径不大于0.15mm 的沸石小颗粒，制得一种新型生物沸石和悬浮球填料有机组合在一起

的填料，该填料与悬浮球填料相比，比表面积增加、易于挂膜、不易堵塞，处理城市污水厂二级出水时，去除率不小于89%。利用废料制备的低成本、高性能的多孔陶瓷滤球作为生物载体，处理污水具有诸多优势，亦是今后研究的方向。

四、主要存在的问题及发展前景

目前应用的生物反应填料作用单一，只是通过较大的比表面积和宜于生物附着的表面性质，为生物反应装置提供较高的生物量及为生物反应提供场所，但不能为生物反应装置创造良好的传质扩散条件。其主要原因在于填料的结构形式不合理，对流体的流态控制不符合多相流体力学的物系传质机理，使得多相物系之间的传质扩散效率低下。与现有的生物反应填料相比，不增加制作成本的前提下，新型的生物反应填料在提供较大的生物量的同时，依靠填料本身的空间结构形式为生物反应创造良好的传质扩散条件，提高生物反应处理工艺的效率和有机底物的利用率，缩短反应时间，减少生物反应装置的体积，节省基建投资和运行费用。解决城市污水处理出水水质特别是氮磷难于达标的问题，解决工业废水处理技术难题，并为污水回用提供技术支持，为保护我国环境资源和改善生态环境提供先进的技术保证。

参考文献：

[1]张自杰.排水工程[M].北京:中国建筑工业出版社.1999: 208 -257.

[2]李圭白,张杰.水质工程学[M].北京:中国建筑工业出版社.2005：455.

[3]李杰，王亚娥.海绵铁生物填料对生化处理效果的影响[J].水处理技术，2006，32（12）：64-66.

[4]刘蕾，李杰，王亚娥.固定化微生物技术及其在废水处理中的应用[J].甘肃科技，2004,20（3）：35-36.

[5]唐传祥.新型生物膜法废水处理中生物载体填料的研讨[J].化工给排水设计，1993（3）：24-30.

[6]周梅，曾令可.多孔陶瓷在污水处理中的应用[J].材料研究与应用，2008，2（4）：313-316.

[7]王孔星，王晓维.用无机载体固定脱色混合菌处理印染废水的模拟试验[J].环境科学与技术，1989( 4) : 26-29.

[8]张永明，俞俊棠，王建龙，等.蜂窝陶瓷固定化细胞气升式内循环生物反应器的水力学特性[J].环境科学，2001，22(1):53-57.

[9]陈月芳，宋存义，汪莉，等.新型生物沸石填料在污水深度处理中的应用研究[J].北京科技大学学报，2006，28 (10):921-925.