蔣凱鳳，肖繼波

（1.浙江林學(xué)院 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江林學(xué)院 環(huán)境科技學(xué)院，浙江 臨安 311300）

在水處理法中，生物膜法是利用附著生長于某些固體表面的微生物（即微生物膜）進行污水處理的方法。近年來，以其處理效率高，耐沖擊負荷，運行穩(wěn)定，污泥產(chǎn)量小及經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點在廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用。生物膜是由高度密集的好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類組成的生態(tài)系統(tǒng)，其附著的固體介質(zhì)稱為濾料或載體[1]。載體是生物膜工藝的核心部分，在好氧、兼氧及厭氧過程中均發(fā)揮著重要的作用，而載體的材質(zhì)、比表面積大小、布水布氣性能、表面粗糙度、強度及密度等因素對該工藝的處理效果具有直接影響。筆者就水處理生物膜載體的研究進展、存在問題及發(fā)展方向進行了探討。

1 無機類生物膜載體

目前，水處理中常用的無機類載體有硅酸鹽類、 碳酸鹽類[2－4]、 炭纖維[5]、 礦渣、活性炭[6]和金屬等。由于陶粒具有巨大的比表面積（5.892 m2·g－1），可附著較大量的微生物，同時增高了氧氣在水中的傳質(zhì)效果，因此成為目前應(yīng)用最廣泛的水處理生物膜無機載體[7]。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，還開發(fā)了納米陶粒等各種更具優(yōu)良特性的陶粒載體?；钚蕴坷w維不僅比表面積大，孔徑分布集中在微孔范圍內(nèi)，還具有很好的生物相容性，是良好的生物膜載體材料。王真真等[8]應(yīng)用了活性炭纖維這一優(yōu)良特性，將它作為牛糞厭氧發(fā)酵的載體，結(jié)果表明，它可以很大程度提高厭氧發(fā)酵的效果。

2 有機合成高分子生物膜載體

隨著聚合物加工技術(shù)的不斷進步，具有不同功能的聚合物載體不斷涌現(xiàn)。這些載體材料在強度、比重等各方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。早期應(yīng)用以聚丙烯、聚乙烯等聚烯烴類為主，但這些聚合高分子材料具有疏水性，缺乏生物親和性，使微生物不易附著，掛膜效果較差，廢棄后產(chǎn)生二次污染等缺點。目前，研究者通過對這些材料的改性，不僅提高了載體的掛膜效果，而且廢棄后其表面易于被微生物附著而具有一定的降解性能，解決了載體材料廢棄后產(chǎn)生二次污染的問題。

2.1 親水性生物膜載體

親水性載體是在傳統(tǒng)聚烯烴類載體的表面進行親水改性而得到的生物膜載體。親水改性主要有2種方法：一種是在載體中混入一些含親水性基團的物質(zhì)，以提高載體的表面親水性能；另一種是對載體的表面進行化學(xué)處理，引進極性親水基團。

張近等[9]采用液相化學(xué)法對聚丙烯孔板波紋填料進行改性，得到的填料粗糙度增大，表面引入的羰基、羧基及羥基等親水性基團，使載體的潤濕性能改善，并且載體的氣相總傳質(zhì)單元數(shù)平均增加24%，傳質(zhì)性能大為提高。李磊等[10－11]采用葡萄糖接枝發(fā)泡法制備得到高孔隙率的親水性聚合物多孔載體，并作為流化床反應(yīng)器的生物膜載體，12 d后載體附著生物量達到4.45 g·L-1[以可揮發(fā)性懸浮物質(zhì)（VSS）計]，膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在水力停留時間（HRT）為6 h的情況下，總有機碳（TOC）、氨氮（NH4+-N）的去除率分別達到了97.1%和64.3%。聚氨酯泡沫因其較強的親水性和孔結(jié)構(gòu)而被作為生物膜載體，近年來得到廣泛應(yīng)用[12]，但這種載體與微生物之間只是簡單的物理吸附，因此容易脫落。李彥鋒等[13]利用重鉻酸鉀強氧化劑進行改性處理，提高了聚氨酯泡沫的親水性，改善了表面電荷的分布，同時增加其化學(xué)活性基團的數(shù)量，避免了生物膜易脫落。

2.2 親和性生物膜載體

一般而言，生物親和性好的物質(zhì)對生物體無毒性，生物易通過新陳代謝對它們進行吸收降解，如羥基磷灰石、海藻酸鈣、瓊脂糖等均具有良好的生物親和性。添加這類物質(zhì)后，載體不僅具有了較好的生物親和性，提高了掛膜效果，同時這些物質(zhì)又易被生物吸收降解，因此，該類載體表面易被微生物附著而具備一定的生物降解性能。

海景等[14]通過在普通聚乙烯生物填料中添加適量的羥基磷灰石（HAP）、淀粉、蔗渣、活性炭和磁粉，制備得到營養(yǎng)緩釋型生物填料。該種填料比普通填料更具有生物親和性和營養(yǎng)緩釋性，且掛膜時間縮短了3 d。隋軍等[15]發(fā)明了一種用于水處理的活性生物填料，該填料中含有少量面粉、淀粉等生物親和性物質(zhì)，不但為微生物提供適當營養(yǎng)源，還可為微生物提供更多的物理附著點，有利于微生物在填料表面的生長和繁殖，加快掛膜啟動速度，從而提高水處理效率。許爐生等[16]利用天然生物物質(zhì)表面的羥基、羧基、氨基等豐富的化學(xué)活性基團，在填料表面涂覆天然生物物質(zhì)，發(fā)明了一種生物親和性水處理填料。由于天然材料與微生物的同源性，使其大大降低了微生物附著于載體的難度，縮短了微生物培養(yǎng)、馴化的難度和時間周期。

2.3 磁性生物膜載體

磁現(xiàn)象是常見的物理現(xiàn)象之一。幾十年來磁效應(yīng)在生物醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)，磁場效應(yīng)可大大提高廢水的生物降解效率。Jung等[17]在生化反應(yīng)器外加南極磁場處理含酚廢水，發(fā)現(xiàn)酚的降解速率比不加南極磁場的普通生化反應(yīng)器高2倍至數(shù)倍。Lee等[18]添加殼聚糖、纖維素、聚氨酯、瓊脂糖等作為微生物固定載體，中心以珍珠粉或樹脂粉末為原料制成磁芯，通過靜電感應(yīng)形成磁場，從而形成磁性生物膜載體。該種載體可抑制降解生物膜酶形成，從而提高了處理效果。王化軍等[19]將磁性顆粒與高分子聚合物充分混合后，在擠出機的作用下，形成高分子聚合物，同時通過研磨、過篩，再浸入表面活性劑中，開發(fā)出一種生物磁性載體。該載體制備方法簡單，所需試劑和材料易得，可重復(fù)使用，通過借鑒塑料工業(yè)中的擠出成型及混煉原理，具有可控性強，生物周期短，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。此外，該載體采用廢舊高分子聚合物使資源得到循環(huán)利用的同時也降低了載體的生產(chǎn)成本。

3 天然可降解高分子生物膜載體

天然高分子材料由于原料比較容易獲得，成本較低，同時對微生物無毒害作用，傳質(zhì)性能好，因而適合用于微生物膜載體材料。目前，水處理中研究較多的主要有殼聚糖、海藻酸鈉和纖維素等。

3.1 殼聚糖

殼聚糖的前身為甲殼素，在自然界的儲量非常豐富，同時因殼聚糖生物親和性好，易接枝改性，可生物降解性及固定化微生物效率高等諸多優(yōu)點，在可降解生物膜載體中受到了越來越多的重視。瑞典的Selmer-Olsen等[20]用殼聚糖處理生活污水，發(fā)現(xiàn)其適用范圍酸堿度（pH）值高達5.25，且試驗結(jié)果表明除磷率接近60%，化學(xué)需氧量（CODCr）去除率高于90%，產(chǎn)生的殼聚糖污泥富含營養(yǎng)成分，還可作為豬飼料的添加劑，起到一舉兩得的效果。D’Annibale等[21]用殼聚糖吸附漆酶后再用戊二醛交聯(lián)制得微生物固定載體，同時考察了用該固定化漆酶載體處理橄欖油工業(yè)廢水的效果，結(jié)果表明，該載體可使之部分脫色，且多酚含量、毒性都明顯降低。殼聚糖因來源廣泛，安全無毒等優(yōu)點，在水處理中發(fā)揮了重要的作用。但在pH值較低時，殼聚糖易溶于水，使載體機械強度降低并造成殼聚糖大量流失[20]，因此，該類載體不宜用于pH較低的酸性廢水。

3.2 藻酸鹽

藻酸鹽作為生物膜載體，具有無毒、生物親和性好且易降解等優(yōu)點。常用的藻酸鹽有海藻酸鈣和海藻酸鈉。Tam等[22]用填充有海藻酸鈣球形載體的反應(yīng)器處理城市廢水，效果十分顯著。現(xiàn)場實驗24 h以后，NH4+-N和PO43--P的去除率分別達到100%和95%，且反應(yīng)過程中載體保持良好的穩(wěn)定性和完整性。黃川等[23]以海藻酸鈉固定化活性污泥小球處理甲醇廢水，得到其最佳試驗工況，并且在此最佳條件下，當進水CODCr小于722.2 mg·L－1，甲醇小于307.4 mg·L－1時，CODCr的去除率大于85%，甲醇的去除率可達到90%左右。

研究發(fā)現(xiàn)，溫度是影響海藻酸鈉包埋顆粒機械強度的關(guān)鍵因素之一[24]，溫度升高時有機廢水中的各種離子侵蝕海藻酸鈉，使它們?nèi)芙?，并且隨著運行時間的延長越趨明顯，從而使固定化細胞的三維結(jié)構(gòu)遭到破壞，載體使用壽命變短。為了克服海藻酸鈉的這一缺點，研究者通過選用聚乙烯醇與海藻酸鈉復(fù)配作為固定化載體或?qū)潭ɑ毎M行表面化學(xué)處理的方法改善其性能。呂榮湖等[25]選用聚乙烯醇（PVA）-海藻酸鈉（SA）復(fù)配作為固定化載體固定除油菌，制備成固定化微生物小球（MB），用于處理含油廢水。結(jié)果表明，該載體既維持了固定化細胞的活性，又可減少侵蝕腐敗作用，達到提高機械強度，延長使用壽命的目的。藻酸鹽因無毒、生物親和等特點，在水處理發(fā)揮了一定的作用，但由于易被微生物分解，使用壽命較短，因此該載體目前主要集中于微生物固定化方面的應(yīng)用。

3.3 纖維素

纖維素是自然界含量最豐富的天然高分子，是構(gòu)成植物的主要成分。因取材容易，生物親和性好，常被用作生物膜載體。尤其是近年來發(fā)展的多孔纖維素載體，幾乎具有理想載體的所有特征。Masatoshi等[26]利用多孔纖維素載體AQUACEL在流化床內(nèi)對含氮廢水進行硝化處理，發(fā)現(xiàn)氮的加載率可高達12 kg·m－3·d－1，而且經(jīng)過18個月的連續(xù)使用，載體材料可保證結(jié)構(gòu)基本不變?？涤碌萚27]以微晶纖維素為原料，研究開發(fā)了一種自身可完全降解、孔隙率高、比表面積大的水處理用多孔生物膜載體。范福州等[28－29]以麥草漿粕為原料，得到了一種可完全降解、生物親和性優(yōu)良、孔隙率高、比表面積大、孔徑合適、成本低廉的水處理用可控降解多孔生物膜載體。同時，為了解決纖維素載體在微生物環(huán)境中的耐用性以及加速降解，減少環(huán)境負擔的問題，對纖維素載體的微生物降解可控性進行了探索。結(jié)果表明，通過改變載體的交聯(lián)度可以控制載體的降解速率，使載體在數(shù)天至數(shù)月內(nèi)完全降解。

上述天然高分子載體因無毒、原料易得、生物親和性好而具有一定的應(yīng)用前景，但這些材料的機械強度較低，且在有機物濃度較低時易被微生物分解，使用壽命短，因此在工程應(yīng)用上受到了一定的限制。近年來，部分研究者發(fā)現(xiàn)，竹子作為中國豐富的天然纖維可降解材料，具有較強的橫向和縱向強度，高度中空的特殊結(jié)構(gòu)、較強的親水性能，使得微生物易于附著，在掛膜速度和掛膜量上均優(yōu)于普通填料，且可提高污水處理效率5%～8%，是一種良好的微生物膜載體[30]。Feng等[31]將竹絲手動交織成球形，連接成串后固定在支架上，用于厭氧處理生活污水，取得了良好的效果。張成祿等[32]采用卷成圈柱形的竹簾作為生物膜載體，發(fā)明了一種新的生物膜污水處理床，具有對環(huán)境無污染、不易堵塞，掛膜速度快、造價低等優(yōu)點。

4 結(jié)語

隨著社會對環(huán)境的重視，生物膜載體的使用量不斷增加，目前常用的生物膜載體大多以聚乙烯、聚丙烯等原材料制成，價格較高，親水、生物親和性較差，廢棄后難降解?？山到馍锬ぽd體有效避免了載體材料廢棄后產(chǎn)生二次污染的問題，已經(jīng)成為生物膜載體的發(fā)展方向，但是有關(guān)這些載體的可控降解方法、條件及強化降解機制尚需作進一步研究。天然可降解材料因取材方便，價格較低，具有良好的市場前景，但機械強度低，使用壽命短，因此，如何提高載體的機械強度，延長使用壽命，控制可降解性，是該類載體得以廣泛應(yīng)用所要亟待解決的問題。

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