可降解生物膜载体在水处理中的应用

可降解生物膜载体在水处理中的应用摘要：可降解生物膜载体不仅仅可满足传统生物膜载体在水处理应用中的基本要求，同时还可以兼顾防止环境的二次污染、高效利用能源，在水处理的应用中具有良好的发展前景。本文讨论了可降解生物膜载体的基本特性，介绍了可降解生物膜载体的类别和研究现状，并对可降解生物膜载体今后的研究方向进行阐释。关键词：可降解；生物膜载体；水处理中图分类号;F407.61文献标识码：A引言目前，我国水处理技术的不断进步，以及国家对环保事业的日益重视，大大促进了各种新型的水处理填料的研究、开发与应用，可降解生物膜载体是其中最具潜力者之一。今后，生物膜载体的发展方向将不仅仅是提高效率、优化性能，而且也在满足环境要求、防止二次污染、高效利用能源等方面。在特定的条件下，可降解生物膜载体通过一定的时间后能被附着在其表面的细菌、霉菌、原生动物、后生动物等各类水处理微生物降解，其自身分子量逐渐变小，最终代谢成CO2和H2O，而不会产生生物膜载体残渣，从而解决了水处理填料残渣对环境的二次污染问题。因此，国内外对可降解生物膜载体在水处理中的应用的研究逐步深入。目前，实验室研究和工程应用中的可降解生物膜载体的种类较多，各自特性有较大差异。本文着重探讨了可降解生物膜载体的基本特性，介绍了其类别和研究现状，并对可降解生物膜载体今后的研究方向进行阐释。1可降解生物膜载体的基本特性首先，可降解生物膜载体应具备传统生物膜载体的基本特性：（1）比表面积大、孔隙率高并且不易堵塞。生物膜载体通常含有充足的内外表面积，可为微生物提供栖息和繁殖所需的载体表面和生存空间，维持生物膜反应器内较大生物量和生物多样性。生物膜载体上附着的生物量是随着比表面积和孔隙率的增大而增多的，而生物量的增多又可以提高反应器可承受的最大有机负荷量。（2）易流化。孙广路[1]等研究了生物膜载体在移动床生物膜反应器（MBBR）运行中的堆积现象，获得了MBBR的填料分布方程，证明了生物膜载体易流化的重要性。（3）无毒害作用。生物膜载体必须保证运行过程中不会分解出抑制微生物正常生长的有害物质。（4）价格低廉且易于取材。（5）机械强度大。生物膜载体的机械强度应能保证其在使用周期中的寿命和稳定性。除此之外，针对传统生物膜载体使用后含有大量有毒有害物质，通常的焚烧、填埋等垃圾处理方法难于去除，使载体残渣及有害物质长期存在于自然界中，造成环境的二次污染现象，可降解生物膜填料可在一定使用期后自发地或在附着微生物产生的活性降解酶作用下降解为简单小分子物质，这些小分子物质可作为微生物的营养物质被分解吸收，从而不会导致二次污染。2可降解生物膜载体的分类目前，可降解生物膜载体的研究对象主要有三类：（1）天然高分子生物膜载体；（2）聚酯类可生物降解聚合物（BDP）生物膜载体；（3）改性可降解塑料生物膜载体。2.1天然高分子生物膜载体天然高分子生物膜载体的生产原料十分容易获得且价格较低廉，同时，由于其来自于自然环境，具有对微生物无毒害作用，传质性能好，可完全被生物降解等优点，但天然高分子生物膜载体也普遍存在着强度较低，寿命短的问题。近年来，研究较多的天然高分子生物膜载体有纤维素、壳聚糖、海藻酸钠等。纤维素是植物细胞的主要成分，是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，是适合生物膜附着的理想载体。赵薇等[2]对比研究了未改性、交联、交联且阳离子化纤维素生物膜载体的性能，各种环境因子对纤维素的降解，以及对生物膜生长的影响情况。研究结果证明对纤维素生物膜载体进行交联或者阳离子化，均可以降低载体降解的速度。同时，阳离子化还会促进附着的生物膜的形成和生长。李斌等[3]利用农业废弃物（玉米芯、棉花、稻壳以及稻草）为反硝化碳源滤料，对比研究了这4种天然高分子生物膜载体的静态释碳量和质量、长时间的生物脱氮效果和微生物的附着特性。结果表明：相比较下，玉米芯载体在运行初期可以溶出较多的有机物质，从而促进微生物的附着和生物膜的繁殖生长。同时，这4种天然高分子生物膜载体中玉米芯表现出的长时间的生物脱氮效果最好。壳聚糖是一类天然的碱性多糖，其前身甲壳素在自然界中具有丰富的储量，仅次于纤维素。壳聚糖具有可生物降解性、较好的生物亲和性、易改性和易固定化等诸多有利于作为生物膜载体的特性。20世纪90年代以来，以壳聚糖为生物膜载体的微生物固定化技术得到广泛研究。肖湘竹等[4]利用壳聚糖制备固定化厌氧污泥微球，研究了上流式厌氧污泥床反应器对TNT废水的处理，TN的去除率为75.76%～94.76%，达到了良好的处理效果。Ettayebi等[5]在研究处理含酚废水时采用了海藻酸钙珠体作为假丝酵母菌的载体，24小时COD、一元酚和多元酚去除率分别为9.7%、69.2%和55.3%，处理效果良好。同时，微生物载体可促使假丝酵母菌的最大活性期达到5个月。2.2聚酯类可生物降解聚合物生物膜载体合成型聚酯类生物膜载体是最常见的可生物降解有机合成聚合物生物膜载体。该类生物膜载体主要采用植物为原料，通过发酵生产制取。其中，聚羟基脂肪酸酯（PHA）可降解生物膜载体在近20多年来得到迅速发展。苏彤等[6]以PHA为碳源和生物膜载体，研究其去除地下水中硝酸盐的影响因素。结果表明：在一定条件下，PHA为生物膜载体能有效地去除地下水中的硝酸盐，且可以提高生物膜对pH的适应能力。董明来等[7]在构建反硝化生物膜反应器用以研究反硝化效果及生物膜上微生物的组成时，采用了一种新型的可生物降解的聚合物——聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作为反硝化碳源和微生物附着生长的载体。研究结果表明：利用该生物膜载体构建的反应器脱氮效果显著，并且可以表现出良好的抗冲击负荷能力；并进一步研究了以PBS为碳源和生物膜载体的序批式生物膜反应器对含盐水体的异养反硝化过程。结果表明：PBS具有良好的可生物降解性和显著的去除硝态氮的能力，可以作为处理低C/N含盐废水较理想的反硝化碳源。2.3改性可降解塑料生物膜载体过去的研究认为：聚烯烃类如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）由于具有疏水性、高摩尔质量、并且缺乏能被微生物利用的官能团，因而生物降解十分困难。然而，随着研究的深入，许多研究者发现原本不可降解的聚烯烃塑料经过特定的改性处理后可以具有一定的生物降解性能，获得可生物降解塑料生物膜载体。其原理是采用一定方法在聚烯烃分子上引入易降解的基团、易断裂的化学键、易转移的基团或原子，或分子上连接或整体成分上掺合一些微生物可吞噬的成分如淀粉、壳聚糖等。3展望目前，对可降解生物膜载体在水处理中的应用的研究正在逐步深入的过程中，其应用前景十分广泛，但距投入工程实践的应用中尚需一定时间，仍有许多问题亟待解决：（1）对于上述三类可降解生物膜载体的降解机理尚未被完全解释清楚；（2）如何解决载体材料的成本与生物可降解性之间的矛盾；（3）如何实现可降解生物膜载体降解速度的精确控制；（4）目前可降解生物膜载体在水处理中的应用仍局限于反硝化等某些特定的处理过程，如何拓展其在水处理其他领域应用等。参考文献[1]孙广路,李山,孙承林.推流式移动床生物膜反应器填料分布研究[J].环境工程,2009,27:202-204.[2]赵薇,康勇,赵春景.水处理用纤维素载体的降解及生物膜附着性能[J].环境科学学报,2009,29(2):259-266.[3]李斌,郝瑞霞.固体纤维素类废物作为反硝化碳源滤料的比选[J].环境科学,2013,34(4):1428-1434.[4]肖湘竹,赵国伟,陈梦雪.壳聚糖固定化厌氧污泥微球的制备研究[J].中国西部科技,2007,04:1-2.[5]KhalilEttayebi,FaouziErrachidi,LatifaJamai,etal.BiodegradationofpolyphenolswithimmobilizedCandidatropicalisundermetabolicinduction[J].FEMSMicrobi-oligyLetters,2003,223(2):215-219.[6]苏彤,范铮.以聚羟基脂肪酸酯为固体碳源去除地下水中的硝酸盐[J].北方环境,2011,23(6):138-141.[7]董明来,罗国芝,刘倩.聚丁二酸丁二醇酯反硝化反应器的脱氮效果及微生物群落变化研究[J].环境污染与防治,2011,33(10):48-54.