水处理中的生物膜技术：趋势与挑战

MBfR能更好地控制电子传递，这使同步好氧/缺氧工艺(例如亚硝化/厌氧氨氧化)能通过清晰的氧化还原分层的生物膜得以实现。下图是基于氢气的MBfR位于美国加州的一个商业应用案例。

基于氧气/空气的MABR工艺的主要生厂商有北美的 ZeeLung™ 和爱尔兰的OxyMem™.

ZeeLung的反应器设计原理图

这种工艺很好地结合了COD/BOD的去除、硝化/反硝化和厌氧氨氧化。ZeeLung的其中一个用于三级硝化示的范项目位于芝加哥O’Brien 再生水厂，规模为2300PE。而OxyMem™ 据称至少有9个工程应用案例，分布在日本、瑞典、西班牙、英国、爱尔兰和巴西等国。

OxyMem的MABR组件经运行后的外观

世界各地对水质标准要求一直在提高，面对新的水处理要求和挑战，新工艺的发现让这些成熟的生物膜反应器类型迎来了新的机遇。例如美国环保部EPA最近出台的一项饮用水的基本标准——硒的浓度必须低于0.05 mg/L。这项法规将对农业、矿业和能源行业都产生影响。昂贵的反应剂和有毒的残留副产物使得那些物理化学将变得不再适用。通过生物方法将硒酸盐变成零价硒会变成更好的选择。

此外科学家发现生物膜还可以用于生物发电，也就是所谓的MFC微生物燃料电池。

2. 生物膜面临的挑战

生物膜也有它不好的一面，这也是工艺设计者和生物膜研究者关心的一个问题。膜污染是膜工艺运行的常见问题，而且往往代价昂贵。这在螺旋型膜分离模块中的进料间隔件是常见问题。

科研人员认为控制好微生物的群体感应是解决膜污染的措施，其他解决方法还包括减少流速、修改进料间隔建的设计和更先进的清洗策略等。

另外一个应对生物膜困扰的方法是把焦点放在增加生物膜的水力传导性上，而不是考虑如何防止它的形成，甚至通过生物膜的生物活性改善最终出水水质。

3. 生物膜模型

生物膜模型对生物膜基础研究和生物膜反应器的研发都至关重要。IWA在2006年曾经出版题为“Mathematical Modeling of Biofilms的著作，对生物膜模型进行了系统的阐述。这本书使生物膜的一维模型作为工程工具得到了广泛的推广和应用。

实际上，相对于一维模型，多维度的模型能在很多情况下能更好地促进各种形式的生物膜理论研究和系统研发。现在人们一般把理论研究的生物膜模型和其作为工程应用的工具分成两种模式使用。但随着生物膜水力动力学的重要性不断加强以及系统多样性的增加，生物膜的理论研究和反应器设计的模型会更多地作为一个整体来考量。

4. 趋势和挑战

关于生物膜的基础理论是研究、应用和建模的共同实践的成果。应用型研究给对生物膜机械学原理的理解提供了基础，但目前大多数生物膜反应器的设计标准还是基于这些应用型研究的经验参数，而数学模型的兴起本可成为更可靠的科研和工程应用的工具。我们现在对于生物膜基础认识和反应器的设计经验还存在着差距。在已有的相关文献里可以看出明显的宏观和微观划分，前者多指反应器层面的文章，而后者为生物膜特性。

关于作者

Joshua P. Boltz, CH2M, USA

Eberhard Morgenroth, EAWAG, Switzerland

本文摘译自IWA专家组最新报告《水科学、研究和管理的全球趋势和挑战》。

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