環(huán)境工程中生物反應器研究

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摘要：生物反應器是以微生物的降解作用為基礎(chǔ)的污染控制裝置，主要依靠的是微生物對污染物的催化作用，然后借助反應器裝置為載體，充分發(fā)揮微生物的優(yōu)勢。本文介紹了生物反應器的分類，工作原理和特點，指出生物反應器的特征和基本功能。此外，對常見的生物反應器的特征和用途進行介紹，并指出生物反應的應用領(lǐng)域、優(yōu)勢等。

關(guān)鍵詞：生物反應器；膜生物反應器；污水

1引言

目前人類的快速發(fā)展，帶來的不僅是物質(zhì)生活的提高，更嚴重的是環(huán)境問題日益嚴重，人口膨脹、資源銳減、淡水缺乏等一系列的問題擺在人類的面見亟待解決。微生物是自然界中最主要的分解者，人類利用這一點，不斷的發(fā)明和創(chuàng)造著污染物的處理方法。生物反應器就是其中的一類，它利用了微生物自身的優(yōu)勢，連接了反應器，最大化的發(fā)揮著微生物的催化降解能力。生物反應器的發(fā)展不僅對現(xiàn)有污染治理技術(shù)有著重要的指導作用，而且還有利于其他生物類行業(yè)的發(fā)展。

2生物反應器

生物反應器是利用具有活性的細胞或其分泌的酶來進行生化反應的裝置，是生物進行催化反應的重要裝置?；钚陨锛毎M行反應時，反應器的構(gòu)型、運行方式、提供的反應條件對于生化反應的效率有著重要的影響。生物反應器是對生物活性細胞進行催化反應的一種放大，它為生物體提供的環(huán)境越優(yōu)越、越穩(wěn)定，生物反應進行的也就越徹底、越充分，進而在各個方面的應用也就更能體現(xiàn)生物催化作用的重要性[1]。

3生物反應器分類

3.1細胞培養(yǎng)反應器

3.1.1動物細胞培養(yǎng)[2]

（1）中空纖維管生物反應器：

它是由聚礬或丙烯的聚合我構(gòu)成，在一個反應器中由數(shù)千根中空纖維管組成。它可用于培養(yǎng)懸浮生長的細胞以及對壁有依賴性的細胞。

（2）微囊培養(yǎng)系統(tǒng)：

是在無菌的條件下，將活細胞或者生物活性物質(zhì)放入海藻酸鈉溶液中，且懸浮在里面形成小滴，然后滴入到氯化鈣溶液中，最終形成了含有活性細胞的凝膠小珠。

（3）微載體培養(yǎng)系統(tǒng)：

是將細胞吸附于微載體表面，然后在攪拌系統(tǒng)中對培養(yǎng)液進行懸浮培養(yǎng)，最終形成單層的細胞體系。該方法主要用于大規(guī)模的培養(yǎng)貼壁依賴型細胞。

（4）流化床生物反應器：

該反應器的培養(yǎng)液垂直向上循環(huán)流動，從而不斷的為培養(yǎng)細胞提供營養(yǎng)成分，滿足了高密度的細胞培養(yǎng)，優(yōu)化了細胞生長與培養(yǎng)環(huán)境的結(jié)合。

3.1.2植物細胞培養(yǎng)反應器[3]

（1）機械攪拌生物反應器：

它對于細胞培養(yǎng)時能夠更好的控制培養(yǎng)條件，但是其機械攪拌力會對細胞造成一點的損害，因此在利用機械攪拌器時需篩選出抗剪切力的細胞，此外，也應對反應器的構(gòu)型就行改進，以便適合更多種細胞的培養(yǎng)。

（2）填充床生物反應器：

該反應器在培養(yǎng)細胞時，即可使細胞位于支撐物表面，也可放于支撐物之中，培養(yǎng)液流經(jīng)支撐顆粒，可以不斷的被細胞利用，可以固定大量的細胞、但是其缺點是反應器內(nèi)對氧傳遞、pH、溫度等控制不佳。

（3）批式反應器：

它在培養(yǎng)時是將營養(yǎng)物與菌種一次性加入進行培養(yǎng)，直到最后結(jié)束時放出培養(yǎng)的細胞，在中間進行的過程中只有空氣和尾氣的排出，沒有其它的物料交換。

（4）連續(xù)培養(yǎng)反應器：

在培養(yǎng)過程中，在反應器中不斷的加入營養(yǎng)物質(zhì)，利用反應器中的菌體增殖來得到產(chǎn)物?？刂坪梅磻獥l件，該反應器中菌體采出與菌體增殖的速度相同，進而可以保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）酶反應器：

該反應器以酶或固定化酶為催化劑進行酶促反應來進行細胞的增殖。最佳的酶反應器稱為活塞流反應器或平推流反應器。

3.2膜生物反應器MBR

膜生物反應器是將生物反應器與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型的污染控制工藝，其主要的特點是利用了膜組件代替了傳統(tǒng)生物處理過程中的二沉池[4]。MBR的特點主要有如下。

3.2.1出水水質(zhì)效果好

在膜生物反應器中，可溶性的大分子化合物能夠被膜截留，同時可以連同污水一起返回到生物反應器中進行充分的反應，使得微生物對污染物徹底的分解、利用。較長的停留時間有利于硝化細菌在生物反應器中積累，促進了硝化的效果。此外，出水時微生物也被膜所截留。因此，保證了膜生物反應器的出水效果。

3.2.2工藝參數(shù)易于控制

在膜生物反應器中，利用膜組件代替了二沉池，使得反應器具有較短的HRT和SRT，此外，膜組件的截留作用，也降低了污泥膨脹的可能性。

3.2.3耐沖擊負荷

膜生物反應器中微生物的濃度相比其它生物反應器要高，而且裝置的容積負荷大。反應器運行時有機物的濃度變化增加時，有機負荷也不會大幅變化。

3.2.4污泥產(chǎn)生量少

膜生物反應器中污泥濃度相比其它活性污泥法工藝更高，因此反應器運行時污泥負荷的FM值較低，相應污泥產(chǎn)量也就降低了。

3.2.5異于自動控制

膜生物反應器的結(jié)構(gòu)相對簡單、運行方便且靈活，在整個反應過程中易于操作，也容易實現(xiàn)自動化的運行方式。

3.2.6存在的缺點[5]

雖然膜生物反應器在運行上、處理效果上都有著很大的改進和突破，但是其也存在著一些缺點。膜組件在整個反應器中是非常重要的，但是其易于污染，需要定期進行沖洗，嚴重時需要更換膜組件，而且膜組件的造價也是該工藝造價組成的重要部分，而且其出水方式是需要外加動力來實現(xiàn)的，相應的提高了反應器運行的成本。

3.3復合生物反應器

復合生物膜法是以生物膜法與其它污水處理工藝相結(jié)合的新型生物反應器。近些年來備受關(guān)注。該反應器的特點是在活性污泥曝氣池中加入填料作為微生物的載體，進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜。反應器中添加的微生物生長載體，有利于微生物的生長，提高了反應器中的污泥濃度以運行的穩(wěn)定性，是提高微生物降解能力的有效方法[6]。目前，在復合生物反應器中以活性污泥生物膜反應器應用最為廣泛。而在生物膜法工藝中，反應器中所使用的填料最為重要，它的選擇直接影響到污染物的處理效果，隨著復合生物反應器的不斷發(fā)展，在反應器的工藝參數(shù)、填料材質(zhì)等問題上以有了眾多的突破，一系列的反應器類型也相繼出現(xiàn)，有序批式生物膜反應器、升流式厭氧污泥床等。

4新型生物反應器

4.1提升槳生物反應器

借助于雜交瘤細胞、克隆技術(shù)以及基因工程的發(fā)展而開發(fā)出來的新型生物反應器，對大規(guī)模的動物細胞培養(yǎng)有著顯著的提高。雖然傳統(tǒng)的機械攪拌反應器在實際應用方面有著成熟的經(jīng)驗，但在處理有氣泡產(chǎn)生的界面張力以及攪拌產(chǎn)生的漩渦有著很大的進步[7]。

4.2雙圓筒篩攪拌式生物反應器

生物反應器的不斷改進都是為了更佳的培育生物細胞。Shi等人對現(xiàn)有反應器進行了改進創(chuàng)新，提高了溶解氧傳質(zhì)系數(shù)，同時在反應器增加兩個圓筒形篩網(wǎng)。實驗結(jié)果表明：相比提升式生物反應器在水溶液中提高了19%，添加的雙篩網(wǎng)增加了氣泡與培養(yǎng)液的接觸面積，促進了溶解氧在反應器中的提高，使得生物細胞更好的利用氧[8]。

4.3泡床式攪拌生物反應器

該反應器的創(chuàng)新之處在于，利用了錐形導流筒與攪拌槳配合使用，對于流速的控制，使得氣泡被限制在導流筒中，這樣能夠保證氣泡最大程度的停留在液體中，消除了氣泡脫離培養(yǎng)液時產(chǎn)生的界面張力，另一方面，培養(yǎng)液不斷的與氣泡接觸，增加了培養(yǎng)液中的氧含量[9]。雖然該反應器也采用了機械攪拌，但相比機械攪拌反應器，本反應器中它的作用在與促進流體的循環(huán)，在反應器中不產(chǎn)生漩渦，因此，降低了剪切力。

4.4固定化酶攪拌槳反應器

利用酶作為生物催化劑已經(jīng)得到了廣泛的認可，但是酶本身的一些特性使其大規(guī)模應用受到了限制，尤其是在分離純化。在2005年研究人員對傳統(tǒng)的反應器進行了改進，設(shè)計出了固定化酶攪拌槳反應器。該反應器的特點在于將酶固定之后，將載體制作成圓筒狀，然后以圓筒作為生物反應器的攪拌槳[10]。反應器運行時，一方面攪拌可以對整個反應器中的基質(zhì)進行混合作用，另一方面基質(zhì)進入圓筒形的攪拌器與固定在攪拌器上的酶進行反應。結(jié)果表明：該反應器能夠促進基質(zhì)向酶的擴散，酶的活性相比常規(guī)的方法更高，活性期更長。

5結(jié)語

生物反應器以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應提供適宜環(huán)境的設(shè)備，它是生物反應過程中的關(guān)鍵設(shè)備，在環(huán)境問題處理中具有重大的作用并且具有很大潛力?？梢愿淖兾⑸锘蛎傅姆N類來提高生物反應器的特性，進而運用在環(huán)境問題的解決上。另外，新型生物反應器的開發(fā)和符合反應器的使用也是大勢所趨?，F(xiàn)如今微生物反應器主要運用在污水的處理上，而且比傳統(tǒng)的活性污泥法處理效果好，而且適用于各類污水，所以應該普及污水的生物反應器法。

參考文獻

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[7]王瑋,項海,魏秀珍,等.膜生物反應器的工藝結(jié)構(gòu)及其運行要素分析[J].工業(yè)水處理,2010(9):10-15.

[8]柳清香,張勇.膜生物反應器在污水處理中的應用前景[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2003,29:5-8.

[9]尹娟,洪俊明,盧芳芳.一體式自生動態(tài)膜生物反應器的運行特性[J].化工進展,2010,29:1000-1012.

[10]吳電云,鄒寧,常林.生物反應器的研究進展[J].生命科學儀器,2010,8:58-61.

作者：李燕 呂艷菲 趙紅梅 單位：德州市環(huán)境保護科學研究所有限公司