生物膜技术在生产生活中的应用

生物膜技术在生产生活中的应用

摘要：生物膜是当前分子生物学、细胞生物学等学科中一个十分活跃的研究领域。关于生物膜的结构，生物膜与能量转换、物质运送、信息传递，以及生物膜与疾病等方面的研究及用合成化学的方法制备简单模拟膜和聚合生物膜等方面不断取得新进展。此外，人们也正在研究将生物膜应用于医疗诊断，海水淡化、污水处理等领域以解决人们在生产生活遇到的现实问题。

Summary：Biofilm is the current molecular biology, cell biology and other disciplines in a very active area of research.On biofilm structure, biofilms and energy conversion, material transport, messaging, and other aspects of biofilms and disease research and prepared using synthetic chemistry and polymer membrane biofilm simple simulation in areas such as new progress. In addition, it is also used in medical diagnostic research will biofilms, desalination, sewage treatment and other areas to address the people in the production of practical problems encountered in life.

关键词：生物膜 生物膜技术 污水处理 海水淡化

Keyword： Biofilm Biofilm technology Wastewater treatment Seawater desalination

生物膜的化学成分主要有脂类、蛋白质和糖类，此外还含水、无机盐和少量的金属离子。膜中脂类和蛋白质构成了膜的主体。被描述成镶嵌有蛋白质和糖类（统称糖蛋白）的磷脂双分子层，起着划分和分隔细胞和细胞器作用。生物膜也是与许多能量转化和细胞内通讯有关的重要部位，同时，生物膜上还有大量的酶结合位点。不同的生物膜有不同的功能。构成生物膜的磷脂双分子层，一端是亲水端，一端是疏水端。细胞膜的作用是把细胞内容物和细胞的周围环境分割开来。它使细胞能够既独立于环境而存在，又能通过生物膜与周围环境进行有选择的物质交换而维持生命活动。细胞要维持正常的生命活动，不仅细胞的内容物不能流失，且其化学组成必须保持相对稳定，这就需要在细胞和它的环境之间有某种特殊的屏障存在。因此生物膜是一个具有特殊结构和功能的选择性通透膜，它的主要功能可归纳为：能量转换、物质运送、信息识别与传递。

一、生物膜在污水处理中的应用

生物膜法是土壤自净和河床净化过程的人工模拟和强化。生物膜通常为微生物、原生动物、后生动物集群生长、繁育的膜状生物性污泥。与活性污泥法相比,耐冲击负荷、耐毒性、耐泡沫影响且无污泥膨胀问题,是生物膜法的普遍性优点。

1、多功能人工水草生物膜处理黑臭河水研究

随着工业的发展，工业超标排污造成大量的生活用水被污染，河道黑臭。因此，处理污水成为人们急需解决的问题，城市河道黑臭主要是过量纳污导致水体供氧和耗氧失衡的结果，水体缺氧乃至厌氧条件下污染物转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等臭恶臭物质以及铁、锰硫化物等黑色物质[1]。近年来，微生物被广泛用于黑臭河道的治理，通过选育和培养高效的微生物菌剂，能有效降解

COD、N 和P，消除黑臭，提高溶解氧水平[2-3]。但对于成分复杂的废水，单一功能的微生物难于治理多种污染物[4]。以人工水草作为生物膜载体， 结合光合细菌球形红细菌、枯草杆菌和氧化硫硫杆菌组合构建多功能人工水草生物膜系统，多功能人工水草生物膜对工业河黑臭河水具有较好的净化效果，系统克服了单一功能微生物难于处理多种污染物的缺陷，能有效地处理成分复杂的黑臭河水。

2、还原水解－生物膜工艺处理印染废水中试研究。

研究人员提出 “还原水解－生物膜”处理工艺[5]，效果稳定、各处理单元布置合理，能够适应在各种生产阶段变化情况下的该厂废水的处理，处理后出水能达到并低于纺织染整工业水污染物排放的一级标准[6]，显示了联合工艺优良的适应性。利用生物膜法处理剩余污泥产量少，处理效率高，具有很好的推广应用价值。

3、两级移动床生物膜工艺处理洗浴废水并回用

采用了两级移动床生物膜工艺处理洗浴废水并回用于冲厕[7]。该工艺具有运行效果稳定、剩余污泥量小、自动化程度高、维护管理简便、运 行费用低等特点, 并采用自主研发的曝气系统, 既能满足曝气要求又不会产生洗浴废水起泡问题。 此工程采用两级移动床生物膜反应器工艺洗浴废水的显著特点是污染程度较轻, 所含有机污染物主要为人体分泌物、洗涤剂等,该工艺的核心处理单元为两级移动床生物膜反应器即生物移动床该反应器模拟了大自然生态系统中水体的自净功能。经过一年多的水质定期检测结果表明, 该工艺处理效果良好。系统出水水质满足城市污水再生利用城市杂用水水质标准。采用该工艺处理洗浴废水, 具有较强的耐冲击负荷能力, 二级生物膜处理系统对稳定出水水质起决定性作用, 出水各项指标优于回用标准, 并且处理过程中无需投加药剂, 采用紫外线消毒, 具有更高的环保性。采用生物膜工艺处理废水, 剩余污泥量少, 无需进行污泥回流, 维护管理简单。具有很高的推广价值。

二、生物膜在海水淡化中的应用

随着全球性淡水供求矛盾的日趋紧张和人口的暴增, 要求海水淡化技术应进一步完善。海水淡化技术中膜法有电渗析、反渗透。反渗透膜海水淡化技术[8]在我国已经被广泛应用。

大连石化公司采用反渗透膜法海水淡化工艺为生产装置提供淡水资源, 其用水取自炼化装置冷却换热后的海水, 不额外增加海水的取用量, 降低了成本。该工艺的流程装置节能、节水, 其产品水质量达到甚至超过了中压锅炉补给水的要求。大连石化公司通过膜法海水淡化工艺的应用和实践, 不仅解决了自身发展用水的制约问题, 同时在国内工业水处理技术领域起到了领先和示范作用, 在合理利用自然资源、节约淡水以及保护环境方面取得了良好的社会效益。

三、有机废气的生物膜处理技术

化工厂和石油化工厂在生产过程中排放各种有机废气, 其中含有醋、醇、醚、酚、睛、酸、芳烃及杂环化合物等有机污染物, 对人体及环境危害很大。常规的

有机废气处理技术主要包括吸收法、吸附法和燃烧法, 虽然这些方法有不少优点, 但也存在某些不足。吸收法和吸附法一般都需要对吸收剂和吸附剂进行再生, 这既增加工艺的复杂性和设备的投资额, 还使运行操作变得复杂。燃烧法由于废气燃烧不完全而会产生有害的燃烧产物, 若燃烧温度过高, 则会产生污染, 另外, 燃烧设备运转时还存在一定的安全隐患。与有机废气的传统处理方法相比, 生物处理法[9]的主要伏点是工艺设备简单、管理维护方便、能耗少、运行费用低, 且去除效率也比较高。生物膜法是微生物在填料表面固定附着生长的生物处理法, 有机废气中的污染物和空气中的氧通过相间传质为微生物膜所吸附, 并发生生物氧化反应, 使有机废气得到净化。生物膜法具有以下优点：生物相多样化, 除好氧菌外还存在厌氧菌,生物膜具有较低的含水率, 单位体积内的生物量较大, 因此生物膜反应器具有较大的处理能力,工艺过程比较稳定, 动力消耗较少。由于具有以上这些优点, 生物法生物膜法在有机废气处理中的应用受到了特别的关注。

四、生物膜在血液透析中的应用

血液透析[10]是一种溶质通过半透膜与另一种溶质交换的过程。半透膜是一张布满许多小孔的薄膜，膜的孔隙大小在一定范围内，使得膜的两侧溶液中的水分子和小分子的溶质可通过膜孔进行交换，但大分子溶质(蛋白质)不能通过。根据膜平衡原理，半透膜两侧液体各自所含溶质浓度的梯度差及其他溶质所形成的不同渗透浓度，可使溶质从浓度高的一侧向浓度低的一侧移动(弥散作用)，而水分子则从渗透浓度低的一侧向浓度高的一侧渗透(渗透作用)，最终达到动态平衡。当血液进入透析器时，其代谢产物如尿素、肌酐、胍类、中分子物质、过多的电解质便可通过透析膜弥散到透析液中，而透析液中的碳酸氢根、葡萄糖、电解质等机体所需物质则被补充到血液中，从而达到清除体内代谢废物、纠正水电解质紊乱和酸碱失衡的目的。目前常用的透析器主要有4种透析膜：再生纤维素膜、醋酸纤维素膜、替代纤维素膜和合成膜。血液透析膜发展至今已有了长足的进步，但目前的肾替代治疗[11]仍不完全的，研究人员正在研制新的透析膜体系，使其性能接近或达到生物膜的水平是人们关注的热点，理想的生物相容性膜应与人体的血管内皮极为相近，随着高分子材料技术的不断发展，与人类血管内皮较接近的透析膜不久的将来肯定会出现，那将大大提高患者的生活质量，并发症减少，病死率下降。

总结：生物膜法具有较高的处理效率，工艺简单。他的优越性己从各研究及应用实例中充分表现出来。它是一种应用于市政污水处理厂前景广阔、值得广泛推广的高效节能的废水处理技术，也是用于海水淡化，血液透析等领域值得研究和开发的技术。生物膜技术也越来越被人们重视，将生物膜技术应用到各个领域已经成为了科研人员研究的趋势。值得相信，在未来的发展中，生物膜技术将被更广泛的应用，在生产生活中发挥更重要的决定。

参考文献：

[1] 钱嫦萍,王东启,陈振楼,等.生物修复技术在黑臭河道治理中的应用[J].水处理

技术,2009,4(35):13-17.

[2] 高丹英,杨娇艳,王文玲,等.黑臭水净化菌株的筛选及其水质改善能力[J].环境

科学研究,2010,3(23):350-354.

[3] 张逸飞,钟文辉,王国祥.微生物在污染环境生物修复中的应用[J].

[4] 饶应福,夏四清,姜剑.固定化微生物技术在环境治理中的应用[J].能源环境保

护,2005,2(19):24-26.

[5] 张自杰. 废水处理理论与设计[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2002.

[6] GB 4287-92. 纺织染整工业水污染物排放标准[S].

[7] 沈耀良, 王宝贞. 废水生物处理新技术 理论与应用[M ] . 北京: 中国环境

科学出版社, 2006.

[8] 卢彦越. 反渗透海水淡化系统优化设计的研究[ D] . 中国海洋大学. 2004

[9] 李家瑞.工业全业环境保护.北京:冶金工业出版社,1992.528-552

[10] 王质刚.血液净化学，第2版.北京:北京科学技术出版社，2003，513-520.

[11] 谢飞，王汉民.不同透析膜对维持性血液透析患者肾性骨病相关因素的影响

中国血液净化，2005，4(1):10-13.

化学系 094班

王琼

15号

生物膜技术在生产生活中的应用

化学系 094班

王琼 15号