環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，充分發揮微生物的優勢。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域、優勢等。

關鍵詞：生物反應器；膜生物反應器；污水

1引言

目前人類的快速發展，帶來的不僅是物質生活的提高，更嚴重的是環境問題日益嚴重，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，不斷的發明和創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勢，連接了反應器，最大化的發揮著微生物的催化降解能力。生物反應器的發展不僅對現有污染治理技術有著重要的指導作用，而且還有利于其他生物類行業的發展。

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。活性生物細胞進行反應時，反應器的構型、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境越優越、越穩定，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細胞培養反應器

3.1.1動物細胞培養[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成，在一個反應器中由數千根中空纖維管組成。它可用于培養懸浮生長的細胞以及對壁有依賴性的細胞。

（2）微囊培養系統：

是在無菌的條件下，將活細胞或者生物活性物質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）微載體培養系統：

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

（4）流化床生物反應器：

該反應器的培養液垂直向上循環流動，從而不斷的為培養細胞提供營養成分，滿足了高密度的細胞培養，優化了細胞生長與培養環境的結合。

3.1.2植物細胞培養反應器[3]

（1）機械攪拌生物反應器：

它對于細胞培養時能夠更好的控制培養條件，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，也應對反應器的構型就行改進，以便適合更多種細胞的培養。

（2）填充床生物反應器：

該反應器在培養細胞時，即可使細胞位于支撐物表面，也可放于支撐物之中，培養液流經支撐顆粒，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對氧傳遞、pH、溫度等控制不佳。

（3）批式反應器：

它在培養時是將營養物與菌種一次性加入進行培養，直到最后結束時放出培養的細胞，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）連續培養反應器：

在培養過程中，在反應器中不斷的加入營養物質，利用反應器中的菌體增殖來得到產物。控制好反應條件，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定狀態。

（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相結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，相應污泥產量也就降低了。

3.2.5異于自動控制

膜生物反應器的結構相對簡單、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合的新型生物反應器。近些年來備受關注。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展，在反應器的工藝參數、填料材質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，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、克隆技術以及基因工程的發展而開發出來的新型生物反應器，對大規模的動物細胞培養有著顯著的提高。雖然傳統的機械攪拌反應器在實際應用方面有著成熟的經驗，但在處理有氣泡產生的界面張力以及攪拌產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等人對現有反應器進行了改進創新，提高了溶解氧傳質系數，同時在反應器增加兩個圓筒形篩網。實驗結果表明：相比提升式生物反應器在水溶液中提高了19%，添加的雙篩網增加了氣泡與培養液的接觸面積，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液時產生的界面張力，另一方面，培養液不斷的與氣泡接觸，增加了培養液中的氧含量[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，在反應器中不產生漩渦，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得到了廣泛的認可，但是酶本身的一些特性使其大規模應用受到了限制，尤其是在分離純化。在2005年研究人員對傳統的反應器進行了改進，設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進行混合作用，另一方面基質進入圓筒形的攪拌器與固定在攪拌器上的酶進行反應。結果表明：該反應器能夠促進基質向酶的擴散，酶的活性相比常規的方法更高，活性期更長。

5結語

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境的設備，它是生物反應過程中的關鍵設備，在環境問題處理中具有重大的作用并且具有很大潛力。可以改變微生物或酶的種類來提高生物反應器的特性，進而運用在環境問題的解決上。另外，新型生物反應器的開發和符合反應器的使用也是大勢所趨。現如今微生物反應器主要運用在污水的處理上，而且比傳統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

[1]趙興龍,梁立偉,郝丹.復合生物反應器的研究進展[J].河南化工,2006,23:10-26.

[2]唐江偉,吳振強.新型生物反應器結構研究進展[J].中國生物工程雜志,2007,27(5):146-152.

[3]余坷,茸濱,周增炎,屈計寧.動態膜生物反應器的工藝研究現狀及發展方向[J].凈水技術,2006,25:14-18.

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

[5]何毅,胡永紅,柴本忠,等.新型生物反應器廢水處理組合工藝的研究進展[J].工業水處理,2001(7):4-7.

[6]韓丹,汪永輝,洪飛宇,等.復合式膜生物反應器內的同步硝化反硝化研究[J].凈水技術,2008,27(1):54-57.

[7]王瑋,項海,魏秀珍,等.膜生物反應器的工藝結構及其運行要素分析[J].工業水處理,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].工業安全與環保,2003,29:5-8.

[9]尹娟,洪俊明,盧芳芳.一體式自生動態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：德州市環境保護科學研究所有限公司