环境工程中生物反应器研究

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摘要：生物反应器是以微生物的降解作用为基础的污染控制装置，主要依靠的是微生物对污染物的催化作用，然后借助反应器装置为载体，充分发挥微生物的优势。本文介绍了生物反应器的分类，工作原理和特点，指出生物反应器的特征和基本功能。此外，对常见的生物反应器的特征和用途进行介绍，并指出生物反应的应用领域、优势等。

关键词：生物反应器；膜生物反应器；污水

1引言

目前人类的快速发展，带来的不仅是物质生活的提高，更严重的是环境问题日益严重，人口膨胀、资源锐减、淡水缺乏等一系列的问题摆在人类的面见亟待解决。微生物是自然界中最主要的分解者，人类利用这一点，不断的发明和创造着污染物的处理方法。生物反应器就是其中的一类，它利用了微生物自身的优势，连接了反应器，最大化的发挥着微生物的催化降解能力。生物反应器的发展不仅对现有污染治理技术有着重要的指导作用，而且还有利于其他生物类行业的发展。

2生物反应器

生物反应器是利用具有活性的细胞或其分泌的酶来进行生化反应的装置，是生物进行催化反应的重要装置。活性生物细胞进行反应时，反应器的构型、运行方式、提供的反应条件对于生化反应的效率有着重要的影响。生物反应器是对生物活性细胞进行催化反应的一种放大，它为生物体提供的环境越优越、越稳定，生物反应进行的也就越彻底、越充分，进而在各个方面的应用也就更能体现生物催化作用的重要性[1]。

3生物反应器分类

3.1细胞培养反应器

3.1.1动物细胞培养[2]

（1）中空纤维管生物反应器：

它是由聚矾或丙烯的聚合我构成，在一个反应器中由数千根中空纤维管组成。它可用于培养悬浮生长的细胞以及对壁有依赖性的细胞。

（2）微囊培养系统：

是在无菌的条件下，将活细胞或者生物活性物质放入海藻酸钠溶液中，且悬浮在里面形成小滴，然后滴入到氯化钙溶液中，最终形成了含有活性细胞的凝胶小珠。

（3）微载体培养系统：

是将细胞吸附于微载体表面，然后在搅拌系统中对培养液进行悬浮培养，最终形成单层的细胞体系。该方法主要用于大规模的培养贴壁依赖型细胞。

（4）流化床生物反应器：

该反应器的培养液垂直向上循环流动，从而不断的为培养细胞提供营养成分，满足了高密度的细胞培养，优化了细胞生长与培养环境的结合。

3.1.2植物细胞培养反应器[3]

（1）机械搅拌生物反应器：

它对于细胞培养时能够更好的控制培养条件，但是其机械搅拌力会对细胞造成一点的损害，因此在利用机械搅拌器时需筛选出抗剪切力的细胞，此外，也应对反应器的构型就行改进，以便适合更多种细胞的培养。

（2）填充床生物反应器：

该反应器在培养细胞时，即可使细胞位于支撑物表面，也可放于支撑物之中，培养液流经支撑颗粒，可以不断的被细胞利用，可以固定大量的细胞、但是其缺点是反应器内对氧传递、pH、温度等控制不佳。

（3）批式反应器：

它在培养时是将营养物与菌种一次性加入进行培养，直到最后结束时放出培养的细胞，在中间进行的过程中只有空气和尾气的排出，没有其它的物料交换。

（4）连续培养反应器：

在培养过程中，在反应器中不断的加入营养物质，利用反应器中的菌体增殖来得到产物。控制好反应条件，该反应器中菌体采出与菌体增殖的速度相同，进而可以保持良好的稳定状态。

（5）酶反应器：

该反应器以酶或固定化酶为催化剂进行酶促反应来进行细胞的增殖。最佳的酶反应器称为活塞流反应器或平推流反应器。

3.2膜生物反应器MBR

膜生物反应器是将生物反应器与膜分离技术相结合的一种新型的污染控制工艺，其主要的特点是利用了膜组件代替了传统生物处理过程中的二沉池[4]。MBR的特点主要有如下。

3.2.1出水水质效果好

在膜生物反应器中，可溶性的大分子化合物能够被膜截留，同时可以连同污水一起返回到生物反应器中进行充分的反应，使得微生物对污染物彻底的分解、利用。较长的停留时间有利于硝化细菌在生物反应器中积累，促进了硝化的效果。此外，出水时微生物也被膜所截留。因此，保证了膜生物反应器的出水效果。

3.2.2工艺参数易于控制

在膜生物反应器中，利用膜组件代替了二沉池，使得反应器具有较短的HRT和SRT，此外，膜组件的截留作用，也降低了污泥膨胀的可能性。

3.2.3耐冲击负荷

膜生物反应器中微生物的浓度相比其它生物反应器要高，而且装置的容积负荷大。反应器运行时有机物的浓度变化增加时，有机负荷也不会大幅变化。

3.2.4污泥产生量少

膜生物反应器中污泥浓度相比其它活性污泥法工艺更高，因此反应器运行时污泥负荷的FM值较低，相应污泥产量也就降低了。

3.2.5异于自动控制

膜生物反应器的结构相对简单、运行方便且灵活，在整个反应过程中易于操作，也容易实现自动化的运行方式。

3.2.6存在的缺点[5]

虽然膜生物反应器在运行上、处理效果上都有着很大的改进和突破，但是其也存在着一些缺点。膜组件在整个反应器中是非常重要的，但是其易于污染，需要定期进行冲洗，严重时需要更换膜组件，而且膜组件的造价也是该工艺造价组成的重要部分，而且其出水方式是需要外加动力来实现的，相应的提高了反应器运行的成本。

3.3复合生物反应器

复合生物膜法是以生物膜法与其它污水处理工艺相结合的新型生物反应器。近些年来备受关注。该反应器的特点是在活性污泥曝气池中加入填料作为微生物的载体，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜。反应器中添加的微生物生长载体，有利于微生物的生长，提高了反应器中的污泥浓度以运行的稳定性，是提高微生物降解能力的有效方法[6]。目前，在复合生物反应器中以活性污泥生物膜反应器应用最为广泛。而在生物膜法工艺中，反应器中所使用的填料最为重要，它的选择直接影响到污染物的处理效果，随着复合生物反应器的不断发展，在反应器的工艺参数、填料材质等问题上以有了众多的突破，一系列的反应器类型也相继出现，有序批式生物膜反应器、升流式厌氧污泥床等。

4新型生物反应器

4.1提升桨生物反应器

借助于杂交瘤细胞、克隆技术以及基因工程的发展而开发出来的新型生物反应器，对大规模的动物细胞培养有着显著的提高。虽然传统的机械搅拌反应器在实际应用方面有着成熟的经验，但在处理有气泡产生的界面张力以及搅拌产生的漩涡有着很大的进步[7]。

4.2双圆筒筛搅拌式生物反应器

生物反应器的不断改进都是为了更佳的培育生物细胞。Shi等人对现有反应器进行了改进创新，提高了溶解氧传质系数，同时在反应器增加两个圆筒形筛网。实验结果表明：相比提升式生物反应器在水溶液中提高了19%，添加的双筛网增加了气泡与培养液的接触面积，促进了溶解氧在反应器中的提高，使得生物细胞更好的利用氧[8]。

4.3泡床式搅拌生物反应器

该反应器的创新之处在于，利用了锥形导流筒与搅拌桨配合使用，对于流速的控制，使得气泡被限制在导流筒中，这样能够保证气泡最大程度的停留在液体中，消除了气泡脱离培养液时产生的界面张力，另一方面，培养液不断的与气泡接触，增加了培养液中的氧含量[9]。虽然该反应器也采用了机械搅拌，但相比机械搅拌反应器，本反应器中它的作用在与促进流体的循环，在反应器中不产生漩涡，因此，降低了剪切力。

4.4固定化酶搅拌桨反应器

利用酶作为生物催化剂已经得到了广泛的认可，但是酶本身的一些特性使其大规模应用受到了限制，尤其是在分离纯化。在2005年研究人员对传统的反应器进行了改进，设计出了固定化酶搅拌桨反应器。该反应器的特点在于将酶固定之后，将载体制作成圆筒状，然后以圆筒作为生物反应器的搅拌桨[10]。反应器运行时，一方面搅拌可以对整个反应器中的基质进行混合作用，另一方面基质进入圆筒形的搅拌器与固定在搅拌器上的酶进行反应。结果表明：该反应器能够促进基质向酶的扩散，酶的活性相比常规的方法更高，活性期更长。

5结语

生物反应器以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备，在环境问题处理中具有重大的作用并且具有很大潜力。可以改变微生物或酶的种类来提高生物反应器的特性，进而运用在环境问题的解决上。另外，新型生物反应器的开发和符合反应器的使用也是大势所趋。现如今微生物反应器主要运用在污水的处理上，而且比传统的活性污泥法处理效果好，而且适用于各类污水，所以应该普及污水的生物反应器法。

参考文献

[1]赵兴龙,梁立伟,郝丹.复合生物反应器的研究进展[J].河南化工,2006,23:10-26.

[2]唐江伟,吴振强.新型生物反应器结构研究进展[J].中国生物工程杂志,2007,27(5):146-152.

[3]余坷,茸滨,周增炎,屈计宁.动态膜生物反应器的工艺研究现状及发展方向[J].净水技术,2006,25:14-18.

[4]王玮,项海,魏秀珍,等.膜生物反应器的工艺结构及其运行要素分析[J].工业水处理,2010(9):10-15.

[5]何毅,胡永红,柴本忠,等.新型生物反应器废水处理组合工艺的研究进展[J].工业水处理,2001(7):4-7.

[6]韩丹,汪永辉,洪飞宇,等.复合式膜生物反应器内的同步硝化反硝化研究[J].净水技术,2008,27(1):54-57.

[7]王玮,项海,魏秀珍,等.膜生物反应器的工艺结构及其运行要素分析[J].工业水处理,2010(9):10-15.

[8]柳清香,张勇.膜生物反应器在污水处理中的应用前景[J].工业安全与环保,2003,29:5-8.

[9]尹娟,洪俊明,卢芳芳.一体式自生动态膜生物反应器的运行特性[J].化工进展,2010,29:1000-1012.

[10]吴电云,邹宁,常林.生物反应器的研究进展[J].生命科学仪器,2010,8:58-61.

作者：李燕 吕艳菲 赵红梅 单位：德州市环境保护科学研究所有限公司