摘要：本文將對生物膜技術做簡單介紹，然后在結(jié)合我國城市水污染現(xiàn)狀的基礎上對生物膜技術在我國城市污水治理工作中的應用前景進行分析與評價。

關鍵詞：生物膜 城市污水治理 前景分析

引言

由于我國日益巨增的城市污水排放量和污水處理技術工藝的限制，大量的城市生活污水未能實現(xiàn)達標排放，水環(huán)境的形勢相當嚴峻。而目前采用的活性污泥法有著諸多弊端，因此許多研究者都在尋找一種經(jīng)濟有效的污水處理技術以適應我國的污水處理要求。生物摸技術就是諸多研究成果中的一種。

1. 生物膜技術簡介

1.1?? 生物膜的定義

生物膜主要由多種多樣生物細胞黏附在生物濾池上或黏附在生物轉(zhuǎn)盤盤片上的一層帶粘性、薄膜狀的生物混合群體[1]。

生物膜一般可分為兩種，即靜止生物膜和顆粒狀生物膜。靜止生物膜一般存在于滴濾池中；顆粒狀生物膜通常應用于各種流化床生物膜反應器、升流式厭氧污泥床和氣提式懸浮生物膜反應器。生物膜反應器的典型尺寸比較大，通常為0.5~3mm，空隙率較小。

1.2?? 生物膜的結(jié)構(gòu)及其原理

生物膜內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)不是種群的一種簡單組合，而是按照系統(tǒng)的生理功能以及特定環(huán)境條件下的最優(yōu)化原則組合構(gòu)成的。從結(jié)構(gòu)上分析，生物膜有好氧生物膜層和厭氧生物膜層組成；從功能上考慮，生物膜可劃分為底物利用區(qū)、微生物饑餓區(qū)兩部分。生物膜的宏觀結(jié)構(gòu)是生物膜增長和水力剪切做用的結(jié)果。生物膜的結(jié)構(gòu)與活性取決于生物膜種群特征、底物濃度以及底物特性、污水流量、分子在膜中擴散系數(shù)、反應器水利條件、生物膜對底物的利用效率、生物膜的增長效率以及其他各種物理化學因素。

生物膜對廢水的凈化作用如圖所示，大致可分為生物膜層和廢水層。附著在濾料表面的為生物膜層，在其內(nèi)層為厭氧層，較外層為好氧層，附著水層緊靠生物膜好氧層，而流動水層表面也與空氣接觸。附著水中的有機物大多會被生物膜氧化，使有機物濃度降低。同時空氣中的氧隨廢水流經(jīng)生物膜被微生物利用，有機物氧化生成的二氧化碳等透過附著水，進入流動水流并隨空氣流出。

1.3 生物膜的形成

1.3.1 有機物分子從水中向生物膜載體表面運送，其中某些被載體吸附形成被生物膜改良的載體表面。

1.3.2 水中一些浮游的微生物細胞被傳送到改良的載體表面，其中碰到載體表面的細胞被吸附。經(jīng)過一段時間后，一部分細胞因水力剪切或其他物理、化學和生物作用又解吸出來，另一部分被表面吸附變成不可解吸的細胞。

1.3.3 不可解吸的細胞攝取并消耗水中的底物與營養(yǎng)物質(zhì)，數(shù)目不斷增多；與此同時，細胞可能產(chǎn)生大量產(chǎn)物，其中大部分排出體外。這些產(chǎn)物中有一些是胞外多聚物，可以將生物膜緊緊的結(jié)合在一起。

1.3.4 進入水中或者細胞在繁殖時亦可向水中釋放出游離的細胞。

1.4 生物膜反應器

從廣義上說，凡是在污水生物處理的各種工藝中引入微生物附著生長載體（或稱之為濾料、填料等）的反應器，都將其定義為生物膜反應器，包括以生物膜為主體的生物膜反應器，以及引入生物膜的復合式生物膜反應器。

生物膜反應器是污水生物處理的主要技術之一，它與活性污泥法并列，既是古老的、又是發(fā)展中的污水生物處理技術。自20世紀60年代以來，生物濾池一直是生物膜反應器的主要形式。由于20世紀60年代新型無機合成材料的大量生產(chǎn)，廣泛使用的有聚乙烯、聚苯乙烯等制成的波紋板狀、列管狀和蜂窩狀有機人工合成材料，其表面積和空隙濾大大增加。再加上環(huán)境保護對水質(zhì)的進一步提高，生物膜反應器獲得了新的發(fā)展。除了生物濾池外，各種各樣的新型生物膜反應器不斷涌現(xiàn)出來。目前常見的有生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化池、塔式生物濾池等[2]。

2. 我國城市水污染及其治理現(xiàn)狀

2.1 污水排放

我國現(xiàn)有城市661個，其中百萬人口以上的特大城市有49個[3]。城市作為經(jīng)濟和生活中心，污水排放量大，加之我國城市污水的處理水平普遍不高，城市水環(huán)境面臨的形勢十分嚴峻，流經(jīng)城市的河段近90%受到污染，城市內(nèi)湖水質(zhì)較差。城市水體主要污染因子為化學需氧量、總磷和總氮。

1993-2004年，生活污水排放量呈增長態(tài)勢，生活污水排放量年均增長7.7%，生活污水自1999年起已超過工業(yè)廢水排放量成為城市水污染的首要來源。1993-2000年工業(yè)廢水排放總體呈下降趨勢，2000年以來呈緩慢增長態(tài)勢。1999-2004年，來自生活污水的主要污染物COD排放量呈增長趨勢，年均增長3.1%，生活COD排放量現(xiàn)已超過工業(yè)源COD的排放量。工業(yè)企業(yè)廢水排放達標率總體呈上升態(tài)勢，近年來基本保持穩(wěn)定。1999—2004年5年間，原47個環(huán)保重點城市的工業(yè)廢水排放達標率從83.6%提高到91.5%，水域功能區(qū)達標率從89.49%提高到93.95%，生活污水處理率從24.7%提高到53.6%，5年提高了28.9個百分點[4]。2004年，全國城市污水排放總量為355億噸，其中工業(yè)廢水排放量為221.1億噸，生活污水排放量為261.3億噸?；瘜W需氧量排放量為1339.2萬噸，其中工業(yè)排放量為509.7萬噸，生活排放量為829.5萬噸；氨氮排放量為133.0萬噸，其中工業(yè)排放量為42.2萬噸，生活排放量為90.8萬噸[5]。2004年上海全年廢水排放總量為18.22億噸，其中，生活污水排放量為12.11億噸，工業(yè)廢水排放量為6.11億噸，工業(yè)廢水達標排放率為94.94%[6]。

2.2 污水處理現(xiàn)狀

近年來，城市污水處理事業(yè)發(fā)展迅速，在水污染治理中發(fā)揮了越來越重要的作用。到2004年底，全國661個城市建有污水處理廠708座，處理能力為4912萬立方米/日，是2000年的兩倍多。全年城市污水處理量162.8億立方米，比2000年增加了43%，城市污水處理率達到45.7%。但是，各地發(fā)展很不平衡，截至2005年6月底，全國31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）中還有297個城市沒有建成污水處理廠。其中，地級以上城市63個，包括人口50萬以上的大城市8個。位于重點流域、區(qū)域“十五”規(guī)劃范圍內(nèi)的城市54個。

總體看，東部地區(qū)污水處理廠建設情況較好，東北和西部地區(qū)建設相對緩慢。2004年，吉林省城市污水處理率為23.6%，全省28個設市城市中有22個城市沒有建成污水處理廠；貴州省城市污水處理率為12%，全省13個城市中有9個城市沒有建成污水處理廠。一些重點流域、區(qū)域城市的污水處理工程未能按“十五”計劃建成。如：根據(jù)三峽庫區(qū)及其上游地區(qū)水污染防治“十五”計劃要求，四川省的23個城市在“十五”期間要建成污水處理廠，但截至2005年6月底，該省還有11個城市沒有按計劃建成；根據(jù)海河流域水污染防治“十五”計劃要求，河北省的24個城市在“十五”期間要建成污水處理廠，但截至2005年6月底，該省還有16個城市沒有按計劃建成污水處理廠。

到2004年底，全國城市污水處理廠運行負荷率平均為65%，比2001年提高了5個百分點。但是，一部分建成的污水處理廠沒有充分發(fā)揮效益。截至2005年6月底，全國364個建有污水處理廠的城市中，仍有38個城市的污水處理廠運行負荷率低于30%（包括17個已建污水處理廠未投入運行的城市）。其中，地級以上城市17個，包括2個人口50萬以上的大城市。位于重點流域、區(qū)域“十五”規(guī)劃范圍內(nèi)的城市有6個。

截至2005年6月底，全國有475個城市實行了污水處理收費制度，還有186個城市沒有開征污水處理費。沒有開征污水處理費的城市中，地級以上城市28個，其中50萬以上人口的大城市2個，位于重點流域、區(qū)域“十五”規(guī)劃范圍內(nèi)的城市22個。有的省城市污水處理收費開征率較低，如黑龍江省的31個城市中有21個城市，廣西壯族自治區(qū)的21個城市中有15個城市，尚沒有開征污水處理費[7]。

目前我國普遍采用的污水處理技術是活性污泥法，通用的活性污泥法主要包括A/O法、氧化溝法、SBR法等幾種模式，但存在成本高、處理不徹底和容易造成對環(huán)境二次污染問題，既不經(jīng)濟，處理效果也不理想[8]。

2.3 政策與規(guī)劃

我國的基本政策是可持續(xù)發(fā)展。政府對環(huán)境保護工作投入了大量的精力，在我國宏偉的發(fā)展計劃中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。

“九五”期間，黨中央、國務院高度重視環(huán)境保護，把環(huán)境保護作為影響經(jīng)濟和社會發(fā)展全局的重大問題之一，每年召開會議，聽取環(huán)境保護工作匯報，提出環(huán)境保護的大政方針和明確要求。全國實行污染防治與生態(tài)保護并重方針，實施《“九五”期間全國主要污染物排放總量控制計劃》和《中國跨世紀綠色工程規(guī)劃》兩大舉措，全面推進工業(yè)污染企業(yè)排放達標和重點城市環(huán)境質(zhì)量達標，重點治理“三河、三湖、兩區(qū)、一市、一海”的污染，依靠科技進步，積極參與國際合作，結(jié)合國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和加強城市環(huán)?；A設施建設，基本完成了“九五”計劃確定的主要任務。期間，國家修訂了《大氣污染防治法》、《水污染防治法》、《海洋環(huán)境保護法》，制定了《噪聲污染環(huán)境防治法》、《水污染防治法實施細則》、《建設項目環(huán)境保護管理條例》等環(huán)境保護法規(guī)。修改后的《刑法》增加了“破壞環(huán)境資源保護罪”、“環(huán)境保護監(jiān)督瀆職罪”的規(guī)定。迄今為止，國家共頒布了6部環(huán)境保護法律、10部相關資源法律和30多件環(huán)境保護法規(guī)，發(fā)布了90余件環(huán)境保護規(guī)章，制定了427項國家環(huán)境保護標準，地方性環(huán)境保護法規(guī)達1020件。環(huán)境執(zhí)法不斷加強。各級人大和政協(xié)分別對各級人民政府環(huán)境執(zhí)法進行了監(jiān)督檢查和視察，國家環(huán)?？偩趾捅O(jiān)察部連續(xù)四年對各地貫徹《國務院關于環(huán)境保護若干問題的決定》情況進行監(jiān)察和檢查。在全國范圍內(nèi)開展了關?！笆逍　?、 “一控雙達標”等執(zhí)法行動，司法機關依照《刑法》打擊環(huán)境犯罪活動,推動了環(huán)保工作法治化進程[9]。

“十五”計劃以江澤民同志“三個代表”重要思想為指導，以可持續(xù)發(fā)展為主題，以控制污染物排放總量為主線，以防治“三河三湖兩區(qū)一市一海”等重點區(qū)域的環(huán)境污染和遏制人為生態(tài)破壞為重點，以強化執(zhí)法監(jiān)督和提高環(huán)境管理能力為保障，以改善環(huán)境質(zhì)量和保護人民群眾健康為根本出發(fā)點，堅持政府調(diào)控與市場機制相結(jié)合，通過體制創(chuàng)新和政策創(chuàng)新，建立政府主導、市場推進、公眾參與的環(huán)境保護新機制，全面推動經(jīng)濟、社會、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。其總體目標是到2005年，環(huán)境污染狀況有所減輕，生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到初步遏制，城鄉(xiāng)環(huán)境質(zhì)量特別是大中城市和重點地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量得到改善，健全適應社會主義市場經(jīng)濟體制的環(huán)境保護法律、政策和管理體系。具體指出60%地級以上城市地表水環(huán)境質(zhì)量按功能區(qū)劃達標、城市生活污水集中處理率達到45%[10]。

隨著2005年的即將結(jié)束，我國將全面實行“十一五”計劃?！笆晃濉币?guī)劃的指導思想：要以鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，全面落實科學發(fā)展觀。堅持發(fā)展是硬道理，堅持抓好發(fā)展這個黨執(zhí)政興國的第一要務，堅持以經(jīng)濟建設為中心，堅持用發(fā)展和改革的辦法解決前進中的問題。發(fā)展必須是科學發(fā)展，要堅持以人為本，轉(zhuǎn)變發(fā)展觀念，創(chuàng)新發(fā)展模式，提高發(fā)展質(zhì)量，落實“五個統(tǒng)籌”，切實把經(jīng)濟社會發(fā)展轉(zhuǎn)入全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的軌道。計劃特別指出：保持經(jīng)濟平穩(wěn)較快發(fā)展，是要始終把握好的重大原則?？茖W發(fā)展觀的實質(zhì)，是實現(xiàn)又快又好地發(fā)展。解決我國一切問題的關鍵在于發(fā)展。要滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需求，緩解就業(yè)的巨大壓力和處理好各種社會矛盾，沒有經(jīng)濟持續(xù)較快的發(fā)展是做不到的。我們必須充分利用各種有利條件努力促進發(fā)展。同時，發(fā)展必須是科學的發(fā)展，注重提高經(jīng)濟增長的質(zhì)量和效益，注重資源的節(jié)約和環(huán)境保護。如果忽視增長質(zhì)量和效益，不惜浪費資源和破壞環(huán)境，片面追求一時的高速度，盲目擴大固定資產(chǎn)投資規(guī)模，這種經(jīng)濟發(fā)展是不能持續(xù)的，勢必會造成大的起落。我們要正確把握經(jīng)濟發(fā)展趨勢的變化，及時采取有力措施，妥善解決可能妨礙經(jīng)濟平穩(wěn)較快發(fā)展的各種問題。大力轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，是要切實抓好的關鍵問題。長期以來，我國經(jīng)濟發(fā)展過多地依靠擴大投資規(guī)模和增加物質(zhì)投入，這種粗放型經(jīng)濟增長方式，與資源、環(huán)境的矛盾越來越尖銳，已經(jīng)不能再繼續(xù)下去了。必須從根本上轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，對此要有強烈的緊迫感。要從推動科技進步、深化體制改革、加強科學管理等方面采取更加有力的措施，著力提高資源利用效率、降低物質(zhì)消耗、保護生態(tài)環(huán)境，堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[11]。

3. 前景分析與評價

根據(jù)我國污水排放、治理的現(xiàn)狀及政府制定的政策法規(guī)，隨著政府對環(huán)境保護工作力度的加大與日益嚴格的環(huán)境質(zhì)量標準，我國必須建設大量的污水處理廠，但是以我國的實際情況，建設資金遠不能滿足這方面的需求。解決資金的途徑，一條是拓寬資金來源；另一條是采用新的技術降低工程造價節(jié)約資金。

專家介紹，與傳統(tǒng)的活性淤泥法相比，生物膜技術應用于城市污水處理具有五大技術優(yōu)勢：一是投資省。目前國內(nèi)的城市污水處理廠基礎建設投資大，需要大量的機械設備、管網(wǎng)和其他工程設施，投資成本每噸污水處理在1000元左右；而應用生物膜技術投資設備少，占地小，處理每噸污水不到500元，相比節(jié)約成本50%以上。二是運行費用低。據(jù)測算，目前國內(nèi)城市污水處理廠的直接運行成本，一般在每天處理每噸污水0.5元至0.8元之間；而應用生物膜技術處理污水每天每噸只需0.2元左右。三是淤泥少，沒有“二次污染”。采用傳統(tǒng)的活性淤泥法處理城市污水，常由于大量淤泥的堆放造成對環(huán)境的“二次污染”；而相同條件下制成生物膜的微生物菌一旦把污水凈化后，便會由于缺乏“營養(yǎng)”而自動消亡，不會造成“二次污染”。四是效率高。生物膜表面積大，微生物菌密度高，每克制劑的微生物菌含量達50億-200億個，大大高于淤泥中的自然微生物活性成份，同時還可以多次投放，方便快捷，處理效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的活性淤泥法。采用生物膜技術，不僅能夠有效治理湖泊的富營養(yǎng)化，而且有助于修復和強化湖泊生態(tài)功能，提高水體自凈能力。五是適合城市生活小區(qū)等小規(guī)模、有機負荷不高的污水處理。應用生物膜技術投資省，運行費用低，并可節(jié)省管網(wǎng)建設成本，處理城市生活小區(qū)等城市污水具有活性淤泥法不可比擬的優(yōu)勢。

現(xiàn)將生物膜法與活性污泥法的兩類代表工藝比較列于表2。表2說明膜法的負荷均遠高于活性污泥法，因而工程總造價也要低很多，TF/SC工藝研究專題依托工程的經(jīng)濟分析說明TF/SC工藝的總造價比標準活性污泥法低20%。另外近年來我國所設計的兩個10×104m3/d規(guī)模的市政污水處理廠均采用TF/SC工藝，其處理1.0 m3污水的工程造價一項為900元，另一項為1 015元(工程包括污泥消化與污泥處理)。由于這項工程利用了有利地形，其電耗分別為0.1 kW·h/m3水和0.05 kW·h/m3水(完全自流無須提升)。一般傳統(tǒng)活性污泥法的工程總造價為1 200～1500元/m3水，運行電耗超過0.2 kW·h/m3水。上述兩生物膜法工藝顯然是可以較大幅度降低工程造價的新技術，因而也正是城市污水處理所需要的技術[8]。

表2. 膜法與傳統(tǒng)活性污泥法比較

綜上所述，根據(jù)引述的我國“九五”、“十五”、“十一五”計劃可以發(fā)現(xiàn)，政府對環(huán)境保護工作的重視程度是十分令人興奮的，而且對環(huán)保工作的設計規(guī)劃逐漸的系統(tǒng)化、重點化和嚴格化。而現(xiàn)存的污水處理工藝的出水水質(zhì)與污水處理設施的處理能力遠遠不能滿足人們的迫切需求；提高水質(zhì)必然需要新的技術來提高效率，提高處理能力必須投入相當?shù)馁Y金，尤其對于我國的實際情況。所以唯有既經(jīng)濟又有效的工藝技術和處理設施才能滿足要求。通過對生物膜法各種特性的認識以及相對于活性污泥法的諸多優(yōu)勢，可以對生物膜法污水處理技術在我國的應用前景做出比較樂觀的評價。但是生物膜技術也存在著一些缺陷，主要有：①不論是TF/SC工藝還是BAF技術，工藝的理論研究還很不夠，如果在理論研究上有所發(fā)展，必然會極大地推 動生物膜法的發(fā)展。②需要研究工藝設計的優(yōu)化，如TF/SC工藝各單元處理程度的優(yōu)化、BAF工藝投配負荷與反沖洗關系的優(yōu)化等。③需要研究TF/SC和BAF適用的輕質(zhì)高強、價廉、使用壽命長的濾池濾料，這是兩種工藝的關鍵問題。④BAF存在一個大型濾池的均勻布水布氣問題，它既關系其工程造價，也關系此技術的適用規(guī)模。⑤隨著對環(huán)境質(zhì)量要求的提高，污水脫氮除磷也一定會在我國得到加強[12]。TF/SC和BAF工藝的脫氮除磷技術在國外已有一些技術方案和成功的流程，但在我國還未很好地開展這方面的研究，需要規(guī)劃安排和加強工作。如果進一步的研究可以克服生物膜技術現(xiàn)存的缺陷，那么它必將在中國污水工作中發(fā)揮重要的作用。

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