摘要：本文將對生物膜技術(shù)做簡單介紹，然后在結(jié)合我國城市水污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對生物膜技術(shù)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(guān)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(shù)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(shù)以適應我國的污水處理要求。生物摸技術(shù)就是諸多研究成果中的一種。

1. 生物膜技術(shù)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(shù)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(shù)。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。化學需氧量排放量為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個省（自治區(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(shè)情況較好，東北和西部地區(qū)建設(shè)相對緩慢。2004年，吉林省城市污水處理率為23.6%，全省28個設(shè)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(shù)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)保基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，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(shè)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(guān)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)保總局和監(jiān)察部連續(xù)四年對各地貫徹《國務院關(guān)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(guān)停“十五小”、 “一控雙達標”等執(zhí)法行動，司法機關(guān)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?！钡戎攸c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。“十一五”規(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(shè)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。科學發(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(guān)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(guān)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(shè)大量的污水處理廠，但是以我國的實際情況，建設(shè)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(shù)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(shù)應用于城市污水處理具有五大技術(shù)優(yōu)勢：一是投資省。目前國內(nèi)的城市污水處理廠基礎(chǔ)建設(shè)投資大，需要大量的機械設(shè)備、管網(wǎng)和其他工程設(shè)施，投資成本每噸污水處理在1000元左右；而應用生物膜技術(shù)投資設(shè)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(shù)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(shù)，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(shù)投資省，運行費用低，并可節(jié)省管網(wǎng)建設(shè)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(shè)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(shù)，因而也正是城市污水處理所需要的技術(shù)[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(shè)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(shè)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(shù)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(shù)和處理設(shè)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(shù)在我國的應用前景做出比較樂觀的評價。但是生物膜技術(shù)也存在著一些缺陷，主要有：①不論是TF/SC工藝還是BAF技術(shù)，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(shè)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(guān)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(guān)鍵問題。④BAF存在一個大型濾池的均勻布水布氣問題，它既關(guān)系其工程造價，也關(guān)系此技術(shù)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(shù)在國外已有一些技術(shù)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(shù)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。

參考文獻：

[1] 周群英等,環(huán)境工程微生物學(第二版),高等教育出版社2000年7月232頁

[2] 陳歡林,環(huán)境生物技術(shù)與工程,化學工業(yè)出版社, 2003年8月237頁

[3] 李強,張海輝,中國城市布局與人口高密度社會,戰(zhàn)略與管理,2004,3:84-92

[4] 李蕾,中國城市環(huán)境保護,環(huán)?？偩止? 2005年6月2日第8頁

[5] 國家環(huán)境保護總局,2004年中國環(huán)境狀況公報,?

[6] 上海市環(huán)保局,2004年上海市環(huán)境狀況公報,景觀建筑人才網(wǎng),?

[7] 中華人民共和國建設(shè)部,建設(shè)部關(guān)于全國污水治理情況的通報,中國住宅與房地產(chǎn)信息網(wǎng),?

[8] 許澤美,生物膜法在市政污水中的應用,中國給水排水,1999,8: 24-26

[9] 國家環(huán)境保護總局, 環(huán)保“九五”計劃完成情況和當前環(huán)境形勢,?

[10] 國家環(huán)境保護總局,國家環(huán)境保護“十五”規(guī)劃——指導思想和目標,?

[11] 中華人民共和國國務院,國家“十一五”計劃,中央政府網(wǎng),?

[12] 張自杰,排水工程(第四版),中國建筑出版社,1978