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摘要：生物反應(yīng)器是以微生物的降解作用為基礎(chǔ)的污染控制裝置，主要依靠的是微生物對(duì)污染物的催化作用，然后借助反應(yīng)器裝置為載體，充分發(fā)揮微生物的優(yōu)勢(shì)。本文介紹了生物反應(yīng)器的分類，工作原理和特點(diǎn)，指出生物反應(yīng)器的特征和基本功能。此外，對(duì)常見(jiàn)的生物反應(yīng)器的特征和用途進(jìn)行介紹，并指出生物反應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)勢(shì)等。

關(guān)鍵詞：生物反應(yīng)器；膜生物反應(yīng)器；污水

1引言

目前人類的快速發(fā)展，帶來(lái)的不僅是物質(zhì)生活的提高，更嚴(yán)重的是環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，人口膨脹、資源銳減、淡水缺乏等一系列的問(wèn)題擺在人類的面見(jiàn)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(diǎn)，不斷的發(fā)明和創(chuàng)造著污染物的處理方法。生物反應(yīng)器就是其中的一類，它利用了微生物自身的優(yōu)勢(shì)，連接了反應(yīng)器，最大化的發(fā)揮著微生物的催化降解能力。生物反應(yīng)器的發(fā)展不僅對(duì)現(xiàn)有污染治理技術(shù)有著重要的指導(dǎo)作用，而且還有利于其他生物類行業(yè)的發(fā)展。

2生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是利用具有活性的細(xì)胞或其分泌的酶來(lái)進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置，是生物進(jìn)行催化反應(yīng)的重要裝置。活性生物細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)器的構(gòu)型、運(yùn)行方式、提供的反應(yīng)條件對(duì)于生化反應(yīng)的效率有著重要的影響。生物反應(yīng)器是對(duì)生物活性細(xì)胞進(jìn)行催化反應(yīng)的一種放大，它為生物體提供的環(huán)境越優(yōu)越、越穩(wěn)定，生物反應(yīng)進(jìn)行的也就越徹底、越充分，進(jìn)而在各個(gè)方面的應(yīng)用也就更能體現(xiàn)生物催化作用的重要性[1]。

3生物反應(yīng)器分類

3.1細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器

3.1.1動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)[2]

（1）中空纖維管生物反應(yīng)器：

它是由聚礬或丙烯的聚合我構(gòu)成，在一個(gè)反應(yīng)器中由數(shù)千根中空纖維管組成。它可用于培養(yǎng)懸浮生長(zhǎng)的細(xì)胞以及對(duì)壁有依賴性的細(xì)胞。

（2）微囊培養(yǎng)系統(tǒng)：

是在無(wú)菌的條件下，將活細(xì)胞或者生物活性物質(zhì)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(xì)胞的凝膠小珠。

（3）微載體培養(yǎng)系統(tǒng)：

是將細(xì)胞吸附于微載體表面，然后在攪拌系統(tǒng)中對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行懸浮培養(yǎng)，最終形成單層的細(xì)胞體系。該方法主要用于大規(guī)模的培養(yǎng)貼壁依賴型細(xì)胞。

（4）流化床生物反應(yīng)器：

該反應(yīng)器的培養(yǎng)液垂直向上循環(huán)流動(dòng)，從而不斷的為培養(yǎng)細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)成分，滿足了高密度的細(xì)胞培養(yǎng)，優(yōu)化了細(xì)胞生長(zhǎng)與培養(yǎng)環(huán)境的結(jié)合。

3.1.2植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器[3]

（1）機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器：

它對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)能夠更好的控制培養(yǎng)條件，但是其機(jī)械攪拌力會(huì)對(duì)細(xì)胞造成一點(diǎn)的損害，因此在利用機(jī)械攪拌器時(shí)需篩選出抗剪切力的細(xì)胞，此外，也應(yīng)對(duì)反應(yīng)器的構(gòu)型就行改進(jìn)，以便適合更多種細(xì)胞的培養(yǎng)。

（2）填充床生物反應(yīng)器：

該反應(yīng)器在培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)，即可使細(xì)胞位于支撐物表面，也可放于支撐物之中，培養(yǎng)液流經(jīng)支撐顆粒，可以不斷的被細(xì)胞利用，可以固定大量的細(xì)胞、但是其缺點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)對(duì)氧傳遞、pH、溫度等控制不佳。

（3）批式反應(yīng)器：

它在培養(yǎng)時(shí)是將營(yíng)養(yǎng)物與菌種一次性加入進(jìn)行培養(yǎng)，直到最后結(jié)束時(shí)放出培養(yǎng)的細(xì)胞，在中間進(jìn)行的過(guò)程中只有空氣和尾氣的排出，沒(méi)有其它的物料交換。

（4）連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器：

在培養(yǎng)過(guò)程中，在反應(yīng)器中不斷的加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，利用反應(yīng)器中的菌體增殖來(lái)得到產(chǎn)物?？刂坪梅磻?yīng)條件，該反應(yīng)器中菌體采出與菌體增殖的速度相同，進(jìn)而可以保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）酶反應(yīng)器：

該反應(yīng)器以酶或固定化酶為催化劑進(jìn)行酶促反應(yīng)來(lái)進(jìn)行細(xì)胞的增殖。最佳的酶反應(yīng)器稱為活塞流反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器。

3.2膜生物反應(yīng)器MBR

膜生物反應(yīng)器是將生物反應(yīng)器與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型的污染控制工藝，其主要的特點(diǎn)是利用了膜組件代替了傳統(tǒng)生物處理過(guò)程中的二沉池[4]。MBR的特點(diǎn)主要有如下。

3.2.1出水水質(zhì)效果好

在膜生物反應(yīng)器中，可溶性的大分子化合物能夠被膜截留，同時(shí)可以連同污水一起返回到生物反應(yīng)器中進(jìn)行充分的反應(yīng)，使得微生物對(duì)污染物徹底的分解、利用。較長(zhǎng)的停留時(shí)間有利于硝化細(xì)菌在生物反應(yīng)器中積累，促進(jìn)了硝化的效果。此外，出水時(shí)微生物也被膜所截留。因此，保證了膜生物反應(yīng)器的出水效果。

3.2.2工藝參數(shù)易于控制

在膜生物反應(yīng)器中，利用膜組件代替了二沉池，使得反應(yīng)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(fù)荷

膜生物反應(yīng)器中微生物的濃度相比其它生物反應(yīng)器要高，而且裝置的容積負(fù)荷大。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)有機(jī)物的濃度變化增加時(shí)，有機(jī)負(fù)荷也不會(huì)大幅變化。

3.2.4污泥產(chǎn)生量少

膜生物反應(yīng)器中污泥濃度相比其它活性污泥法工藝更高，因此反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)污泥負(fù)荷的FM值較低，相應(yīng)污泥產(chǎn)量也就降低了。

3.2.5異于自動(dòng)控制

膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便且靈活，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中易于操作，也容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的運(yùn)行方式。

3.2.6存在的缺點(diǎn)[5]

雖然膜生物反應(yīng)器在運(yùn)行上、處理效果上都有著很大的改進(jìn)和突破，但是其也存在著一些缺點(diǎn)。膜組件在整個(gè)反應(yīng)器中是非常重要的，但是其易于污染，需要定期進(jìn)行沖洗，嚴(yán)重時(shí)需要更換膜組件，而且膜組件的造價(jià)也是該工藝造價(jià)組成的重要部分，而且其出水方式是需要外加動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相應(yīng)的提高了反應(yīng)器運(yùn)行的成本。

3.3復(fù)合生物反應(yīng)器

復(fù)合生物膜法是以生物膜法與其它污水處理工藝相結(jié)合的新型生物反應(yīng)器。近些年來(lái)備受關(guān)注。該反應(yīng)器的特點(diǎn)是在活性污泥曝氣池中加入填料作為微生物的載體，進(jìn)而形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜。反應(yīng)器中添加的微生物生長(zhǎng)載體，有利于微生物的生長(zhǎng)，提高了反應(yīng)器中的污泥濃度以運(yùn)行的穩(wěn)定性，是提高微生物降解能力的有效方法[6]。目前，在復(fù)合生物反應(yīng)器中以活性污泥生物膜反應(yīng)器應(yīng)用最為廣泛。而在生物膜法工藝中，反應(yīng)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(fù)合生物反應(yīng)器的不斷發(fā)展，在反應(yīng)器的工藝參數(shù)、填料材質(zhì)等問(wèn)題上以有了眾多的突破，一系列的反應(yīng)器類型也相繼出現(xiàn)，有序批式生物膜反應(yīng)器、升流式厭氧污泥床等。

4新型生物反應(yīng)器

4.1提升槳生物反應(yīng)器

借助于雜交瘤細(xì)胞、克隆技術(shù)以及基因工程的發(fā)展而開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型生物反應(yīng)器，對(duì)大規(guī)模的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)有著顯著的提高。雖然傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌反應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用方面有著成熟的經(jīng)驗(yàn)，但在處理有氣泡產(chǎn)生的界面張力以及攪拌產(chǎn)生的漩渦有著很大的進(jìn)步[7]。

4.2雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器的不斷改進(jìn)都是為了更佳的培育生物細(xì)胞。Shi等人對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，提高了溶解氧傳質(zhì)系數(shù)，同時(shí)在反應(yīng)器增加兩個(gè)圓筒形篩網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比提升式生物反應(yīng)器在水溶液中提高了19%，添加的雙篩網(wǎng)增加了氣泡與培養(yǎng)液的接觸面積，促進(jìn)了溶解氧在反應(yīng)器中的提高，使得生物細(xì)胞更好的利用氧[8]。

4.3泡床式攪拌生物反應(yīng)器

該反應(yīng)器的創(chuàng)新之處在于，利用了錐形導(dǎo)流筒與攪拌槳配合使用，對(duì)于流速的控制，使得氣泡被限制在導(dǎo)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(yǎng)液時(shí)產(chǎn)生的界面張力，另一方面，培養(yǎng)液不斷的與氣泡接觸，增加了培養(yǎng)液中的氧含量[9]。雖然該反應(yīng)器也采用了機(jī)械攪拌，但相比機(jī)械攪拌反應(yīng)器，本反應(yīng)器中它的作用在與促進(jìn)流體的循環(huán)，在反應(yīng)器中不產(chǎn)生漩渦，因此，降低了剪切力。

4.4固定化酶攪拌槳反應(yīng)器

利用酶作為生物催化劑已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，但是酶本身的一些特性使其大規(guī)模應(yīng)用受到了限制，尤其是在分離純化。在2005年研究人員對(duì)傳統(tǒng)的反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了固定化酶攪拌槳反應(yīng)器。該反應(yīng)器的特點(diǎn)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(yīng)器的攪拌槳[10]。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，一方面攪拌可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)器中的基質(zhì)進(jìn)行混合作用，另一方面基質(zhì)進(jìn)入圓筒形的攪拌器與固定在攪拌器上的酶進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)果表明：該反應(yīng)器能夠促進(jìn)基質(zhì)向酶的擴(kuò)散，酶的活性相比常規(guī)的方法更高，活性期更長(zhǎng)。

5結(jié)語(yǔ)

生物反應(yīng)器以活細(xì)胞或酶為生物催化劑進(jìn)行細(xì)胞增殖或生化反應(yīng)提供適宜環(huán)境的設(shè)備，它是生物反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，在環(huán)境問(wèn)題處理中具有重大的作用并且具有很大潛力?？梢愿淖兾⑸锘蛎傅姆N類來(lái)提高生物反應(yīng)器的特性，進(jìn)而運(yùn)用在環(huán)境問(wèn)題的解決上。另外，新型生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)和符合反應(yīng)器的使用也是大勢(shì)所趨。現(xiàn)如今微生物反應(yīng)器主要運(yùn)用在污水的處理上，而且比傳統(tǒng)的活性污泥法處理效果好，而且適用于各類污水，所以應(yīng)該普及污水的生物反應(yīng)器法。

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作者：李燕 呂艷菲 趙紅梅 單位：德州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所有限公司