武汉科技大学 城市建设学院 湖北 武汉 420065
摘要：生物反应器是指以酶、微生物或动植物细胞为催化剂进行化学反应或生物转化的装置。膜生物反应器是由膜分离与生物处理组合而成的一种新型、高效的污水处理技术。膜生物反应器利用膜固定或回收生物催化剂，提高其浓度，分离具有抑制作用的产物，使反应连续进行，同时提高转化率和产率。膜生物反应器为酶膜生物反应器、膜微生物反应器和膜组织细胞培养器三大类。
关键词：酶膜生物反应器；膜微生物反应器；中水回用
随着现代社会发展，科技日益进步，人口总数急剧膨胀，人类对于水资源的需求越来越大，但我们能利用的淡水资源却是非常有限的，并且这些水资源还受到污染的威胁。农业，工业以及不断增加的城市生活用水使得有限的淡水资源越来越紧张。而我国的水资源主要存在两个问题，一是：水资源短缺；二是：水污染严重。膜生物反应器是随着水环境质量的严重恶化和经济的高速发展而随之发展起来的一项既能控制污染又能实现无水资源化的新型水处理技术。它不同于传统的污水处理方法，把膜技术与生物处理有机结合起来，由于生物膜的高效分离作用，使得废水处理的分离效果远好于传统水处理工艺。
1酶膜生物反应器
1.1酶的作用
酶作为一类重要的生物催化剂，具有催化效率高，专一性强，反应条件温和，无污染等优点。广泛运用于制药，环保，食品还有酿造等各行各业。生物酶是一种能力巨大的催化剂，在废水处理中，可以作用于废水中污染物质的化学链，将其降解成小分子有机物或二氧化碳，水等无机物。将酶的催化特性与膜的分离性能结合起来使化学反应和产品分离同时进行，有效加速反应，提高转化率。以膜作为酶的固定化载体可以使酶在类似生物膜的环境中高效发挥作用。传统的物理和化学方法处理废水时，对污染物的去除不够理想的同时还可能会造成二次污染。而将生物酶技术处理和环境工程以及水处理结合起来形成酶膜生物反应器，既环保又降低了重复污染。
1.2酶膜生物反应器的分类
根据结构和流体力学特征，可分为连续搅拌罐式和活塞流式酶膜反应器。
根据膜材质的不同可分为微滤酶膜反应器，超滤酶膜反应器，反渗透酶膜反应器，纳滤酶膜反应器等。
酶膜反应器的构成可分为两类。一、分置式。由酶反应器和膜分离两个单元组成，酶分子悬浮在反应液中，膜截留酶，底物等大分子，而允许小分子通过。又由于底物与酶充分接触，使得转化效率较高，但酶容易失去活性，适用于对催化剂的均相分散性要求较高的反应。二、一体式。将酶固定在膜材料上，放置在反应液内，反应和分离一体，固定化酶能够提高反应的稳定性和产率，但酶往往分布不均，适用于易在剪切应力下失活的酶。
根据亲水性不同可分为亲水和疏水酶膜反应器。
根据反应介质的不同，酶膜反应器可分为单相酶膜反应器和两相酶膜反应器。前者当底物分子量大于产物，且两者能够溶于同一溶剂时，可采用单相膜反应器选择适当的孔径，使底物在膜上反应而不透过膜，小分子产物则透过膜达到纯化的目的。后者，如果涉及两种或两种以上底物，且底物之间或底物与产物之间溶解行为差异较大则可以使用两相酶膜反应器。
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1.3应用
酶膜反应器主要用于大分子化合物的水解，有机相酶催化、手性拆分和手性合成、反胶团中的酶催化、辅酶或辅助因子的再生、脂肪酶的催化水解及合成，低聚肽合成等领域。
另外，由于酶的可识别性可制成膜生物传感器，药物控制释放膜等。
酶膜反应器可以连续分离产物，并且最大限度的利用了酶的特性，节约了运行成本。
目前酶膜生物反应器的应用与理论研究已取得很大进展，但它的潜能还没有完全发挥，需要我们继续探索研究其发展新途径。
2膜微生物反应器
我们通常在环境工程中运用的好养生物废水处理方法是活性污泥法。活性污泥是微生物及其吸附的有机物和无机物的总称。一般发酵过程中普遍存在代谢产物抑制微生物生长的情况。利用膜的特性分离产物和固定微生物，促进微生物高密度生长，提高代谢产物的产率，实现连续发酵。普通二沉池固液分离效率太低，而曝气池内的污泥难以维持较高的浓度，生化反应速率受到限制。而膜微生物反应器取代传统二沉池进行固液分离，可以在好氧或厌氧状态下操作，固液分离效率高，泥水得到很好的分离，悬浮固体和有机物去除率高，还可以去除细菌、病毒等。出水水质好，可直接回用。由于膜的特性使得微生物被截留在反应器内，有利于增殖缓慢的微生物等的繁殖增长，使得有机物的降解效率提高。
在厌氧处理中采用生物膜反应器，使得甲烷菌的流失变缓慢，加快了增殖速率，提高COD去除率。
3中水回用
目前全球面临的水资源问题是水资源短缺以及水污染严重，而中水回用是目前处理水资源短缺问题的重要方法。
膜生物反应器与传统工艺在回用处理中的优势：克服了传统工艺出水水质不稳定的问题，污染物去除率高，出水浊度低，基本保证了出水安全，一般可直接回用；占地面积小，对于回用设施位于城区或人口聚集区时优势更加明显；工艺流程简单，结构紧凑，减少土建投资；工艺便捷，运行管理方便，基本不会产生环境污染问题；特别是对于一些排水管网、水处理设施不齐全的地方 ，膜生物反应器是一个很好的选择。
现在是绿色全球化时代，中水回用是全球大趋势，而膜生物反应器作为一种高效的处理水污染和中水回用的工艺，在水污染日益严重，水资源日益短缺的今天，拥有着广阔的前景。
4结语
在环境污染日趋严重的今天，膜生物反应器用于污水处理和中水回用时，有效的降低了污染，提高了水资源利用率，并且随着科技的发展，时代的进步，膜生物反应器将会更加成熟和完善，投资与运行费用也会减少，同时也会运用得更加广阔，在市场上也会更具优势。
参考文献：
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[2]贾志谦.膜科学与技术基础.北京：化学工业出版社，2012.2
[3]黄霞，曹斌，文湘华等.膜-生物反应器在我国的研究与应用新进展.环境科学学报,2008,28(3):416-432
论文作者:孙茜,刘国艳
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/22
标签：反应器论文; 生物反应器论文; 微生物论文; 水资源论文; 产物论文; 生物论文; 催化剂论文; 《防护工程》2019年第3期论文;