摘要：本文将对生物膜技术做简单介绍，然后在结合我国城市水污染现状的基础上对生物膜技术在我国城市污水治理工作中的应用前景进行分析与评价。

关键词：生物膜 城市污水治理 前景分析

引言

由于我国日益巨增的城市污水排放量和污水处理技术工艺的限制，大量的城市生活污水未能实现达标排放，水环境的形势相当严峻。而目前采用的活性污泥法有着诸多弊端，因此许多研究者都在寻找一种经济有效的污水处理技术以适应我国的污水处理要求。生物摸技术就是诸多研究成果中的一种。

1. 生物膜技术简介

1.1   生物膜的定义

生物膜主要由多种多样生物细胞黏附在生物滤池上或黏附在生物转盘盘片上的一层带粘性、薄膜状的生物混合群体[1]。

生物膜一般可分为两种，即静止生物膜和颗粒状生物膜。静止生物膜一般存在于滴滤池中；颗粒状生物膜通常应用于各种流化床生物膜反应器、升流式厌氧污泥床和气提式悬浮生物膜反应器。生物膜反应器的典型尺寸比较大，通常为0.5~3mm，空隙率较小。

1.2   生物膜的结构及其原理

生物膜内的微观结构不是种群的一种简单组合，而是按照系统的生理功能以及特定环境条件下的最优化原则组合构成的。从结构上分析，生物膜有好氧生物膜层和厌氧生物膜层组成；从功能上考虑，生物膜可划分为底物利用区、微生物饥饿区两部分。生物膜的宏观结构是生物膜增长和水力剪切做用的结果。生物膜的结构与活性取决于生物膜种群特征、底物浓度以及底物特性、污水流量、分子在膜中扩散系数、反应器水利条件、生物膜对底物的利用效率、生物膜的增长效率以及其他各种物理化学因素。

生物膜对废水的净化作用如图所示，大致可分为生物膜层和废水层。附着在滤料表面的为生物膜层，在其内层为厌氧层，较外层为好氧层，附着水层紧靠生物膜好氧层，而流动水层表面也与空气接触。附着水中的有机物大多会被生物膜氧化，使有机物浓度降低。同时空气中的氧随废水流经生物膜被微生物利用，有机物氧化生成的二氧化碳等透过附着水，进入流动水流并随空气流出。

1.3 生物膜的形成

1.3.1 有机物分子从水中向生物膜载体表面运送，其中某些被载体吸附形成被生物膜改良的载体表面。

1.3.2 水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面，其中碰到载体表面的细胞被吸附。经过一段时间后，一部分细胞因水力剪切或其他物理、化学和生物作用又解吸出来，另一部分被表面吸附变成不可解吸的细胞。

1.3.3 不可解吸的细胞摄取并消耗水中的底物与营养物质，数目不断增多；与此同时，细胞可能产生大量产物，其中大部分排出体外。这些产物中有一些是胞外多聚物，可以将生物膜紧紧的结合在一起。

1.3.4 进入水中或者细胞在繁殖时亦可向水中释放出游离的细胞。

1.4 生物膜反应器

从广义上说，凡是在污水生物处理的各种工艺中引入微生物附着生长载体（或称之为滤料、填料等）的反应器，都将其定义为生物膜反应器，包括以生物膜为主体的生物膜反应器，以及引入生物膜的复合式生物膜反应器。

生物膜反应器是污水生物处理的主要技术之一，它与活性污泥法并列，既是古老的、又是发展中的污水生物处理技术。自20世纪60年代以来，生物滤池一直是生物膜反应器的主要形式。由于20世纪60年代新型无机合成材料的大量生产，广泛使用的有聚乙烯、聚苯乙烯等制成的波纹板状、列管状和蜂窝状有机人工合成材料，其表面积和空隙滤大大增加。再加上环境保护对水质的进一步提高，生物膜反应器获得了新的发展。除了生物滤池外，各种各样的新型生物膜反应器不断涌现出来。目前常见的有生物转盘、接触氧化池、塔式生物滤池等[2]。

2. 我国城市水污染及其治理现状

2.1 污水排放

我国现有城市661个，其中百万人口以上的特大城市有49个[3]。城市作为经济和生活中心，污水排放量大，加之我国城市污水的处理水平普遍不高，城市水环境面临的形势十分严峻，流经城市的河段近90%受到污染，城市内湖水质较差。城市水体主要污染因子为化学需氧量、总磷和总氮。

1993-2004年，生活污水排放量呈增长态势，生活污水排放量年均增长7.7%，生活污水自1999年起已超过工业废水排放量成为城市水污染的首要来源。1993-2000年工业废水排放总体呈下降趋势，2000年以来呈缓慢增长态势。1999-2004年，来自生活污水的主要污染物COD排放量呈增长趋势，年均增长3.1%，生活COD排放量现已超过工业源COD的排放量。工业企业废水排放达标率总体呈上升态势，近年来基本保持稳定。1999—2004年5年间，原47个环保重点城市的工业废水排放达标率从83.6%提高到91.5%，水域功能区达标率从89.49%提高到93.95%，生活污水处理率从24.7%提高到53.6%，5年提高了28.9个百分点[4]。2004年，全国城市污水排放总量为355亿吨，其中工业废水排放量为221.1亿吨，生活污水排放量为261.3亿吨。化学需氧量排放量为1339.2万吨，其中工业排放量为509.7万吨，生活排放量为829.5万吨；氨氮排放量为133.0万吨，其中工业排放量为42.2万吨，生活排放量为90.8万吨[5]。2004年上海全年废水排放总量为18.22亿吨，其中，生活污水排放量为12.11亿吨，工业废水排放量为6.11亿吨，工业废水达标排放率为94.94%[6]。

2.2 污水处理现状

近年来，城市污水处理事业发展迅速，在水污染治理中发挥了越来越重要的作用。到2004年底，全国661个城市建有污水处理厂708座，处理能力为4912万立方米/日，是2000年的两倍多。全年城市污水处理量162.8亿立方米，比2000年增加了43%，城市污水处理率达到45.7%。但是，各地发展很不平衡，截至2005年6月底，全国31个省（自治区、直辖市）中还有297个城市没有建成污水处理厂。其中，地级以上城市63个，包括人口50万以上的大城市8个。位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市54个。

总体看，东部地区污水处理厂建设情况较好，东北和西部地区建设相对缓慢。2004年，吉林省城市污水处理率为23.6%，全省28个设市城市中有22个城市没有建成污水处理厂；贵州省城市污水处理率为12%，全省13个城市中有9个城市没有建成污水处理厂。一些重点流域、区域城市的污水处理工程未能按“十五”计划建成。如：根据三峡库区及其上游地区水污染防治“十五”计划要求，四川省的23个城市在“十五”期间要建成污水处理厂，但截至2005年6月底，该省还有11个城市没有按计划建成；根据海河流域水污染防治“十五”计划要求，河北省的24个城市在“十五”期间要建成污水处理厂，但截至2005年6月底，该省还有16个城市没有按计划建成污水处理厂。

到2004年底，全国城市污水处理厂运行负荷率平均为65%，比2001年提高了5个百分点。但是，一部分建成的污水处理厂没有充分发挥效益。截至2005年6月底，全国364个建有污水处理厂的城市中，仍有38个城市的污水处理厂运行负荷率低于30%（包括17个已建污水处理厂未投入运行的城市）。其中，地级以上城市17个，包括2个人口50万以上的大城市。位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市有6个。

截至2005年6月底，全国有475个城市实行了污水处理收费制度，还有186个城市没有开征污水处理费。没有开征污水处理费的城市中，地级以上城市28个，其中50万以上人口的大城市2个，位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市22个。有的省城市污水处理收费开征率较低，如黑龙江省的31个城市中有21个城市，广西壮族自治区的21个城市中有15个城市，尚没有开征污水处理费[7]。

目前我国普遍采用的污水处理技术是活性污泥法，通用的活性污泥法主要包括A/O法、氧化沟法、SBR法等几种模式，但存在成本高、处理不彻底和容易造成对环境二次污染问题，既不经济，处理效果也不理想[8]。

2.3 政策与规划

我国的基本政策是可持续发展。政府对环境保护工作投入了大量的精力，在我国宏伟的发展计划中占有极其重要的战略地位。

“九五”期间，党中央、国务院高度重视环境保护，把环境保护作为影响经济和社会发展全局的重大问题之一，每年召开会议，听取环境保护工作汇报，提出环境保护的大政方针和明确要求。全国实行污染防治与生态保护并重方针，实施《“九五”期间全国主要污染物排放总量控制计划》和《中国跨世纪绿色工程规划》两大举措，全面推进工业污染企业排放达标和重点城市环境质量达标，重点治理“三河、三湖、两区、一市、一海”的污染，依靠科技进步，积极参与国际合作，结合国家经济结构调整和加强城市环保基础设施建设，基本完成了“九五”计划确定的主要任务。期间，国家修订了《大气污染防治法》、《水污染防治法》、《海洋环境保护法》，制定了《噪声污染环境防治法》、《水污染防治法实施细则》、《建设项目环境保护管理条例》等环境保护法规。修改后的《刑法》增加了“破坏环境资源保护罪”、“环境保护监督渎职罪”的规定。迄今为止，国家共颁布了6部环境保护法律、10部相关资源法律和30多件环境保护法规，发布了90余件环境保护规章，制定了427项国家环境保护标准，地方性环境保护法规达1020件。环境执法不断加强。各级人大和政协分别对各级人民政府环境执法进行了监督检查和视察，国家环保总局和监察部连续四年对各地贯彻《国务院关于环境保护若干问题的决定》情况进行监察和检查。在全国范围内开展了关停“十五小”、 “一控双达标”等执法行动，司法机关依照《刑法》打击环境犯罪活动,推动了环保工作法治化进程[9]。

“十五”计划以江泽民同志“三个代表”重要思想为指导，以可持续发展为主题，以控制污染物排放总量为主线，以防治“三河三湖两区一市一海”等重点区域的环境污染和遏制人为生态破坏为重点，以强化执法监督和提高环境管理能力为保障，以改善环境质量和保护人民群众健康为根本出发点，坚持政府调控与市场机制相结合，通过体制创新和政策创新，建立政府主导、市场推进、公众参与的环境保护新机制，全面推动经济、社会、环境的协调发展。其总体目标是到2005年，环境污染状况有所减轻，生态环境恶化趋势得到初步遏制，城乡环境质量特别是大中城市和重点地区的环境质量得到改善，健全适应社会主义市场经济体制的环境保护法律、政策和管理体系。具体指出60%地级以上城市地表水环境质量按功能区划达标、城市生活污水集中处理率达到45%[10]。

随着2005年的即将结束，我国将全面实行“十一五”计划。“十一五”规划的指导思想：要以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面落实科学发展观。坚持发展是硬道理，坚持抓好发展这个党执政兴国的第一要务，坚持以经济建设为中心，坚持用发展和改革的办法解决前进中的问题。发展必须是科学发展，要坚持以人为本，转变发展观念，创新发展模式，提高发展质量，落实“五个统筹”，切实把经济社会发展转入全面协调可持续发展的轨道。计划特别指出：保持经济平稳较快发展，是要始终把握好的重大原则。科学发展观的实质，是实现又快又好地发展。解决我国一切问题的关键在于发展。要满足人们日益增长的物质文化需求，缓解就业的巨大压力和处理好各种社会矛盾，没有经济持续较快的发展是做不到的。我们必须充分利用各种有利条件努力促进发展。同时，发展必须是科学的发展，注重提高经济增长的质量和效益，注重资源的节约和环境保护。如果忽视增长质量和效益，不惜浪费资源和破坏环境，片面追求一时的高速度，盲目扩大固定资产投资规模，这种经济发展是不能持续的，势必会造成大的起落。我们要正确把握经济发展趋势的变化，及时采取有力措施，妥善解决可能妨碍经济平稳较快发展的各种问题。大力转变经济增长方式，是要切实抓好的关键问题。长期以来，我国经济发展过多地依靠扩大投资规模和增加物质投入，这种粗放型经济增长方式，与资源、环境的矛盾越来越尖锐，已经不能再继续下去了。必须从根本上转变经济增长方式，对此要有强烈的紧迫感。要从推动科技进步、深化体制改革、加强科学管理等方面采取更加有力的措施，着力提高资源利用效率、降低物质消耗、保护生态环境，坚持节约发展、清洁发展、安全发展，实现可持续发展[11]。

3. 前景分析与评价

根据我国污水排放、治理的现状及政府制定的政策法规，随着政府对环境保护工作力度的加大与日益严格的环境质量标准，我国必须建设大量的污水处理厂，但是以我国的实际情况，建设资金远不能满足这方面的需求。解决资金的途径，一条是拓宽资金来源；另一条是采用新的技术降低工程造价节约资金。

专家介绍，与传统的活性淤泥法相比，生物膜技术应用于城市污水处理具有五大技术优势：一是投资省。目前国内的城市污水处理厂基础建设投资大，需要大量的机械设备、管网和其他工程设施，投资成本每吨污水处理在1000元左右；而应用生物膜技术投资设备少，占地小，处理每吨污水不到500元，相比节约成本50%以上。二是运行费用低。据测算，目前国内城市污水处理厂的直接运行成本，一般在每天处理每吨污水0.5元至0.8元之间；而应用生物膜技术处理污水每天每吨只需0.2元左右。三是淤泥少，没有“二次污染”。采用传统的活性淤泥法处理城市污水，常由于大量淤泥的堆放造成对环境的“二次污染”；而相同条件下制成生物膜的微生物菌一旦把污水净化后，便会由于缺乏“营养”而自动消亡，不会造成“二次污染”。四是效率高。生物膜表面积大，微生物菌密度高，每克制剂的微生物菌含量达50亿-200亿个，大大高于淤泥中的自然微生物活性成份，同时还可以多次投放，方便快捷，处理效果明显优于传统的活性淤泥法。采用生物膜技术，不仅能够有效治理湖泊的富营养化，而且有助于修复和强化湖泊生态功能，提高水体自净能力。五是适合城市生活小区等小规模、有机负荷不高的污水处理。应用生物膜技术投资省，运行费用低，并可节省管网建设成本，处理城市生活小区等城市污水具有活性淤泥法不可比拟的优势。

现将生物膜法与活性污泥法的两类代表工艺比较列于表2。表2说明膜法的负荷均远高于活性污泥法，因而工程总造价也要低很多，TF/SC工艺研究专题依托工程的经济分析说明TF/SC工艺的总造价比标准活性污泥法低20%。另外近年来我国所设计的两个10×104m3/d规模的市政污水处理厂均采用TF/SC工艺，其处理1.0 m3污水的工程造价一项为900元，另一项为1 015元(工程包括污泥消化与污泥处理)。由于这项工程利用了有利地形，其电耗分别为0.1 kW·h/m3水和0.05 kW·h/m3水(完全自流无须提升)。一般传统活性污泥法的工程总造价为1 200～1500元/m3水，运行电耗超过0.2 kW·h/m3水。上述两生物膜法工艺显然是可以较大幅度降低工程造价的新技术，因而也正是城市污水处理所需要的技术[8]。

表2. 膜法与传统活性污泥法比较

综上所述，根据引述的我国“九五”、“十五”、“十一五”计划可以发现，政府对环境保护工作的重视程度是十分令人兴奋的，而且对环保工作的设计规划逐渐的系统化、重点化和严格化。而现存的污水处理工艺的出水水质与污水处理设施的处理能力远远不能满足人们的迫切需求；提高水质必然需要新的技术来提高效率，提高处理能力必须投入相当的资金，尤其对于我国的实际情况。所以唯有既经济又有效的工艺技术和处理设施才能满足要求。通过对生物膜法各种特性的认识以及相对于活性污泥法的诸多优势，可以对生物膜法污水处理技术在我国的应用前景做出比较乐观的评价。但是生物膜技术也存在着一些缺陷，主要有：①不论是TF/SC工艺还是BAF技术，工艺的理论研究还很不够，如果在理论研究上有所发展，必然会极大地推 动生物膜法的发展。②需要研究工艺设计的优化，如TF/SC工艺各单元处理程度的优化、BAF工艺投配负荷与反冲洗关系的优化等。③需要研究TF/SC和BAF适用的轻质高强、价廉、使用寿命长的滤池滤料，这是两种工艺的关键问题。④BAF存在一个大型滤池的均匀布水布气问题，它既关系其工程造价，也关系此技术的适用规模。⑤随着对环境质量要求的提高，污水脱氮除磷也一定会在我国得到加强[12]。TF/SC和BAF工艺的脱氮除磷技术在国外已有一些技术方案和成功的流程，但在我国还未很好地开展这方面的研究，需要规划安排和加强工作。如果进一步的研究可以克服生物膜技术现存的缺陷，那么它必将在中国污水工作中发挥重要的作用。

参考文献：

[1] 周群英等,环境工程微生物学(第二版),高等教育出版社2000年7月232页

[2] 陈欢林,环境生物技术与工程,化学工业出版社, 2003年8月237页

[3] 李强,张海辉,中国城市布局与人口高密度社会,战略与管理,2004,3:84-92

[4] 李蕾,中国城市环境保护,环保总局公告, 2005年6月2日第8页

[5] 国家环境保护总局,2004年中国环境状况公报, 

[6] 上海市环保局,2004年上海市环境状况公报,景观建筑人才网, 

[7] 中华人民共和国建设部,建设部关于全国污水治理情况的通报,中国住宅与房地产信息网, 

[8] 许泽美,生物膜法在市政污水中的应用,中国给水排水,1999,8: 24-26

[9] 国家环境保护总局, 环保“九五”计划完成情况和当前环境形势, 

[10] 国家环境保护总局,国家环境保护“十五”规划——指导思想和目标, 

[11] 中华人民共和国国务院,国家“十一五”计划,中央政府网, 

[12] 张自杰,排水工程(第四版),中国建筑出版社,1978