生物膜填料特性的研究進(jìn)展與應(yīng)用

張明宇，邊 維，2，王 帆，2，姜笑談，曲 紅，2*

（1.長春工程學(xué)院，長春 130012；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，長春 130012）

隨著城市的發(fā)展與進(jìn)步，生活污水和工業(yè)廢水的排放量在顯著增加，對于城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，城鎮(zhèn)污水處理廠需要持續(xù)、高效的運(yùn)行，以保證污水可以正常達(dá)標(biāo)排放。城鎮(zhèn)污水處理廠作為生活污水與工業(yè)廢水進(jìn)入自然水體前的最后一個節(jié)點，在限制環(huán)境污染過程中起到了關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)活性污泥法因其處理水量大、出水水質(zhì)好、處理程序簡單，管理維護(hù)費用較低等優(yōu)點而應(yīng)用廣泛，但也存在反應(yīng)池占地面積較大、容積負(fù)荷低、剩余污泥產(chǎn)量大、易受低溫污水影響而導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)等問題。

利用傳統(tǒng)活性污泥法在處理污水過程中往往還存在以下的問題：硝化菌具有生長繁殖緩慢、世代周期長等特點，但聚磷菌的生長繁殖速度較快，除磷過程需要較短的污泥齡來排放富磷污泥來將磷去除，即硝化菌生長與排泥除磷過程存在矛盾。在好氧條件下，硝化反應(yīng)的進(jìn)行和聚磷菌的好氧吸磷過程對溶解氧存在競爭關(guān)系。當(dāng)面臨低C/N 污水時，反硝化與除磷過程均需要足夠的碳源，由于反硝化菌相當(dāng)于聚磷菌會更優(yōu)先利用碳源，易導(dǎo)致碳源不足，影響除磷效果。

而將密度接近于水的生物膜填料投加到反應(yīng)池中作為微生物載體，構(gòu)成活性污泥-生物膜復(fù)合系統(tǒng)，生物膜填料可以在反應(yīng)器內(nèi)隨意流動，與污水中的有機(jī)物充分接觸，經(jīng)過掛膜培養(yǎng)后，世代周期較長的硝化菌、反硝化菌會分布于生物膜填料的內(nèi)部，通過生物膜填料內(nèi)部由內(nèi)而外形成的“厭氧、缺氧、好氧”微環(huán)境，為硝化菌、反硝化菌提供了適宜的生存環(huán)境，可以有效減小硝化菌與聚磷菌之間的矛盾，同時還具有增加生物量及提高生物多樣性、受低溫環(huán)境及低C/N 污水影響較小等優(yōu)點。

不同的生物膜填料具有不同的溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)效果，而生物膜在填料上的生長較大程度上受限于生物膜的傳質(zhì)性能，傳質(zhì)效果的好壞影響了生物膜的掛膜速度、生物膜上微生物的活性及微生物的群落結(jié)構(gòu)。選取掛脫膜速度快、理化特性優(yōu)越、污染物傳質(zhì)效果好的生物膜填料，對于更好實現(xiàn)硝化、反硝化反應(yīng)，抵抗低溫污水影響顯得格外重要。生物膜填料的開發(fā)及選取作為生物膜工藝的技術(shù)核心，也成為了當(dāng)下國內(nèi)外諸多學(xué)者研究的熱點。本文從生物膜填料特性對污水處理過程的影響、針對不同類型污水處理廠和不同類型污水對于填料的應(yīng)用實例3 個方面，綜述了目前對于生物膜填料的研究進(jìn)展。

1 生物膜填料特性對復(fù)合系統(tǒng)的影響

1.1 填料材質(zhì)

從生物膜填料使用的材質(zhì)來劃分，常用材料包括天然物質(zhì)（如石頭、砂礫、木片）、陶瓷、活性炭、塑料（如Kaldnes K1，K2，K3 和K5 等）、織物、多孔泡沫填料和化學(xué)聚合物（聚氨酯（PU）型、聚乙烯（PE）型、聚乙烯醇縮甲醛（PVF）型、聚丙烯（PP）型、乙酸乙烯酯（VAC）型等。

除了使用單一材質(zhì)的生物膜填料外，組合填料在實際中也被廣泛使用，該類型生物膜填料通常由2 個半球形外殼組裝成一個空心球體，內(nèi)置不同類型的生物膜填料。Fan 等[1]采用球型外殼內(nèi)添加邊長為3 cm的聚氨酯海綿填料和Kaldnes 3 型填料的形式構(gòu)成組合生物膜填料，投加到多級A/O 反應(yīng)裝置中，COD、NH4+-N 和TN 在10 ℃低溫條件下的去除效率分別達(dá)到85%、90%、80%。

1.2 填料幾何形狀

適當(dāng)?shù)膸缀涡螤羁纱_保微生物的高效附著并實現(xiàn)更高的污染物去除率，生物膜填料具有良好的幾何構(gòu)型，可促使微生物具有良好的生長狀態(tài)，對有機(jī)物有更高的降解效率。水中溶解氧和污染物可以順利進(jìn)入填料內(nèi)部，與生物膜中的微生物充分接觸，提高傳質(zhì)效率和污染物降解性能。

根據(jù)形狀和大小的差異，區(qū)分為以下幾種：環(huán)形、球形及齒面型，其中形狀為立體塊狀或粒狀，一般形狀規(guī)則，孔隙率較大，比表面積也更大。聶澤兵等[2]將不同邊長的聚氨酯海綿填料放于SBBR 反應(yīng)器中探究邊長對污染物去除效率影響的試驗中，選用邊長為1 cm、1.5 cm、2 cm 的3 種聚氨酯海綿填料進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)3 種填料對COD、NH4+-N 的去除率均達(dá)到90%、95%，但邊長為1.5 cm 的聚氨酯海綿對于TN 的去除效果更佳。

1.3 填料填充率

系統(tǒng)中生物膜填料的填充率對控制微生物活性有著重要的意義，關(guān)系到反應(yīng)器的微生物量、充氧能力，其不僅影響工藝的整體處理效果，還影響處理工藝的投資成本。在較高的填充率下，可以使系統(tǒng)具有更高的膜生物量及更高的污染物去除效率，有助于強(qiáng)化脫氮過程，但要伴隨著更高的曝氣量和電量用于攪拌。張新波等[3]研究發(fā)現(xiàn)，將聚氨酯海綿投加到MBBR 系統(tǒng)后，在10%、20%、30%的3 種填充率中，填充率為20%的情況下，對TOC、NH4+-N 的去除率較高，且生物量較高，但在30%的填充率下對TN 的去除率和SND 性能更高。

對于載體內(nèi)部的填充率同樣會導(dǎo)致不同的實驗結(jié)果。王帆等[4]在考察（10±1）℃條件下SBBR 反應(yīng)系統(tǒng)中流離球內(nèi)部填充率時，通過改變流離球內(nèi)部聚氨酯海綿和Kaldnes K3 的個數(shù)來提供18.3%、24.4%、30.5%、36.6%、42.7%的5 種填充率類型，研究發(fā)現(xiàn)，30.5%填充率下對污染物去除效果更好，微生物活性及總生物量較高。

1.4 填料比表面積

生物膜填料的比表面積是指單位質(zhì)量填料具有的表面積總和。比表面積作為生物膜填料的一種物理特性，同樣受到了研究者的關(guān)注。但是不同的研究結(jié)果，對生物膜填料比表面積這一參數(shù)對污水處理過程的影響產(chǎn)生了分歧。通常情況下，填料表面空隙越小、越多，填料的比表面積越大。而生物膜填料表面孔隙是生物膜生長和附著的關(guān)鍵位置，因此，比表面積越大，形成的生物膜越致密，具有的生物量就越高，較高的生物量對污染物的去除會起到積極促進(jìn)作用。因此，生物膜填料的比表面積作為一種可調(diào)控參數(shù)，來添加到生物膜填料的選擇上。

但也有研究表明，比表面積相差較大的2 種同類型生物膜填料對于污染物的去除效果大致相同。而且，當(dāng)使用比表面積較大的生物膜填料時，表面生長致密的生物膜會致使反應(yīng)器堵塞，在影響處理效果的同時增加了能源的消耗[5]。

2 針對不同類型工藝投加生物膜填料的應(yīng)用

在污水廠升級改造的工程實際當(dāng)中，建設(shè)新的曝氣池或更先進(jìn)的生物處理工藝往往需要更多的占地面積用于擴(kuò)建，而采用通過向反應(yīng)池中投加生物膜填料可以達(dá)到提高系統(tǒng)脫氮性能、抵抗低溫影響和節(jié)省占地面積、節(jié)省改造支出的目的。

下面將列舉國內(nèi)外近些年來幾種常見污水處理工藝采用投加不同類型生物膜載體來進(jìn)行污水處理的工程實例。

2.1 生物膜填料在A/O、A2/O 工藝中的應(yīng)用

有調(diào)查表明，目前已使用A/O、A2/O 等傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行污水處理的污水廠在我國占有50%以上的市場[6]。四川某新建污水廠因受用地面積限制，在設(shè)計中采用一種基于A2/O 的MBBR 工藝，以25%的填充率向好氧區(qū)投加SPR-Ⅱ型HDPE 懸浮填料，后期水廠的運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)[7]。

2.2 生物膜填料在SBR 工藝中的應(yīng)用

目前，全國累計建成的4 000 座污水廠中約有20%采用SBR 及其變形工藝[8]。在對于SBR 生物膜工藝的研究更多的集中在處理高濃度工業(yè)廢水及難降解的有機(jī)廢水的處理上。張俊等[9]向SBR 反應(yīng)器中投加了拉西環(huán)填料構(gòu)成SBBR 處理系統(tǒng)來處理垃圾滲濾液，實驗結(jié)果表明，該SBBR 處理系統(tǒng)對于COD、NH4+-N 的去除率為81%和70%，即系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 生物膜填料在氧化溝工藝中的應(yīng)用

氧化溝工藝憑借出色的脫氮除磷能力和良好的抗沖擊能力得以廣泛傳播應(yīng)用，但同時也受到污泥膨脹、污泥上浮等問題而導(dǎo)致出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。西安市第三污水處理廠在原有處理規(guī)模10×104m3/d 的基礎(chǔ)上進(jìn)行提標(biāo)改造，新增建設(shè)規(guī)模為5×104m3/d，將奧貝爾氧化溝的內(nèi)溝設(shè)置為填料區(qū)，內(nèi)部安裝填料推進(jìn)器，投加聚乙烯塑料生物膜填料，填充率為10%～20%。該工程出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，且有效解決了污水廠用地緊張、改造工程需求工期短等問題[10]。

3 針對不同類型污水投加生物膜填料的應(yīng)用

3.1 對低C/N 污水的處理

污水處理過程中的反硝化、厭氧釋磷過程均需要利用有機(jī)物來作為電子受體，因此，污水中的C/N 值越高，越有利于反硝化及除磷過程，當(dāng)進(jìn)水COD 含量或進(jìn)水中的N 過高時，形成低C/N 污水，對污水處理過程形成了巨大的挑戰(zhàn)。而在我國大部分城市的C/N較低，面對低C/N 污水時，往往會采用投加碳源的方式，這不僅會增加污水處理費用，甚至?xí)ξ勰嗟某两敌阅茉斐捎绊憽Ｍㄟ^投加生物膜填料，為微生物的生存提供了環(huán)境，促使生物膜載體上富集種類更多、豐度更高的微生物，高效利用碳源實現(xiàn)同步硝化反硝化反應(yīng)、反硝化除磷反應(yīng)，達(dá)到處理低C/N 污水的目的。郭艷君等[11]通過向A/O 工藝中投加一種由塑料圓片和纖維束構(gòu)成的組合式填料，好氧區(qū)填充率為58.1%，缺氧區(qū)填充率為57.2%，來處理C/N 值為6 的生活污水，掛膜完成后反應(yīng)器對COD、NH4+-N、TN 的去除效果良好。

3.2 對低溫污水的處理

受季節(jié)性氣候變化影響，我國北方大部分地區(qū)冬季溫度降至0 ℃以下，同時污水處理廠進(jìn)水水溫降低，低溫對污水處理工藝的影響較大，會導(dǎo)致硝化菌、反硝化菌的活性下降，對NH4+-N、COD 的去除能力降低，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。低溫下向工藝中投加生物膜填料可以通過增加系統(tǒng)中的生物量來應(yīng)對微生物活性降低的影響。任彥強(qiáng)等[12]在12 ℃的條件下，對比測試了4 種類型的生物膜填料，分別為1 種自制填料和3 種市售填料，填充率為30%，添加到反應(yīng)器中構(gòu)成MBBR 反應(yīng)器，實驗結(jié)果表明，自制填料的親水性更好，提高了微生物的附著能力，對COD、NH4+-N 的去除效率達(dá)到了77%和99%。

3.3 對工業(yè)廢水的處理

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水和廢液稱為工業(yè)廢水，具有組分復(fù)雜、排放量大、易造成環(huán)境污染等特點。通過比較發(fā)現(xiàn)，在污染物含量上區(qū)分為高NH4+-N 高COD、低NH4+-N 低COD、低NH4+-N 高COD 3 種類型工業(yè)廢水，生物膜法更適合處理低NH4+-N 低COD 濃度廢水[13]。生物膜法處理工業(yè)廢水的原理是利用生物膜載體上富集的微生物進(jìn)行吸附降解作用，使污染物得到去除，選取可以富集較多生物量的生物膜填料對于處理工業(yè)廢水可以起到促進(jìn)作用。朱明娟[14]通過向A/O 反應(yīng)器中投加填充率為35%的聚氨酯海綿填料，構(gòu)成活性污泥-生物膜系統(tǒng)來處理煤化工高氨氮廢水，掛膜后的穩(wěn)定處理期間，對廢水中有機(jī)物實現(xiàn)全部去除，對總氮的去除率達(dá)到76.3%。

4 結(jié)束語

生物膜填料在污水廠提標(biāo)改造過程中發(fā)揮出重要的作用。目前，對于Kaldnes、聚氨酯海綿、SPR-Ⅱ等填料的研究和工程應(yīng)用較為廣泛，但對于新型高性能填料的開發(fā)和應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究，為污水廠提標(biāo)改造過程及針對不同類型的污水提供更多的選擇。