懸浮填料與生物膜工藝研究現狀與進展

田 青 ，鮑曉博 ，吳 端

（1.天津港保稅區水處理新技術產業化基地，天津 300191；2.首創愛華（天津）市政環境工程有限公司，天津 300191）

0 引言

我國的城市化進程處于不斷的增速過程中，水體污染與藻類爆發等問題日漸突出。我國污水處理廠目前廣泛采用的還是常規的二級生化處理工藝，沒有獨立的脫氮除磷單元，對污水中氮磷等污染物質的去除率不能滿足日益發展的水資源供給和水環境需求，因此，脫氮除磷工藝的研究與開發已成為水體污染控制與治理領域的研發熱點。懸浮填料生物膜工藝（suspended carrier biofilm process，SCBP）又稱移動床生物膜反應器（moving bed biofilm reactor,MBBR），作為新型的水處理工藝，其目的是在原有活性污泥處理系統的基礎上提高負荷率、增加脫氮除磷的能力［1，2，3］，其理論研究和水處理領域的應用均取得了快速發展，成為當今水處理領域的熱點。

1 懸浮填料與生物膜工藝

在污水生化處理中，活性污泥法和生物膜法是兩大主要的技術歸趨，基本上全部的污水生化處理工藝過程都可以歸結為活性污泥法或/和生物膜法的具體應用形式。生物膜法主要類別有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等。懸浮填料生物膜工藝指在水處理構筑物中直接投加密度與水相近的輕質填料，利用附著生物量或者生物膜與活性污泥聯合作用。填料在池內曝氣時隨水流動，自由流化。其本質上屬于生物膜法，但是在運動特性、運行方式以及生物膜狀況等方面具有獨特的性質和特點。生物膜法的構成關鍵即是微生物群體得以掛膜的填料或載體。為提高生物膜的處理能力，科研開發主要集中在微生物菌種篩選、生物膜反應器設計、生物填料/載體3個方面，其技術核心之一就是填料/載體。填料起著固結微生物的作用，生物膜在填料上的附著性能，直接制約著生物膜法水處理工藝的啟動和運行效果。

懸浮填料的研發著力于幾個方面：（1）提高機械強度和剛性，避免在填料反沖洗過程中的形變，降低使用磨損率。同時，避免填料發生破碎。（2）提高填料的化學穩定性，避免其發生化學腐蝕。（3）提高填料的外形設計水平和制造能力，提供大比表面和高孔隙率，增加生物附著量。（4）進行填料表面改性，提高填料表面能和傳質效率，提高其在氣液反沖洗過程中的再生性能，延長填料使用壽命。

20世紀90年代中期發展起來的懸浮填料，具有良好的孔結構和很高的孔隙率，比表面積大，水力阻力小，在反應器中的流化能耗低。內部具有大量網狀并相互連通的孔道，不僅對微生物的附著性能好，氣液傳質速率高，而且還可以有效地避免微生物受水流剪切和沖擊的影響［4，5］。此外，從表面向內，隨著溶解氧傳輸率的不斷降低，載體內外依次形成了適于厭氧和好氧微生物生長的微環境，為增加生物多樣性提供了基礎條件［6］。這類填料形成的復合生物反應器、移動床生物膜反應器等形式的懸浮填料生物膜法工藝，吸收了傳統的流化床和生物接觸氧化法兩者的優點，成為一種新型高效的污水處理技術［5，7］。生長了生物膜的懸浮填料因密度與水接近，填料依靠曝氣和/或攪拌作用，處于流化狀態，并隨水流移動，生化池曝氣過程中，不僅使污水與填料上的生物膜廣泛而頻繁地接觸，而且填料在流化過程中可切割分散氣泡，使布氣趨于均勻，增大了固—液—氣三相之間的充分接觸混合和碰撞，顯著提高了生化反應池中氧的轉移利用效率［8，9］。懸浮填料的開發研制，也成為目前填料研究開發的重點。使用的填料的規格一般為直徑20~150 mm，形狀分類主要有球形和圓柱形2種，填料的比表面積為50~500 m2/m3。

針對市政污水升級改造項目，尤其是一級B升級一級A工程，使用懸浮填料的生物接觸氧化工藝在國內外已經取得了很多業績，且用戶反映良好。但生物接觸氧化工藝的投資造價制約其在新建項目上的應用。沒有行業或國家的正式設計標準或規范，也是在新建污水處理廠推廣的主要困難之一，要大力推行，必須優先推出行業的設計標準。現階段生物接觸氧化工藝比較適合中、大型污水處理廠一級A的升級改造項目，尤其是大型污水廠，在原有污水廠征地困難的情況下，生物接觸氧化工藝具有節約用地、構造簡單的特點，是生物接觸氧化工藝今后主要的市場發展方向。

2 懸浮填料生物膜工藝原理

懸浮填料生物膜工藝是通過投放密度近似1.0g/cm3的分散性填料于生化反應池中，使之作為微生物附著生長的基質，形成穩定的生物膜結構,并通過流化,加強與污水中有機物的接觸作用，使填料生物膜的微生物群落連續攝取污水中有機污染物,降低污水中COD含量，并取得一定的脫氮效果［10，11］。該工藝既可在好氧環境下運行，也可在缺氧和厭氧條件下運行。在好氧環境下,填料依靠曝氣和水流的提升作用,在反應器內自由流動；在缺氧和厭氧環境下,通過機械攪拌即可使填料呈現流化狀［12，13］。填料表面的生物膜結構，由內向外依次形成厭氧、兼性厭氧和好氧微生物群落，生物膜結構穩定，細菌世代時間長，為在活性污泥中較難繁殖的硝化細菌提供了較好的生境，從而提高了生化處理過程的好氧硝化性能［12-21］。掛膜成熟的懸浮填料單位面積硝化速率可以達到1.0gNH3—N/m2填料·d，最多可以達到 1.4～1.6gNH3—N/m2填料·d［4，20］。

3 懸浮填料的主要分類

目前常用的懸浮填料可歸結于以下類別［21-23］：

（1）多孔泡沫填料：材質多為聚氨酯泡沫塊，密度小于水，形狀為小方塊，大小不超過15mm，工藝中載體投配率為1%~3%，可極大提高生物量，濃度可達5~8 Gmlss/l，呈多孔狀，表面和內部均可生長微生物以提高生化處理效果。填料比重與水接近，可以懸浮于水中流動。可分為分別針對含碳、含氮有機物的硝化和同步反硝化工藝的不同品類。

（2）KMT型懸浮填料（見圖1）：由挪威Kaldnes公司所研發的該系列填料，是目前市場上應用最廣范的懸浮填料類型。該填料為圓柱狀，以聚乙烯塑料為主要材質，外觀呈外棘輪狀，填料內壁具有十字筋加強結構，填料直徑約10mm，高度為10mm，密度為0.92~0.96g/cm3，總體投加比可達到70%，比表面積可達350 m2/m3，生物量濃度可達3~4 Gmlss/l。國內諸多廠家以該填料為原型，開發出結構類似的系列懸浮填料產品［5，6，8，21］，有效比表面積已可提高到 800 m2/m3，發揮了顯著的強化脫氮生化反應能力。

（3）大型球狀或柱狀懸浮填料：該類填料源于國內填料生產廠家在20世紀90年代中期的自主研發，現已在國內不少污水和工業廢水處理工程中得到了實踐驗證［24］，填料規格已基本定型為粒徑25mm，50mm，80mm和100mm等規格的高分子聚合物注塑而成的多孔圓球狀或圓柱狀骨架（見圖2），填料內部設計一定的翼板和/或套環結構，填料密度約為0.95～0.98 g/cm3，比表面積已可達到 400 m2/m3［25-27］。

圖1 Kaldnes KMT型懸浮填料

圖2 球狀或柱狀懸浮填料

懸浮填料具有良好的幾何構型，微生物生長狀態良好，有機物降解效率更高。水中氧氣和污染物可順利穿過填料，增加生物膜與氧氣和有機污染物的接觸，提高傳質效率和生物降解性能。填料比表面積大，生物附著量多，適合硝化菌生長，硝化脫氮效果明顯。懸浮填料的密度適中，易流化，水力攪拌能耗不高。填料附著的結構良好的微生物菌群也可獲得較強的含碳有機物降解能力，COD容積負荷可達到6 kgCOD/m3·d以上。由于生物膜技術不存在傳統活性污泥法的污泥膨脹、污泥上浮以及污泥流失等常見問題，污水處理廠的日常運行管理更加便捷。通過填料的增加可以在不增加污水處理廠池容的條件下獲得污水處理負荷的提升,可滿足污水處理廠提標升級改造的產業需求。

4 小結與展望

懸浮填料生物膜工藝雖距今只有10多年的歷史，但其發展十分迅猛，因建造簡單和操作方便，可在不增加反應器容積的條件下改造現有的常規污水處理廠，使之提高對有機物的去除率和達到脫氮除磷的目的。如張家口主城區污水處理廠規模為10萬t/d，該污水處理廠原出水水質為國家二級排放標準，運用懸浮填料生物膜工藝對其原有的工藝進行升級改造，達到一級A排放標準。無錫蘆村污水處理廠規模為20萬t/d，采用A2O活性污泥工藝，污水處理廠的排放標準進一步提高需要進行升級改造，改造內容將生物池改造為生物膜-活性污泥復合工藝，出水穩定達到一級A排放標準。懸浮填料生物膜工藝適應了污水廠排放標準日益嚴格的趨勢，可以相對方便地實現老舊污水廠的升級改造，具有一定的技術優勢。該工藝必將在我國得到更加廣泛的應用。國產懸浮填料的主要研發方向如下：

（1）推進填料生物膜工藝反應動力學研究：通過工程實踐和實驗室研究，充分積累填料生物膜工藝數據，完成反應動力學參數的測定，建立二級生化反應動力學表達式，為填料生物膜工藝系統的設計和運行提供技術支持。

（2）改進懸浮填料的流態：試驗優化填料的最佳投配率、氣水比等，使懸浮填料的流動更均勻和快速，有利于避免反應死區和提高傳質效果。

（3）提高填料的比重均一性：使掛膜后的懸浮填料密度更接近于水的密度而且均一，僅需更小的曝氣量和機械攪拌即具有良好的流動性，減少能耗。

（4）加強懸浮填料的掛膜能力：通過對填料表面提高粗糙度和進行親水改性，縮短懸浮填料掛膜時間，提高填料生物膜中硝化菌群數量，增強脫氮處理效果。

（5)開展填料親水性改性：進行填料聚乙烯等基質材料表面的親水性改性處理，引入親水性官能基團，更好地滿足該有機填料在水相體系中的使用要求。

懸浮填料是填料生物膜工藝的核心，其水力特性、生物膜附著性、空間形狀及比表面積、機械強度和延展性、化學和生物穩定性等方向是進一步研究開發的重點。開發高效、廉價的功能性懸浮填料、提高有效比表面積以及工藝和運行參數優化等領域的研究將推動懸浮填料生物處理工藝的快速發展。

［1］Welander U，Henrysson T，Welander T.Biological nitrogen removal from municipal landfill leachate in a pilot scale suspended carrier biofilm process［J］.Water Research，1998（5）：1564-1570.

［2］H.Odegaard，B.Rusten and H Badin.Small wastewater treatment plant based on moving bed biofilm reactors［J］.Wat.Sci.Technol，1993（10）：351-359.

［3］Welander U，Henrysson T，Welander T.Nitrification of landfill leachate using suspended-carrier biofilm technology［J］.Water Research，1997（9）：2351-2355.

［4］Welander U，Mattiasson B.Denitrification at low temperatures using a suspended carrier biofilm process［J］.Water Research，2003（10）：2394-2398.

［5］柴社立，蔡晶，芮尊元.移動床生物膜反應器及其應用［J］.上海環境科學，2004（6）：257-261.

［6］季民，董廣瑞，霍金勝.移動床生物膜反應器水力特性的數值模擬［J］.中國給水排水，2002（5）：14-17.

［7］孫華，張菊平，李湘霖.投加懸浮填料改善活性污泥處理系統性能的試驗研究［J］.重慶環境科學，2001（6）：37-40.

［8］金冬霞，田剛，施漢昌.無紡布填料處理污水試驗及機理［J］.環境科學，2002（3）：63-67.

［9］王學江，夏四清，張全興.懸浮填料移動床處理蘇州河支流河水的試驗研究［J］.環境污染治理技術與設備，2002（1）：27-29，22.

［10］Wang Jianlong，Shi Hanchang，Qian Yi.Wastewater treatment in a hybrid biological reactor（HBR）：effect of organic loading rates［J］.Process Biochemistry，2000（36）：297-303.

［11］曹斌.復合生物反應器處理城市污水的試驗研究［J］.給水排水，2003（12）：28-31.

［12］ChristenssonM，WelanderT.Treatmentofmunicipalwastewater in a hybrid process using a new suspended carrier with large surface area［J］.Water Science&Technology，2004（11-12）：207-214.

［13］G.Pastorelli，G.Andreottola，R.Canziani.Organiccarbon and nitrogen removal in MBBR［J］.Wat.Sci.Technol，1997（6）：91-99.

［14］B.Rusten，B.G.Hellstr?n，F.Hellstr?n.Pilot testing and preliminary design of moving-bed biofilm reactors for nitrogen removal and the FREVAR wastewater treatment plants［J］.Wat.Sci.Technol，2000（4-5）：13-20.

［15］Mnch E，Barr K，Watts S，et al.Suspended carrier technology allows upgrading high-rate activated sludge plants for nitrogen removalviaprocessintensification［J］.Waterscienceandtechnology，2000（4-5）：5-12.

［16］朱文亭，顏玲，閻海英，等.循環移動載體生物膜反應器的試驗研究［J］.中國給水排水，2000（11）：51-54.

［17］徐斌，夏四清，高廷耀.懸浮生物填料床處理微污染原水硝化試驗研究［J］.環境科學學報，2003（6）：743-747.

［18］U.Welander,B.Mattiasson.Denitrification at low temperature using a suspended carrier biofilm process［J］.Wat.Res，2003（37）：2394-2398.

［19］Wang R C，Wen X H，Qian Y.Influence of carrier concentration on the performance and microbial characteristics of a suspended carrier biofilm reactor［J］.Process Biochemistry，2005（9）：2992-3001.

［20］U.Welander,T.Henrysson and T.Welander.Nitrification of landfill leachate using suspended carrier biofilm technology［J］.Wat.Res，1997（9）：2351-2355.

［21］金冬霞，田剛.懸浮填料的選取及其性能試驗研究［J］.環境科學學報，2002（3）：333-337.

［22］M.Morper.etc.Improvement of existing wastewater treatment plants’efficiencies without enlargement of tankage by application of the LINPOR process-case study［J］.Wat.Sci.Tech，1990（7-8）：207-215.

［23］P.S.Goliam，etc.Three years of full-scale CAPTOR process operation at Moundsville WWTP［J］.Wat.Sci.Tech，1994（10-11）：175-181.

［24］張興文，楊鳳林，馬建勇，等.MBBR處理低濃度污水的工程應用［J］.環境工程，2002（5）：12-16.

［25］季民，薛廣寧，董廣瑞，等.移動床生物膜反應器處理生活污水［J］.中國給水排水，2003（2）：56-57.

［26］Gapes D J，Keller J.Impact of oxygen mass transfer on nitrification reactions in suspended carrier reactor biofilms［J］.Process Biochemistry，2009（1）：43-53.

［27］夏四清，徐斌，高廷耀，等.懸浮填料床生物預處理黃浦江原水中試研究［J］.同濟大學學報，2003（8）：977-981.