強化耦合生物膜反應器在治理黑臭水體中的應用研究

摘要：黑臭水體作為城市水生態系統中不容忽視的污染源，對居民的生活品質及整體生態環境構成了嚴重威脅。為了有效應對這一挑戰，強化耦合生物膜反應器（Enhanced"Hybrid"Biofilm"Reactor，"EHBR）技術憑借其獨特的優勢在黑臭水體治理領域展現出了非凡的潛力。加強EHBR與其他水處理技術的協同作用，將進一步提升黑臭水體治理的綜合效果，構建健康、和諧的城市水生態系統。

關鍵詞：黑臭水體""強化耦合生物膜反應器"""微生物群落"""水體治理

Research"on"the"Application"of"Enhanced"Hybrid"Biofilm"Reactor"in"the"Treatment"of"Black"and"Odorous"Water"Bodies

ZHENG"Xiaolan1"""ZHENG"Xiaoyu2

1.Anhui"Environmental"Science"and"Technology"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Hefei，"Anhui"Province，"230000"China;2.Anhui"Public"Inspection"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Hefei，"Anhui"Province，"230002"China

Abstract："Black"and"odorous"water"bodies，"as"a"significant"source"of"pollution"in"urban"aquatic"ecosystems，"pose"a"serious"threat"to"the"quality"of"life"of"residents"and"the"overall"ecological"environment."In"order"to"effectively"address"this"challenge，"Enhanced"Hybrid"Biofilm"Reactor"（EHBR）"technology，"with"its"unique"technological"advantages，"has"demonstrated"its"extraordinary"potential"in"the"field"of"black"and"odorous"water"treatment."Strengthening"the"synergistic"effect"of"EHBR"with"other"water"treatment"technologies"will"further"enhance"the"comprehensive"effectiveness"of"black"and"odorous"water"treatment"and"build"a"healthy"and"harmonious"urban"water"ecosystem.

Key"Words："Black"and"odorous"water"body;"EHBR;"Microflora";"Water"body"management

強化耦合生物膜反應器（Enhanced"Hybrid"Biofilm"Reactor，"EHBR）技術作為一種革命性的治理黑臭水體的手段，其聚焦于優化生物膜的生長微環境，并顯著提升物質傳遞效率。EHBR技術不僅實現了對黑臭水體中污染物的快速、高效降解，還從根本上解決了水體污染問題，達到了治標又治本的效果。其核心優勢在于低成本與可持續性，能夠顯著降低治理成本，促進水資源的循環利用，減少對環境的二次影響[1]。

1""EHBR技術概述

1.1""EHBR技術原理

EHBR技術作為當代環保科技領域的一顆璀璨新星，深刻地詮釋了污水處理技術的創新與發展方向。EHBR技術是生物膜技術與膜分離技術兩大領域智慧的精妙融合，共同編織出一張高效、穩定的污水凈化網絡。通過精心篩選與培育，挑選出具有卓越凈化能力的微生物種群，利用先進的掛膜與馴化技術，引導微生物在中空纖維氣體分離膜表面構建起一層致密且活躍的微生物膜層。這層膜層借助中空纖維膜高效、均勻的氧氣供給能力，持續不斷地驅動著復雜的生化反應鏈，將水體中的有機污染物、氮、磷等物質逐一分解，甚至轉化為有益的生物質，實現了對水質的高效凈化與修復[2]。

針對城市景觀河道面臨的特殊環境問題——高氮、高磷污染與水華頻發，該技術將高效過濾技術作為核心引擎，通過精密設計的強化耦合生物膜組件，能夠精準捕獲并去除水體中的懸浮物、氮、磷等富營養化因子，從而遏制水體富營養化的進程。同時，結合先進的景觀曝氣技術與工程實踐，該技術能夠持續向水體中補充溶解氧，從而提升水體的自凈能力[3]，并維持水體透明度等關鍵生態指標在理想范圍內，為水生生物創造一個更加健康、宜居的生態環境。

EHBR技術以其高效的生化降解能力，從根源上削減了水體中的污染物負荷，進一步鞏固了凈化成果，確保了水質的長期穩定與提升，為城市河道水體的綜合治理與長期保護提供了堅實的技術支撐。

1.2""EHBR技術特點

（1）該技術的一大亮點在于其靈活性，膜組件直接部署于河道中，無需構建額外的土建池體，簡化了安裝流程，根據實際水質狀況進行快速且靈活的調整，確保治理效果的最大化。

（2）曝氣系統展現出了卓越的能效，單位體積內曝氣膜面積的大幅增加使氧氣傳輸效率顯著提升，同時有效控制了能源消耗，實現了高效與節能的雙重目標[4]。

（3）微生物在膜表面實現了高度富集，形成了一個穩定且高效的生物群落。這種結構保證了活性微生物，還能夠適應從靜止到流動的各種水體環境，展現出廣泛的適用性。

（4）該技術的另一個顯著優勢在于其復雜的微生物群落結構，其中包含了多種硝化和反硝化微生物。這一特性使該技術能夠在單一反應器內同時完成化學需氧量（Chemical"Oxygen"Demand，COD）和氨氮的去除，實現了硝化與反硝化的高效集成。

（5）面對復雜多變的水質條件，該技術展現出了強大的去除污染物能力和良好的抗沖擊負荷性能，確保了水質凈化的穩定性和可靠性。

（6）從工程投資到運維管理的全方位考量，該技術均展現出了顯著的經濟性，綜合工程投資成本較低，運維流程簡化，動力能耗低，從而實現了運行成本的顯著降低，為用戶帶來了更加經濟、高效的治理方案。

1.3""EHBR在水體治理過程中的優勢和影響因素

1.3.1""EHBR在水體治理過程中的優勢

（1）高效凈化能力。EHBR技術采用特殊載體材料，具有優異的表面性質，微生物群落緊密附著在高效透氧的載體上，如中空纖維膜，形成了密集且活躍的生物膜層。這些微生物能夠高效利用膜傳遞的氧氣，加速對有機物、氨氮等污染物的降解過程，從而提高了微生物的負載量和活性，顯著提升了水體中污染物的去除效率，確保水質在短時間內實現質的飛躍，展現出強大的凈化能力。

（2）長效穩定運行。該技術的設備安裝簡便、快捷，縮短了施工期，降低了施工和維護成本，提高了處理效率和質量。同時，其設計確保了長期、穩定運行，為水體提供了持續不斷的凈化保障，讓水質改善效果得以長久維持。

（3）生態安全保障。EHBR技術堅持從原水體中自然培養與馴化微生物，可確保所使用的微生物種群是本地適應的。EHBR技術通過生物膜的自然降解作用，實現了對污染物的無害化處理。在處理過程中，微生物群落不僅能夠有效去除有機物、氨氮等污染物，還能促進水體中生態系統的恢復和重建。EHBR技術的應用也符合當前綠色、低碳的環保理念，為構建生態文明社會貢獻力量。

（4）經濟高效的運行成本。相較于傳統的黑臭水體治理方法，如大規模清淤、換水或依賴高能耗的曝氣設備，EHBR技術的運行成本更低。其高效的氧氣傳遞機制減少了能源消耗，同時，由于生物膜的自然降解作用，無需額外投加大量化學藥劑，進一步降低了處理成本。此外，EHBR系統的設備結構相對簡單，維護管理方便，減少了長期運營中的人力物力投入。這些特點使得EHBR技術在經濟性上更具競爭力，為城市黑臭水體治理提供了更加經濟可行的解決方案。

1.3.2"影響EHBR技術治理效果的因素

EHBR技術在治理水體過程中中受到多種因素的影響，包括溫度、水質條件、技術因素等，以下是對EHBR影響因素的詳細分析。

（1）溫度。溫度作為一個核心環境因素，對微生物的活躍度與代謝速度起著決定性作用。在EHBR系統中，微生物群落依附在生物膜上，扮演著分解并去除水體中污染物的關鍵角色。因此，溫度的細微波動均能顯著影響微生物的工作效率，進而波及整個系統的處理效能[5]。面對高溫環境的挑戰，為了確保EHBR系統能夠持續高效地運行，選用了具有卓越高溫耐受性的材料來構建膜組件，其能夠在極端溫度條件下保持結構的穩定性和功能的完整性。通過優化系統布局、增加散熱面積與采用高效的熱交換技術等手段，有效降低了膜組件及其周圍環境溫度，為微生物創造適宜的生長與代謝環境，保障了EHBR系統在高溫條件下的性能穩定性和處理效率。

（2）水質條件。水質條件涵蓋水體的酸堿度（pH值）、溶解氧、有機物質，以及氮、磷等營養鹽的含量，直接影響著微生物活躍度和代謝過程。在EHBR系統中，水質波動會影響到微生物對污染物降解效率，進而對整個系統的處理效果產生深遠影響。為了應對水質條件變化帶來的挑戰，需要采取靈活且科學的應對策略。根據實時監測的水質數據，對EHBR系統的運行參數進行調整。例如：當檢測到水體中溶解氧（Dissolved"Oxygen，DO）含量不足時，適當增加曝氣量，以提升微生物的好氧代謝能力；當有機物濃度過高或氮磷含量失衡時，通過調整水力停留時間等參數，優化微生物的生長環境，促進其對污染物的有效降解。

（3）技術因素。①膜組件性能。在EHBR系統中，膜組件作為核心部件，其材質的選擇、結構的布局和透氣性的優劣均對氧氣的傳輸效率與生物膜的生長狀況產生深遠影響。首先，選用優異性能的膜組件材料，其具備良好的透氣性、耐腐蝕性和生物相容性，能夠確保氧氣高效、穩定地傳輸。其次，優化膜組件結構，確定結構布局與孔徑分布，促進氧氣均勻分布。最后，提升膜組件的表面性質，增強生物膜的附著力與生長穩定性，提升氧氣傳遞效率與生物膜的生長質量，為系統長期、穩定運行與高效凈化提供保障[6-7]。②微生物群落。

在EHBR系統中，微生物群落的種類多樣性、數量豐度和代謝活性共同構成了影響系統處理效果的關鍵因素，微生物群落的組成結構直接決定了系統對復雜污染物的降解能力和整體處理效率。為優化EHBR系統的處理性能，首先，引入并接種特定種類的微生物，優化系統中的微生物群落結構[2]；其次，創新調控系統運行條件、優化措施，促進微生物快速增長和繁殖，增強代謝活性，高效地降解水體中的污染物。

1.3.3"操作與維護因素

（1）運行參數設置。EHBR系統的運行參數如曝氣量、水力停留時間、回流比等都會影響系統的處理效果。不合理的運行參數設置會導致處理效果不佳或能耗增加[8]。為了最大化EHBR系統的性能，初始運行參數的設定至關重要。這一過程需要基于實時監測的水質條件，包括但不限于水體的pH值、溶解氧（DO）濃度、有機物含量、氮和磷的濃度等關鍵指標。通過對這些水質參數的全面分析，可以科學合理地設定曝氣量、水力停留時間和回流比等初始運行參數，確保系統從一開始就能夠在接近最佳狀態的條件下運行；通過建立動態監測與反饋調整機制，定期對水質樣本進行檢測分析，實時收集系統性能指標的監測數據，如處理效率、膜通量變化、能耗等。通過對這些數據的深入分析，可以及時發現并識別出任何偏離最優運行狀態的跡象，如處理效率下降、能耗異常增加等。結合系統性能指標的實時數據，及時發現并識別出任何偏離最優運行狀態的跡象。

（2）維護管理。定期的維護管理對于保持EHBR系統的良好運行狀態而言，其重要性不言而喻。EHBR系統雖然能夠顯著提升水質凈化效率，但若缺乏恰當的維護與管理，同樣會面臨一系列潛在問題。例如，設備長時間運行而未得到及時清洗，可能會導致堵塞、磨損甚至損壞，直接影響系統的整體性能和處理效率。此外，微生物群落作為EHBR系統的核心組成部分，其平衡狀態對于污染物的降解效率至關重要。一旦因維護不當導致微生物群落失衡，不僅會削弱系統的凈化能力，還可能引發二次污染，進一步加劇水質問題。因此，為了確保EHBR系統能夠長期、穩定且高效地運行，必須建立一套完善的維護管理制度和操作規程。包括：日常巡檢，定期對系統進行全面檢查，記錄運行參數，如溶解氧濃度、pH值、水溫等，及時發現并處理異常情況；定期清洗，根據系統運行情況和污染程度，制定清洗計劃，采用物理或化學方法清除附著在膜組件上的污垢和生物膜，保持膜通量，延長設備使用壽命；消毒處理：定期對系統進行消毒，殺滅潛在的病原微生物，防止生物污染，保障出水水質安全；維護保養，對系統的關鍵部件，如泵、曝氣裝置、控制系統等，進行定期的檢查和維護，確保設備處于最佳工作狀態；微生物群落管理：通過定期監測微生物群落結構，調整運行參數，如營養物質比例、DO濃度等，以維持微生物群落的平衡和活性，優化降解效率。

2""EHBR技術在黑臭水體治理中的應用

2.1"湯遜湖水質提升工程

武漢湯遜湖作為亞洲規模宏大的城市內湖，橫跨江夏區、洪山區、東湖高新區、紅旗湖等，總水域面積高達47.62"km2，流域范圍覆蓋了240.48"km2的土地。然而，隨著城市的快速擴張與發展，湯遜湖及其子湖面臨著前所未有的污染壓力，入湖污染負荷逐年攀升，導致湖泊水質急劇惡化，出現V類甚至劣V類。

2021年，武漢啟動了湯遜湖流域綜合治理（一期）工程，其中，紅旗湖區域（面積達20萬m2）成為重點治理對象。項目創新性地采用了EHBR聯合濕地技術的綜合治理方案，對入湖污水處理廠的尾水進行深度凈化處理。EHBR技術以其高效的生物降解能力有效去除了水體中的污染物；濕地系統通過自然凈化過程，進一步提升了水質，并促進了水生生態系統的恢復[9]。EHBR與濕地技術聯合實現了“1+1＞2”的治理效果，經過治理，紅旗湖水域的水質顯著提升，主要水質指標已達到地表水IV類標準。

2.2"合肥匡河水質提升工程

安徽省合肥市的匡河水系全長達10.8"km，水域面積約為31.2萬m2。水系相對封閉，水體自然循環不暢，加之溫度波動、水生植物生長等多重因素影響，使匡河在夏季頻繁遭遇藍藻爆發的嚴峻挑戰，水質多在Ⅳ至Ⅴ類之間，部分區域形成黑臭水體。

為治理匡河水系，合肥市引入先進的EHBR技術進行水質提升。通過其獨特的生物膜構建與膜分離機制，有效增強了水體的生物處理能力和物質轉化效率。匡河水系水質發生了顯著變化，成功擺脫了藍藻困擾，水質提升至Ⅱ類標準[10]。

2.3"合肥王建溝水質修復工程

王建溝河道全長約6.5"km，流域面積26.7"km2。該河道水質主要表現為總氮、氨氮和COD含量嚴重超標，水質大多處于劣V類，部分時段出現黑臭現象。

為從根本上解決這一頑疾，合肥采用EHBR技術強化凈化工程，結合智能曝氣系統，形成了一套高效、智能的水體治理方案。EHBR技術憑借其獨特的優勢實現了精準的靶向供氧，通過智能調控，精準調節水體中的DO含量至最佳范圍，為微生物的活躍代謝提供了有力支持[11]。通過EHBR技術強化凈化工程與智能曝氣系統的協同作用，王建溝的水質得到了顯著改善。

3"結論與展望

EHBR技術在治理黑臭水體方面展現出了顯著的優勢和巨大的潛力，成為當前城市水環境治理領域的一項創新技術。這項技術通過其獨特的耦合機制，將生物膜技術與高效的氧氣傳輸系統相結合，為水體中的微生物提供了一個理想的生長環境，從而顯著提升了水體中有機污染物、氮、磷等營養物質的去除效率。為了進一步提高EHBR技術在治理黑臭水體方面的效果和經濟性，需要不斷優化技術參數、改進設備設計和加強操作管理。具體而言，可以通過以下幾個方面進行努力。

（1）優化生物膜結構：研究和開發新型生物膜材料，提高生物膜的附著力和穩定性，促進微生物的生長和繁殖；同時，通過調整生物膜的厚度和孔隙率等參數，優化污染物的傳質和降解過程。

（2）改進氧氣傳輸系統：采用更高效的氧氣傳輸膜材料和更合理的曝氣方式，提高氧氣的傳遞效率和利用率，這不僅可以降低能耗，還可以提高微生物的活性和降解效率。

（3）加強操作管理：建立完善的操作管理制度和操作規程，定期對EHBR系統進行維護和保養；同時，加強對水質和微生物群落的監測和分析，及時調整運行參數和微生物群落結構，確保系統的穩定運行和高效處理。

參考文獻

1. "楊壘，李坤，劉如.強化耦合生物膜技術在河道污水中的應用[J].資源節約與環保，2023（1）：71-74.
2. "李曼，鄧柏松，楊大新，等.EHBR膜處理系統技術在長江流域城市河湖治理的實踐和思考[C]//中國科學技術協會，青島市人民政府.2020第十五屆青島水大會報告集.長江生態環保集團有限公司，2020：4.
3. "郁片紅.磁混凝/強化耦合生物膜工藝用于河道水質提升[J].中國給水排水，2019，35（18）：83-87.
4. "張華俊，蔣聲東，李森，等.純氧曝氣在黑臭河道治理中的應用效果研究[J].環境科學導刊，2023，42（4）：34-38.
5. "張懷龍，肖建強.城市黑臭水體的原因以及治理探討[C]//河海大學，河北工程大學，浙江水利水電學院，北京水利學會，天津市水利學會.2023（第二屆）城市水利與洪澇防治學術研討會論文集.濟南黃河河務局槐蔭黃河河務局，2023：13.
6. "王旭洋.城市河道水體凈化與生態修復技術研究[Z].天津海之凰科技有限公司，"2018-01-05.
7. "陳廣.厭氧動態膜生物反應器用于污泥厭氧消化的性能及機理研究[D].上海：同濟大學，2022.
8. "劉曉瑞.微納米曝氣技術在環保水環境治理領域的研究進展及應用[J].清洗世界，2024，40（2）：25-27.
9. "劉力，張雅，李朋，等.武漢市典型湖泊濕地生態系統健康評價：以湯遜湖為例[J].資源環境與工程，2022，36（6）：773-781.
10. "陳甜甜.河道水環境治理工程中多方位原位生態修復技術的應用：以合肥濱湖新區塘西河水質治理工程為例[J].清洗世界，2021，37（3）：62-63.
11. "王凱麗.小流域綜合整治案例簡析：以合肥市王建溝流域水質提升為例[J].中國市政工程，2020（5）：38-41，115."